Enhancing the Automated Tape Placement Process: Novel Approaches in Flashlamp Heating and Tape Steering for Thermoplastic and Natural Fiber Composites

Automatisiertes Tapelegen (ATL) ist ein weit verbreiteter und hoch automatisierter Prozess in der Faser-Kunststoff-Verbund (FKV)-Fertigung. Mithilfe dieses Prozesses können komplexe Geometrien mit hoher Legegenauigkeit produziert werden. Insbesondere Hochleistungsindustrien wie die Luft- und Raumfahrt nutzen diese Technologie. Die vorliegende Dissertation behandelt zwei vielversprechende Aspekte zur Verbesserung der derzeitigen ATL-Fähigkeiten: (a) Tapeführung zur Realisierung gekrümmter Ablegepfade und (b) Erwärmung der Tapes mittels hochfrequentem Blitzlicht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Verarbeitung von thermoplastischen Matrixmaterialien.
Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Führung von Tapes um gekrümmte Bahnen mittels in-situ Dehnung der Tapes. Dieser Prozess verwendet ein neuartiges Material mit hoch ausgerichteten diskontinuierlichen Fasern. Durch Aufbringen von in-situ Zugdehnungen während des Tapelegens kann die Herstellung von Laminaten mit einem um zwei Größenordnungen kleineren Radius verglichen mit den derzeitigen Möglichkeiten von kontinuierlichen Fasertapes realisiert werden. Radien von 25 mm für 12,5 mm breite Tapes sind dadurch möglich. Eine neuartige, auf Photogrammetrie basierende Messtechnik wird verwendet, um die Dehnungsverteilung und die Pfadabweichung während des Legens der Tapes auf den gekrümmten Bahnen zu quantifizieren. Dies ermöglicht Einblicke in das mechanische Verhalten der Tapes unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen. Mithilfe dieser Messmethode werden die Prinzipien der Tapeführung um gekrümmten Bahnen validiert und ein neuer Ansatz zur Optimierung des ATL-Prozesses bereitgestellt.
Der zweite Teil dieser Dissertation untersucht die Einsatzmöglichkeiten von Blitzlichtlampenheizungssystemen als Alternative zu herkömmlichen Laser- oder Heißgasbrennersystemen im automatisierten Tapelegen. Blitzlichtlampenheizungssysteme bieten Vorteile wie hohe Energiedichte, schnelle Reaktionszeiten und Skalierbarkeit für große Tapebreiten, bei gleichzeitig kompakter Systemgröße. Diese Studie untersucht die Auswirkungen der Blitzlichtlampenheizung auf die interlaminare Scherfestigkeit und die Tapebreitenvariabilität. Ideale Parameter für die interlaminare Scherfestigkeit und geringe Tapebreitenvariabilität werden ermittelt. Weitere Untersuchungen der Einflüsse auf die interlaminare Scherfestigkeit zeigen, dass Feuchtigkeit im Tape und die Quarzoptik des Blitzlichtlampenheizungssystems einen signifikanten Einfluss haben. Des Weiteren werden erstmals Naturfasertapes mit einem Blitzlichtlampenheizungssystem verarbeitet. Ideale Verarbeitungsparameter zur Minimierung der Faserdegradatation werden präsentiert. Die mechanischen Eigenschaften des Naturfaserverbundwerkstoffes werden mittels Zug-, Druck-, Dreipunktbiegungs- und Double Cantilever Beam Tests ermittelt. Verschiedene Verarbeitungsvarianten werden getestet, und eine Kombination aus ATL mit einem anschließenden Konsolidierungsschritt in einer Heißpresse verbesserte die Druck-, Biege- und Bruchzähigkeitseigenschaften des Naturfaser-Polypropylen-Verbundwerkstoffs. Die Temperaturverteilung der Blitzlichtlampenheizung sowie die Druckverteilungen der Konsolidierungsrolle auf dem Tape werden für alle Studien überwacht. Thermophysikalische Analysen unterstützen die Auswahl der Prozessparameter und helfen die Veränderungen in der Kristallinität der Polymermatrix zu bewerten.
Diese Arbeit präsentiert innovative Ansätze zur Messung von Dehnungen und Pfadabweichungen beim automatisierten Tapelegen. Die Effektivität von Blitzlichtlampenheizungssystemen für die Produktion von Hochleistungs- und Naturfaserverbundwerkstoffe wird dargelegt. Das Führen von Tapes um stark gekrümmte Bahnen mittels in-situ Dehnung wird analysiert und ein erster Schritt für die weitere Verbesserung dieses Prozesses wird gelegt. Diese Dissertation legt den Grundstein für zukünftige Studien zur Integration dieser neuartigen ATL-Technologien in industrielle Anwendungen, insbesondere im Luft- und Raumfahrtsektor, wo die Nachfrage nach leichten, hochfesten Materialien weiterhin wächst.