Robotic Swing Folding of three-dimensional UD-tape-based Reinforcement Structures

Hybridbauteile aus Langfaserverstärktem Thermoplast (LFT) und unidirektional endlosfaserverstärkten (UD-) Tapes bieten die Möglichkeit zur Gewichtseinsparung bei geringeren Fertigungskosten gegenüber reinen UD-Tape-Bauteilen. In hybriden Bauteilen wird die einfache Verarbeitung des LFT genutzt um Ecken, Rippen und weitere geometrisch anspruchsvolle Bauteilbereiche zu füllen, während Steifigkeit und Festigkeit durch das UD-Tape erhöht werden. Das Preforming ist der aufwändigste Schritt in der Verarbeitung des endlosfaserverstärkten UD-Tapes. Um die Wirtschaftlichkeit hybrider Bauteile zu erhöhen, muss dieser Aufwand minimiert werden. ... mehrBisherige Prozesse für das Preforming sind nicht an die Anforderungen von Verstärkungsstrukturen in hybriden Bauteilen angepasst und benötigen daher zusätzliche Handhabungsschritte um das Material bereit zu stellen, und teure, bauteilspezifische Werkzeuge, um das Material zu formen. Gleichzeitig bieten sie große Möglichkeiten bei der Bauteilkomplexität die nicht benötigt werden, da komplizierte Bauteilregionen in hybriden Bauteilen durch LFT abgebildet werden können.
In dieser Arbeit wird ein Prozess für das flexible Preforming linearer Verstärkungsstrukturen aus UD-Tape-Streifen entwickelt, in Betrieb genommen und optimiert. Zusätzlich wird ein Algorithmus vorgestellt, mit dem die Preformgeometrie an die Prozessrestriktionen angepasst wird. Durch den neuen Prozess können Kosten für bauteilspezifische Preformwerkzeuge vermieden werden und Abweichungen in folgenden Prozessschritten können in der laufenden Produktion bei folgenden Werkstücken kompensiert werden.

Hybrid fiber-reinforced components made of Long-Fiber-reinforced Thermoplastic (LFT) and unidirectional continuous fiber reinforced tapes (UD-tape) offer great opportunity to reduce weight while saving manufacturing cost compared to monolithic UD-tape components. In such a combination, the excellent formability of LFT is used for filling corners, ribs, and other geometrically complex areas of the component while the UD-tape increases strength and stiffness. Preforming continuous fiber materials, like UD-tape, is a costly step in manufacturing fiber-reinforced polymer (FRP) components. ... mehrThe effort for preforming should be minimized to further improve the competitiveness of the hybrid design. Current preforming processes do not fit the requirements of reinforcement structures. Therefore, they require additional handling steps for positioning the material and costly tooling for controlling the forming of the material. At the same time, the existing processes offer high capability for wor
kpiece complexity, which is not needed as the complex areas in hybrid components are formed by LFT.
In this thesis, a process for the flexible preforming of linear reinforcements from UD-tape strips is designed, commissioned, and optimized. An algorithm for adjusting the preform shape to the preforming process restrictions while maintaining the general shape is presented. Using the novel preforming process, cost for component specific preforming tools can be avoided and deviations in subsequent process steps can be compensated for during running manufacturing.