wbk Institute of Production Science
Sven_Coutandin

Dr.-Ing. Sven Coutandin

  • Chief Engineer Lightweight Manufacturing
  • department: Machines, Equipment and Process Automation
  • office hours: to be agreed
  • room: 013, Geb. 50.36
  • phone: +49 1523 9502568
  • fax: +49 721 608-45005
  • Sven CoutandinFcv3∂kit edu
  • 76131 Karlsruhe
    Kaiserstraße 12

Dr.-Ing. Sven Coutandin

Areas of Research:

  • Solutions for automation and sensor based gripping technologies in the fields of lightweight manufacturing
  • Development of processes and machines for the additive manufacturing of fiber reinforced plastics
  • Characterization of processes and joining technologies for the manufacturing of FRP-metal-Hybrids
  • Evaluation of forming behaviour of bindered textile material
  • Analysis of the forming process based on segmented tools for textile material

 

General Tasks:

  • Management of the group lightweight manufacturing including the topics FRP-metal-hybrids, joining technologies, gripping technologies and robotic, additive manufacturing
  • Committee member of the lightweight center of Baden-Württemberg

 

Projects:

 

Dissertation:

Prozessstrategien für das automatisierte Preforming von bebinderten textilen Halbzeugen mit einem segmentierten Werkzeugsystem

 

Test benches:

Publications

[ 1 ] Fleischer, J.; Koch, S. & Coutandin, S. (2015), "Manufacturing of polygon fiber reinforced plastic profiles by rotational molding and intrinsic hybridization ", Prod. Eng. Res. Devel. , vol. 9, no. 3, pp. 317-328.
Abstract
The manufacturing of lightweight shafts, pipes and profiles often uses hollow structures made from fiber reinforced plastics (FRP) due to their better density related properties. For applications with locally high tribological stresses, the use of FRP is not yielding proper results. In terms of lightweight construction, a hybrid design with a hollow FRP basic structure and local metallic elements in areas of high tribological stress is ideal for these applications. A promising approach for the production of these parts is rotational molding. Rotational molding for FRP– metal profiles is understood as a manufacturing process where machined, metallic elements and dry continuous fiber structures will be assembled and laid in a closed mold. Afterwards, the liquid matrix will be casted and the mold is then rotated at high speed until the fiber structure is fully impregnated and the matrix is cured. As there are short flow paths, this process is offering the potential to realize short cycle times of only a few minutes. Within this paper, the manufacturing of polygon profiles via rotational molding is described. These profiles can be produced by using centrifugal cores which were developed at the wbk Institute of Production Science. These cores are made of an elastomer composite material and they expand during the rotational molding process. The modeling of these cores and their impact on the impregnation pressure is shown here as well as their contribution in achieving higher fiber volume fractions.

[ 2 ] Fleischer, J.; Albers, A.; Coutandin, S. & Spadinger, M. (2016), "Materialeffizienz im Resin-Transfer-Moulding-Prozess", VDI-Z Integrierte Produktion, no. 1, pp. 82-84.
Abstract
Innovative Leichtbaulösungen unter Einsatz von endlosfaserverstärkten Kunststoffen bieten große Potentiale im automobilen Leichtbau. Allerdings verhindern technische und wirtschaftliche Herausforderungen in der Resin-Transfer-Moulding-Prozesskette, dass sich diese Werkstoffe in der Großserie durchsetzen. Um die hohen Materialkosten während des Preformings zu senken, wird eine neue Werkzeugtechnologie entwickelt, mit der sich der Faserverschnitt reduzieren lässt. Zudem bietet eine ganzheitliche Subpreform-Strategie unter Berücksichtigung von fertigungstechnischen, mechanischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten der Industrie Chancen zur weiteren Kostenreduktion bei gleichzeitiger Ressourcenschonung.

[ 3 ] Förster, F.; Ballier, F.; Coutandin, S.; Defranceski, A. & Fleischer, J. (2017), "Manufacturing of Textile Preforms with an Intelligent Draping and Gripping System", Procedia CIRP, pp. 39-44.
Abstract
In this paper, a novel pixel-based draping and gripping unit will be presented. To monitor and control the draping during the forming of a stack of semi-finished textiles, the pixels are equipped with integrated sensors. With these sensors, it is possible to adjust the tangential sliding and the normal holding force at each pixel. The sensor principle is based on the electrical conductivity of carbon fibers. Electrodes inside the gripping system allow a conclusion to the gripping force between the gripper and the carbon textile. Therefore, the gripping force can be adjusted to the special boundary conditions during the draping process.

[ 4 ] Kupzik, D.; Ballier, F.; Roller, T.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Development and evaluation of separation concepts for the controllable release of tacky prepreg from handling devices". Procedia CIRP, eds. Lihui Wang, pp. 574-579.
Abstract
The handling and layup of unidirectionally reinforced thermoset prepreg patches is currently a largely manual process. To reduce labor costs and increase part quality, automated handling of the material is desired. However, laying down the prepreg is challenging due to the tack of some materials. This paper investigates various modifications to an existing vacuum gripping system to enable a reliable separation process between the prepreg and the gripping system. The investigation focuses on the improvement of the integrated pneumatic blow-off mechanism, the development of a mechanical separation system and the application of different suction pads.

