Automatische Zuschnittgenerierung und Strukturfixierung für textile Verstärkungsstrukturen Dr.-Ing. Gliederung 1. Einleitung. Ermittlung der Materialkennwerte der textilen Strukturen 3. Implementierung der Materialkennwerte und Simulationsergebnisse 4. Modifizierung des Zuschnittes 5. Punktfixierung mittels Ultraschallschweißen 6. Zusammenfassung Folie
1 Einleitung Bauteilauslegung Zuschnittgenerierung Lagenzuschnitt Preformaufbau Konsolidieren durch Heißpressen Qualitätssicherung Betriebswirtschaftliche Betrachtungen Folie 3 Zuschnittgenerierung Bauteilgeometrie/- auslegung Scherverhalten Dicke Materialauswahl Lagenaufbau Orientierung der Verstärkungsfäden Simulation Faltenfrei endkonturnah Ermittlung Zuschnitt und Fixierzonen Handling Zuschnitt Heißpressen Folie 4
Prozesskette für die Zuschnittgenerierung Materialauswahl Materialkennwerte Simulation und Zuschnittgenerierung Fixierung Zuschnittmodifizierung Folie 5 Ermittlung der Materialkennwerte K/ Köper /-Bindung GF-Gehalt [Vol.- %] 35 % PP-Gehalt [Vol.- %] 65 % KK Kettköper 1/3-Bindung GF-Gehalt [Vol.- %] 5 % PP-Gehalt [Vol.- %] 48 % Kettrichtung LW Leinwand-Bindung GF-Gehalt [Vol.- %] 35 % PP-Gehalt [Vol.- %] 65 % Folie 6
Schermessung der Textilmaterialien ϕ (Quelle: Körwien, ) Für die Verformung der Verstärkungstextilien ist die Scherung dominant Folie 7 Scherkraft-Scherwinkel-Diagramm 4 KK 8 LW Kraft [N] Kraft [N] 4 4 1 3 4 5 Scherwinkel [ ] 1 3 4 5 Scherwinkel [ ] Kraft [N] K/ 1 3 4 5 Scherwinkel [ ] K/ KK LW ϕ ( ) 39 35 3 Folie 8
3 Implementierung der Kennwerte in 3D-Software CATIA-CPD (Composite Design) Entwurf der Geometrie für Faserverbundbauteile Vorhersage des Materialverhaltens bei Drapierung der Textilien auf komplexe Geometrie Modellierung mehrerer Lagen Automatische Zuschnittgenerierung Lagenaufbau mit Patches /3 / / /3 / Patches Folie 9 Simulationsergebnis kritischer Scherwinkel Limit angle Warning angle Simulation Zuschnitte Drapierung kritischer Bereich Warnbereich unkritischer Bereich Folie 1
Abweichungen von der beanspruchungsgerechten Verstärkungsfadenorientierung Verminderung der Festigkeit Export des Netzes in FEM-Software ist möglich Nachrechnung der Festigkeit mit simuliertem Netz Qualitätssicherung Simulation -Lage Prototyp -Lage Folie 11 Simulationsergebnisse und Zuschnitt von K/ Zuschnitt -Faserorientierung 3 -Faserorientierung -Faserorientierung Folie 1
4 Modifizierung des Zuschnittes Das hergestellte Bauteil aus simulierten Zuschnitten ist größer als die Bauteilendkontur. Ungenaues Einlegen der? Zuschnitte in das Werkzeug Lagenverschiebung beim Pressen Qualitätsicherungsmaßnahmen sind erforderlich Zuschnitt kann modifiziert werden, um ein endkonturnahes Bauteil zu realisieren Folie 13 Ursache: Fadenstreckung beim Pressvorgang wird bei der Simulation nicht berücksichtigt Textilzustand Verbundzustand Folie 14
Berechnung der Skalierung für den Zuschnitt Y s y h πx s ( x) = cos + 1 UL = s dy( x) 1+ dx h = s + 16s π dx (<x<s) s 1 + 1 dy( x) dx Skalierwert für den Zuschnitt dx h UL X Skalierter Zuschnitt s (Quelle: McBride, 1997) Folie 15 5 Fixierung mittels Ultraschallschweißen ein sicherer Transport des Zuschnittstapels Positionieren der Patches soll das Scherverhalten des Lagenpaketes nicht verhindern Bauteil Zuschnitt Fixierlinie Fixierauftrag vollflächig rasterförmig lokal (punkt- oder linienförmig) Fixierzone Fixierpunkt Fixierverfahren Heizkeilschweißen Ultraschallschweißen Schmelzklebstoffauftrag Folie 16
Ultraschallschweißen und Schälversuch Schweißpunkt F Schweißpunkt Energie (J): 78, 1, Haltezeit (s):,3, 1, Amplitude (%):, 8, 1 Sonotrode: 3,5 mm Durchmesser mit gerundeter Geometrie trockene Struktur Probegröße 5 mm mm F 6lagiger Aufbau Prüfung nach DIN 5431 an Zugprüfmaschine Folie 17 Ergebnisse des Schälversuches bei Variation der Schweißparameter Höchstkraft [N] 3 5 15 1 6 N Proben Nr. 1 3 4 5 6 7 8 9 Energie (J) 78 78 78 1 1 1 Haltezeit (s),3 1,3 1,3 1 6,8 Amplitude (%) 8 1 8 1 1 8 9,6 11,3 16,3,6 14,5 3,7 5 1,5,8 Probe-1 Probe- Probe-3 Probe-4 Probe-5 Probe-6 Probe-7 Probe-8 Probe-9 Folie 18
Ultraschallschweißen zum Fixieren der Verstärkungslagen Energie (J) 1 Haltezeit (s) Amplitude (%) Schweißpunkt nicht sichtbar da erneut aufgeschmolzen Folie 19 6 Zusammenfassung Gewinn von Materialkenntnissen Simulationsergebnisse für Drapierung Generierung der Zuschnitte Erkenntnisse zur zielgerichteten Modifizierung des Zuschnittes Festlegung der Fixierzonen für den Zuschnitt Überprüfung des Schädigungsgrades beim Ultraschallschweißen zur Lagefixierung Folie