Fortschritte im kernlosen Wickeln für eine digitale Prozesscharakterisierung

Abstract

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.

Coreless filament winding is an emerging additive manufacturing process for generating fiber-reinforced thermoset composite structures. An impregnated fiber bundle is spanned freely between spatially arranged point-like anchors, defining the lattice geometry of the fabricated components. This design freedom, combined with the automation of the process, marks coreless filament winding as a valuable contribution to the spectrum of lightweight manufacturing technologies. However, coreless filament winding still requires several advancements to deliver its potential to mechanical engineering and architectural applications. Mechanical engineering demands efficiency to meet climate neutrality and high-performance structures driven by technical innovation. In conjunction to the challenges, architecture faces an increasing need for building floor space caused by population growth, while productivity stagnates due to missing digitalization. The adoption of coreless filament winding is held back by inherent variations in the parameters describing the process and the fabricated structures. Process parameter fluctuations combine with material deviations. Safety factors and resource consumption increase as these variations translate into uncertainties in the design process. Therefore, this thesis aims to improve the characterization of the coreless filament winding process. An enhanced digital representation realized this characterization, as the primary objective was to improve the consistency between the digital model and the physical counterpart. The primary objective was achieved by implementing adjustments in the physical as well as in the digital domain. In parallel, this thesis also realized advancements in the quality of the fabricated structures and the efficiency of the process. Furthermore, the process capabilities were extended to new features and applications. Coreless filament winding was considered holistically based on four research approaches as follows: fabrication system, the material system, the load induction, and the computational infrastructure. The cumulative advancement extracted from the comprised academic contributions, distributed across the research approaches, confirms the overarching improvement of the considered process evaluation criteria through a consistent digital characterization. Moreover, the improved understanding of the peculiarities of coreless filament winding allows for more effective management of specific requirements in the future by simplifying the decision-making during the design process, covering all process aspects.