04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Fortschritte im kernlosen Wickeln für eine digitale Prozesscharakterisierung(2022) Mindermann, Pascal; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Das kernlose Wickeln ist ein aufstrebendes additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von duroplastischen Faserverbundstrukturen. Ein imprägniertes Faserbündel wird frei zwischen räumlich angeordneten punktförmigen Ankern frei aufgespannt, wodurch die Geometrie der herzustellenden gitterförmigen Bauteile definiert wird. In Verbindung mit der Automatisierung des Prozesses kennzeichnet diese Gestaltungsfreiheit das kernlose Wickeln als relevant unter den verfügbaren Leichtbautechnologien. Allerdings bedarf es noch mehrerer Weiterentwicklungen, um das Potenzial des kernlosen Wickelns für den Maschinenbau und die Architektur nutzbar zu machen. Im Maschinenbau werden effiziente Strukturen zur Erreichung der Klimaneutralität und hoch-leistungsfähige Strukturen für technische Innovationen benötigt. Hingegen besteht im Bauwesen aufgrund des Bevölkerungswachstums ein ansteigender Bedarf nach Gebäudeflächen, während die Produktivität jedoch infolge mangelnder Digitalisierung stagniert. Die technologische Verbreitung des kernlosen Wickelns wird durch die inhärenten Streuungen in Prozess- und Strukturparametern verlangsamt. Abweichungen im Material und Schwankungen in den Prozessparametern führen zu Unsicherheiten im Auslegungsprozess, welche durch eine Erhöhung der Sicherheitsfaktoren und des Ressourcenverbrauchs kompensiert werden. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Verbesserung der Charakterisierung des kernlosen Wickelprozesses. Dies wurde durch eine Weiterentwicklung der Methoden zur digitalen Erfassung umgesetzt, wobei das primäre Ziel in der Vergrößerung der Übereinstimmung zwischen dem digitalen Modell und dem physischen Gegenstück bestand. Durch die Implementierung von physikalischen und digitalen Anpassungen wurde das primäre Ziel erreicht. Zugleich wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Fortschritte in der Bauteilqualität und der Prozesseffizienz gemacht. Darüber hinaus wurde das Verfahren auf neue Funktionen und Anwendungen erweitert. Das kernlose Wickeln wurde ganzheitlich anhand von vier Forschungsansätzen betrachtet, welche auf das Fertigungssystem, das Materialsystem, die Lasteinleitung und die Datenverarbeitungsinfrastruktur ausgerichtet sind. Der kumulative Entwicklungsfortschritt, welcher anhand der Forschungsansätze aus den eingebundenen wissenschaftlichen Beiträgen gewonnen wurde, zeigt aufgrund der konsistenten digitalen Charakterisierung eine übergreifende Verbesserung in den Prozessbewertungskriterien. Zudem ermöglicht das vermehrte Verständnis über die Eigenheiten des kernlosen Wickelns eine effektivere Handhabung von zukünftigen spezifischen Anforderungen, indem die Entscheidungsfindung während des Auslegungsprozesses in allen Prozessaspekten vereinfacht wird.