Automatisiertes Preforming für schalenförmige komplexe Faserverbundbauteile

Transkript

1 Automatisiertes Preforming für schalenförmige komplexe Faserverbundbauteile Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Tim Christian Grundmann aus Meerbusch Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. T. Gries Universitätsprofessor Dr.-Ing. Prof. h.c. S. Böhm Tag der mündlichen Prüfung: 22. Juni 2009

2

3 Textiltechnik/Textile Technology herausgegeben von Univ. Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries Tim Christian Grundmann Automatisiertes Preforming für schalenförmige komplexe Faserverbundbauteile Shaker Verlag Aachen 2009

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2009) Copyright Shaker Verlag 2009 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort I Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen in den Jahren 2004 bis Mein herzlicher Dank gilt meinem wissenschaftlichen Betreuer Prof. Dr. Thomas Gries für die Möglichkeit diese Arbeit durchführen zu können. Die wertvollen fachlichen Diskussionen und die gute Zusammenarbeit waren stets hilfreich. Dank gilt auch den Mitarbeitern der Abteilung Faserverbundwerkstoffe, die mit Rat und Tat und nicht zuletzt mit einem guten Arbeitsklima zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Auch die Zusammenarbeit mit den Serviceabteilungen war stets eine wertvolle Unterstützung. Besonderer Dank gilt den Studenten des Institutes für Textiltechnik Annette Becker, Bernadette Förster, Christoph Greb, Martin Kahlenberg, Josef Klingele und Tilman Richers, die im Rahmen von Studien- und Diplomarbeiten sowie als studentische Hilfskräfte wichtige Beiträge zu dieser Arbeit geleistet haben. Bedanken möchte ich mich auch bei den Mitarbeitern der Firma KSL Keilmann Sondermaschinenbau GmbH, die diese Arbeit durch technische Hilfestellungen unterstützt hat. Abschließend bedanke ich mich bei meinen Eltern und meiner Frau, die mir diesen Weg ermöglicht und mich immer ermutigt haben.

6 II Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung... 1 Automatisierte Herstellung komplexer Schalenbauteile... 4 Vergleich: Preforming versus Prepregverarbeitung... 4 Automatisierte Preformingverfahren... 6 Druckkalotte des Airbus A Projekt Auto-RTM... 6 Stringerversteifte Rumpfschalensegmente... 7 Projekt Pro-Preform-RTM... 8 CFK-Fensterrahmen für Verkehrsflugzeuge... 9 Kontinuierliches Preforming gerader Profile mit Hilfe der Induktion... 9 Umflechttechnologie... 9 Abschließende Bewertung aktueller Preformingprozesse Harzinfusions- und Harzinjektionsverfahren Preformingtechnologien Prozessmodule des mehrstufigen Preformings Halbzeug-/Subpreformherstellung Zuschnitt Handhabung Fügen/Fixieren Formgebungswerkzeuge Qualitätssicherung Preformcenter Zuschnitt Handhabungssystem Blindstichnähkopf ITA-Einseitennähkopf Zwei-Nadel-Nähverfahren Tuftingkopf Vergleich der einseitigen Näh- und Tuftingtechnologien Binderauftragskopf Inline-Qualitätssicherungssystem Methodik der Prozesskettenentwicklung Technologiekettenentwicklung Einzeltechnologieauswahl... 58

7 Inhaltsverzeichnis III Generierung von Technologieketten Technologiekettenbewertung Fertigungsfolgenentwicklung Fertigungsfolgenstrukturierung Nicht monetäre Prozesskettenbewertung Quantitative Prozesskettenbewertung Softwarebasierte Prozesskettenbewertung Ansätze zur softwarebasierten Prozesskettenbewertung Technische Kennzahl Durchlauf-/Taktzeit Ökonomische Kennzahl Herstellkosten Umsetzung der quantitativen Bewertung in Microsoft Excel Anforderungen an das Programm Gliederung des Prozesses Aufbau von EcoPreform Erweiterte Wirtschaftlichkeitsanalyse Entwicklung und Bewertung von Prozessketten für Beispielbauteile Platte mit Dickensprung Beschreibung des Beispielbauteils Verknüpfung der Prozessmodule Entwicklung von Technologieketten Fertigungsfolgen Bewertung Automobil-Dachsegment Beschreibung des Beispielbauteils AutoPreforms-Prozesskette Neue Prozesskette Technologiekette Fertigungsfolge Bewertung Automobil-Unterbodenstruktur Beschreibung des Bauteils Fertigungsprozessketten Fertigungsfolge für Bauweise Eins Fertigungsfolge für Bauweise Zwei Fertigungsfolge für Bauweise Drei Bewertung

8 IV Inhaltsverzeichnis Vergleichende Analyse der entwickelten Prozessketten Bauteilkomplexität Stückzahl (Taktzeit) Flexibilität Stückkosten Ausblick Technologieentwicklung Prozesskettenentwicklung Fabrikgestaltung Zusammenfassung Abkürzungsverzeichnis Literatur Anhang