Prozesskette zur robotergestützten Herstellung vernähter faserverstärkter Preforms

Abstract

Faserverbundwerkstoffe insbesondere auf Basis von Kohlenstoffffasern sind seit langem ein wichtiger Werkstoff im Flugzeugbau, da sie im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine signifikante Gewichtsersparnis für Bauteile bedeuten. Ein großer Nachteil dieser Technologie sind allerdings die hohen Herstellkosten, da der Prozess bei dem häufig mit Harz vorgetränkte Faserhalbzeuge zum Einsatz kommen noch weitestgehend manuell abläuft. Eine Alternative zu den vorgetränkten Fasern bietet die Preformtechnologie in Kombination mit Harzinjektionstechniken. Um textile Vorformlinge für Faserverbundbauteile herzustellen kommt häufig die Nähtechnik zum Einsatz. Textile Techniken und insbesondere Näh- gekoppelt mit Harzinjektionstechniken können wesentliche Beiträge zur Kostenreduktion liefern. In dieser Arbeit wird eine Prozesskette entwickelt, mit der es möglich ist, textile Preforms automatisiert mit einem Roboter zu konfektionieren. Die entwickelte Prozesskette wird in Form einer sog. erweiterten ereignisgesteuerten Prozesskette dargestellt. Es werden zunächst die Grundlagen für einen intelligenten Nähprozess mit einem Industrieroboter erörtert und in Grundlagenuntersuchungen validiert. Taktile Sensorik kommt ebenso wie berührungslose Sensorik zu Einsatz. Hierfür wurden insbesondere Untersuchungen zur Reflexion von Carbonfasern durchgeführt, um den Wellenlängenbereich zu ermitteln, in dem die Fasern am meisten Licht reflektieren. Auf dieser Basis wird eine Demonstratoranlage abgeleitet und an einem konkreten Bauteil aus der zivilen Luftfahrt, dem A350- Fensterrahmen, validiert und Parameter für eine industrielle Herstellung ermittelt. Diese Parameterermittlung dient als Grundlage für eine exemplarische Wirtschaftlichkeitsanalyse und mögliche Fabrikplanung für eine Serienherstellung des Fensterrahmens für die A350. Die Ergebnisse dieser Wirtschaftlichkeitsanalyse der robotergestützten Vernähung werden mit den Kosten der manuellen Herstellung des Fensterrahmens verglichen.

For a very long time fiber reinforced composites especially made of carbon fibers have represented an important material in aircraft design, since they offer a significant reduction of weight compared to metallic structures. A disadvantage of this technology is the high cost of production, since the process using preimpregnated fibers is performed manually to a very high degree. An alternative is offered by preform technologies combined with resin injection techniques. Sewing technology is often applied in order to manufacture textile preforms for fiber reinforced plastics. Textile and sewing technologies together with resin injection in particular can make an essential contribution to cost reduction. In this dissertation a process chain is developed, by means of which it is possible to tailor performs automatically by a robot. The developed process chain is presented by means of a so called extended event-driven process chain. Therefore fundamentals for an intelligent sewing process are discussed and validated in fundamental tests. Tactile sensor technology is applied as well as non-contacting sensor technology. Therefore experiments have been carried out in order to determine the reflection of light by carbon fibers. The results of those experiments showed the area in the optical spectrum in which the maximum of light is reflected by the carbon fibers. On this basis a demonstrator is planned and tested on a concrete civil aircraft component, the A350 window frame and parameters for an industrial production are determined. This parameter determination serves as a basis for a profitability analysis and possible factory planning for a serial production of the A350 window frame. The results of the profitability analysis of the robot assisted sewing process are compared to the cost of the manual manufacturing of the A350 window frame.