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
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
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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 978-3-8322-8381-0 ISSN 1618-8152 Shaker Verlag GmbH Postfach 101818 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de E-Mail: info@shaker.de
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 2009. 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.
II Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.3 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.2.9 4 4.1 4.1.1 Einleitung... 1 Automatisierte Herstellung komplexer Schalenbauteile... 4 Vergleich: Preforming versus Prepregverarbeitung... 4 Automatisierte Preformingverfahren... 6 Druckkalotte des Airbus A 380... 6 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... 10 Harzinfusions- und Harzinjektionsverfahren... 11 Preformingtechnologien... 13 Prozessmodule des mehrstufigen Preformings... 13 Halbzeug-/Subpreformherstellung... 14 Zuschnitt... 14 Handhabung... 15 Fügen/Fixieren... 17 Formgebungswerkzeuge... 21 Qualitätssicherung... 22 Preformcenter... 23 Zuschnitt... 26 Handhabungssystem... 31 Blindstichnähkopf... 34 ITA-Einseitennähkopf... 39 Zwei-Nadel-Nähverfahren... 45 Tuftingkopf... 47 Vergleich der einseitigen Näh- und Tuftingtechnologien... 48 Binderauftragskopf... 48 Inline-Qualitätssicherungssystem... 50 Methodik der Prozesskettenentwicklung... 54 Technologiekettenentwicklung... 58 Einzeltechnologieauswahl... 58
Inhaltsverzeichnis III 4.1.2 4.1.3 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.5 6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 Generierung von Technologieketten... 62 Technologiekettenbewertung... 63 Fertigungsfolgenentwicklung... 65 Fertigungsfolgenstrukturierung... 65 Nicht monetäre Prozesskettenbewertung... 66 Quantitative Prozesskettenbewertung... 67 Softwarebasierte Prozesskettenbewertung... 68 Ansätze zur softwarebasierten Prozesskettenbewertung... 68 Technische Kennzahl Durchlauf-/Taktzeit... 71 Ökonomische Kennzahl Herstellkosten... 72 Umsetzung der quantitativen Bewertung in Microsoft Excel... 75 Anforderungen an das Programm... 75 Gliederung des Prozesses... 76 Aufbau von EcoPreform... 78 Erweiterte Wirtschaftlichkeitsanalyse... 83 Entwicklung und Bewertung von Prozessketten für Beispielbauteile... 85 Platte mit Dickensprung... 86 Beschreibung des Beispielbauteils... 86 Verknüpfung der Prozessmodule... 88 Entwicklung von Technologieketten... 90 Fertigungsfolgen... 94 Bewertung... 98 Automobil-Dachsegment... 100 Beschreibung des Beispielbauteils... 101 AutoPreforms-Prozesskette... 105 Neue Prozesskette... 107 Technologiekette... 109 Fertigungsfolge... 112 Bewertung... 113 Automobil-Unterbodenstruktur... 116 Beschreibung des Bauteils... 116 Fertigungsprozessketten... 117 Fertigungsfolge für Bauweise Eins... 118 Fertigungsfolge für Bauweise Zwei... 121 Fertigungsfolge für Bauweise Drei... 122 Bewertung... 124
IV 7 7.1 7.2 7.3 7.4 8 8.1 8.2 8.3 9 10 11 12 Inhaltsverzeichnis Vergleichende Analyse der entwickelten Prozessketten... 127 Bauteilkomplexität... 128 Stückzahl (Taktzeit)... 128 Flexibilität... 130 Stückkosten... 131 Ausblick... 132 Technologieentwicklung... 132 Prozesskettenentwicklung... 133 Fabrikgestaltung... 133 Zusammenfassung... 135 Abkürzungsverzeichnis... 139 Literatur... 141 Anhang... 152