Realisierung einer Demonstratoranlage für die Orbitalwickeltechnologie

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1 Realisierung einer Demonstratoranlage für die Orbitalwickeltechnologie Rainer Wallasch, Ramon Tirschmann, Co-Autoren (TUC/SLK): M. Spieler, W. Nendel, L. Kroll Co-Autor (CETEX): O. Rohde, S. Nendel, H.-J. Heinrich Gefördert vom

2 Inhalt 1. Motivation 2. Thermoplastisches Wickeln und Tapelegen 3. Technologiespezifikationen 4. Konzeption der Technologieumsetzung 5. Datenaufbereitung 6. Konstruktiver Entwurf 7. Konstruktive Umsetzung 8. Animation 9. Zusammenfassung und Ausblick 10. Literatur Merge - IRD A2 R. Wallasch 2 2

3 1 Motivation Neuartige Technologie für ein großserientaugliches Verfahren Erzeugung von komplexen geschlossenen Strukturbauteilen mit: Konvexen und konkaven Oberflächen Inkonstantem Querschnitt Flexiblem Lagenaufbau Verarbeitung Thermoplastischer Halbzeuge Sensorintegration in den Lagenaufbau Kontinuierlicher Verarbeitungsprozess Bereitstellung komplexer Halbzeuge Merge - IRD A2 R. Wallasch 3 3

4 1 Motivation Vision der Technologie [Professur Verbundwerkstoffe (Wielage, Nestler, Müller 2011)] Merge - IRD A2 R. Wallasch 4 4

5 2 Thermoplastisches Wickeln und Tapelegen Technologie: Tapewickeln Automatisiertes Tapelegen IR-Heizung Laser Heißluft/ Brenner Ebenes Tapelegen Kontur Tapelegen Laser unterstützt Tapelegen auf Kern Maschinentyp: Rotierender Kern + Wickelkopf Portal (Gantry) Portal (Gantry) Rotierender Kern + Muilaxial Roboter Geometrie: Rotationssymmetrische Profile Flache Platte Gekrümmte Platte Komplexe 3D Strukturen [IPT2006] Cetex / TU-Chemnitz [IPT006] [IPT2006] [AUD2014] Merge - IRD A2 R. Wallasch 5 5

6 3 Technologiespezifikation Kombination des thermoplastischen Tapelegens und Wickelns Erzeugung rotationsunsymmetrischer Teile mit inkonstantem Querschnitt z. Bsp.: Rotorblätter, Strukturbauteile Verarbeitung thermoplastischer Pre-preg Tapes durch Ablegen und on-line Konsolidierung Kontinuierliche Kerndurchführung On-line Sensorapplikation Wickeln + Tapelegen Konventionelles Thermoplastisches Wickeln Orbitalwickeln Merge - IRD A2 R. Wallasch 6 6

7 3 Technologiespezifikation Orbitalringe Anlagenkonzept Wickelkern Forschungsschwerpunkte: Kontinuierliche Verarbeitung thermoplastischer Pre-pregs konstante Ablegegeschwindigkeit Integration von In-situ Sensorelementen Modularer Aufbau Großserientauglichkeit Konzeption des kombinierten Tapelege- und Wickelprozesses Merge - IRD A2 R. Wallasch 7 7

8 3 Technologiespezifikation Aufbau eines thermoplastischen Tapelegekopfes Technologie erfordert Entwicklung eines neuartigen Anlagenkonzeptes und Tapelegekopfes (beachte Verzicht auf pneumatische Antriebe) Merge - IRD A2 R. Wallasch 8 8

9 Rotationsachse Patentsicherung der Technologie sowie deren Umsetzung Radiale Achse 4 Konzeption der Technologieumsetzung Achse 3.2 Achse 3.3 Achse 3.4 Achse 2.1 Achse 3.1 Legekopf Achse 4.1 Achse 4.2 y Achse 2.2 Achse 2.3 z x Kern Orbital Ring Externer Orbital Antrieb M DE Spezielles Achsensystem Merge - IRD A2 R. Wallasch 9 9

10 5 Datenaufbereitung Auswahl eines spezifischen Querschnitts zur Anlagendimensionierung Erstellung eines kinematisch stetigen Profils Berechnung der Abrundung Modifiziertes Profil mit Rollenmittelpunktsbahn Merge - IRD A2 R. Wallasch 10 10

11 5 Datenaufbereitung Umwandlung und Erstellung eines IBL-Files (Associative Topology Bus) Creo Elements Pro 5.0 : IBL Import Rollenmittelpunktsbahn/ Führungsbahn Kernkontur/ Arbeitskurve Drehpunkt des Rotors Merge - IRD A2 R. Wallasch 11 11

12 Bewegung des Endeffektors 6 Konstruktiver Entwurf Realisierung des kinematischen Systems: Beschreibung der Führungsbahn Überbestimmung für Geschwindigkeitsausgleich Überbestimmung zur Erzeugung der Konsolidierkraft Merge - IRD A2 R. Wallasch 12 12

13 6 Konstruktiver Entwurf Bewegungsskelett und Mechanismensynthese in CreoElements/Pro 5.0 (vgl. [Hei2009]) Bestimmung der Position des Konsolidiermodulschwenkantriebs Festlegung der wesentlichen Getriebestellungen Zweckmäßige Synthese des Antriebssystems A 4.1_B 2 Lage 3 ψ 13 A 4.1_B 0 Lage 2 ψ 12 Lage 1 A 4.1_A 2 A 4.1_A 0 Merge - IRD A2 R. Wallasch 13 13

14 6 Konstruktiver Enwurf Umkehr des kinematischen Systems zur Bestimmung der Antriebsparameter Merge - IRD A2 R. Wallasch 14 14

15 6 Konstruktiver Entwurf Einlesen der Verfahrwege in das System und simulative Validierung der Verfahrwege Prüfung der Bedingung der konstanten Ablegegeschwindigkeit Ergebnis zeigt: Ablegegeschwindigkeit konstant Merge - IRD A2 R. Wallasch 15 15

16 7 Konstruktive Umsetzung Orbitallegekopf Merge - IRD A2 R. Wallasch 16 16

17 7 Konstruktive Umsetzung Elektromechanisches Prinzip zur Erzeugung der Konsolidierkraft Analytische Funktionen Merge - IRD A2 R. Wallasch 17 17

18 7 Konstruktive Umsetzung Synthese des zwangläufigen Schneid- und Niederhaltprinzips in Creo Elements/Pro 5.0 Motion-Skelett Bewegungsfunktionen Synthese des Niederhalterantriebs Konstruktive Umsetzung Synthese des Schneidantriebs Merge - IRD A2 R. Wallasch 18 18

19 7 Konstruktive Umsetzung Antriebskonzept für Auslenkung des Konsolidiermoduls Merge - IRD A2 R. Wallasch 19 19

20 8 Animation Merge - IRD A2 R. Wallasch 20 20

21 9 Zusammenfassung und Ausblick Entwicklung eines neuartigen Verfahrens Erarbeitung der Verfahrensgrundlagen Umsetzung des Anlagenkonzepts Ausblick: Validierung der Technologie Spezifikation des Verarbeitungsspektrums Umsetzung Komplettsystem mit automatisierter Kerndurchführung Merge - IRD A2 R. Wallasch 21 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Literatur [IPT2006] M. Emonts Herstellung von belastungsoptimierten UD endlosfaserverstärkten Thermoplast-Bauteilen [Dai2002] S.C. Dai, L. Ye Characteristics of CF PEI tape winding process with on-line consolidation [DBU1990] Iffland et. al. Entwicklung und Erprobung eines neuen Fertigungsverfahren von Rotorblättern für Windkraftanlagen [AUD2014] N.N. Automated Dynamics [ [Hei2009] A. Heine Kinematische Analyse ebener und räumlicher Getriebestrukturen mit Hilfe von Motion-Skeletten, SAXSIM, Chemnitz, 2009 R. Wallasch, R. Tirschmann, M. Spieler, W. Nendel, L. Kroll, O. Rohde, J.Grünert, S. Nendel, H.-J. Heinrich Die Orbitalwickeltechnologie Technologie zur kontinuierlichen Herstellung endlosfaserverstärkter thermoplastischer Verbundbauteile Diese Arbeit entstand im Rahmen des Bundesexzellenzcluster EXC 1075 Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung. Merge - IRD A2 R. Wallasch 22 22