[ 5 ] Kupzik, D.; Ballier, F.; Lang, J.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Development and evaluation of concepts for the removal of backing foils from prepreg for the automated production of UD reinforced SMC parts". Proceedings of the 18th European Conference on Composite Materials (ECCM18), eds. European Society for Composite Materials (ESCM), pp. 1-8.
Abstract
Backing foil or paper needs to be removed from the raw material prior to the processing of Sheet-Moulding-Compound (SMC) or unidirectionally reinforced prepreg (UD-Tapes). In present automated production processes, this step is conducted after unrolling the raw material and prior to the cutting. In a process chain, which is conducted in the authors project, the backing foil needs to remain at the material after the cutting step. For these process chains, a method needs to be found to remove the backing foil from the material. In the state of the art, methods are shown to remove backing paper from prepreg. In this paper new methods are developed and tested for the removal of backing foil together with existing concepts. The main difficulty is the transition from backing paper to backing foil which has a higher tack to the material, is thinner and mechanically less strong. Concepts which are investigated use compressed air, mechanical forces or the stiffness of the foil. The application of compressed air is tested between foil and prepreg. Mechanical forces can either be introduced using grippers, brushes, friction to rubber or adhesive tape. The stiffness of the foil is used when removing it through bending the prepreg.

[ 6 ] Baumann, F.; Müller, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Additive Fertigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen - Eine Parameterstudie". Technologietag Hybrider Leichtbau, eds. Leichtbau BW GmbH, pp. 1-2.
Abstract
Die additive Fertigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (eFVK) vereint die guten mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe mit der großen Design-Freiheit der additiven Fertigung. Im Gegensatz zu den bisher oft umgesetzten Verfahren, eFVK mittels Filament-Austragsverfahren additiv herzustellen, wird in dieser Arbeit ein Arburg freeformer verwendet. Hierbei werden Endlosglasfasern in Garn-Form dem additiven Fertigungsprozess so unter der Austragsdüse zugeführt, dass die Erstellung des Verbundwerkstoffs direkt auf der Bauplattform erfolgt. Durch einen rotatorischen Freiheitsgrad in der Zuführeinheit kann jede beliebige ebene Faserorientierung realisiert werden. Kern der hier vorgestellten Arbeiten ist eine Parameterstudie, in welcher die Parameter Schrittweite, Linienabstand und Tropfenvolumen in einer teilfaktoriellen DoE-Analyse untersucht werden. Als Probekörper werden Zugproben in Anlehnung an die DIN EN ISO 527-2 Typ 1BA gefertigt und in Bezug auf die Zugeigenschaften, Gewicht und Abmessungen geprüft. Alle Faktoren weisen signifikante Effekte auf, jedoch nicht immer im erwarteten Umfang. Die Versuchsreihe mit der besten Parameterkombination erreicht mit einem Faservolumengehalt von 8,6% einen Zugmodul von 7961MPa und eine Zugfestigkeit von 151,9 MPa. Die spezifische Zugfestigkeit beträgt 130,9 MPa/(g/cm³) und übertrifft damit die spezifische Zugfestigkeit einer höherfesten Aluminiumlegierung (6061T6) um 10 %. Aufgrund des Versagensverhaltens der Probekörper sind in weiterführenden Untersuchungen alternative Probekörper-Geometrien bzw. alternative Muster der Faserablage zu untersuchen.

[ 7 ] Dackweiler, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Filament winding for automated joining of lightweight profiles", JEC Magazine, pp. 25-26.
Abstract
Hollow profiles made of fibre-reinforced composites are ideally suited for the production of highly rigid lightweight lattice structures. Due to their excellent mechanical properties, these structures follow the current trend of resource-efficient and thus environmentally friendly construction. Compared to the flat structures, however, there are still major challenges in the joining process of such profiles. Today, these are often circumvented by the use of additional metallic elements such as screws or node elements. However, the consequence of these joining techniques is usually damage to the fiber composite struc-ture and thus a weakening of the overall structure. For this reason, the wbk Institute of Production Engi-neering at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) has developed an innovative method of joining in order to be able to produce such lattice structures flexibly and with a high load-bearing capacity. With the aid of a kinematic system attached to a vertical articulated arm robot, consisting of a stator and a rotor rotating inside, individual rovings and towpregs can be applied to the joining zone of the profiles to be joined in a load-fair and non-destructive manner and thus generate both a load-bearing form and ad-hesive bond.

[ 8 ] Dackweiler, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Fügewickeln - flexible Herstellung von Leichtbauverbindungen mit Hohlprofilen", VDI-Z, pp. 70-72.
Abstract
Hohlprofile aus Faserverbundwerkstoffen eignen sich ideal zur Herstellung hochsteifer und gleichzeitig leichter Fachwerkstrukturen. Durch die hervorragenden mechanischen Eigenschaften folgen diese Strukturen dem aktuellen Trend ressourceneffizientem und somit umweltschonendem Bauen. Im Vergleich zu den flächigen Strukturen bestehen im Fügeprozess solcher Profile allerdings noch große Herausforderungen. Diese werden heute häufig durch den Einsatz zusätzlicher metallischer Elemente wie Schrauben oder Knotenelemente umgangen. Die Folge dieser Verbindungstechniken ist in der Regel allerdings eine Beschädigung die Faserverbundstruktur und somit einhergehend eine Schwächung der Gesamtstruktur. Aus diesem Grund wurde am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mit dem Fügewickeln ein innovatives Verfahren entwickelt, um solche Fachwerkstrukturen flexibel und mit hoher Tragfähigkeit herstellen zu können. Mit Hilfe einer an einem Vertikal-Knickarm-Roboter angebrachten Kinematik, bestehend aus einem Stator und einem darin drehenden Rotor, können hierbei einzelne Rovings und Towpregs lastgerecht und zerstörungsfrei an der Fügezone der zu verbindenden Profile aufgebracht werden und somit sowohl einen tragfähigen Form- als auch Stoffschluss erzeugen.

[ 9 ] Fleischer, J.; Coutandin, S. C. & Ballier, F. (2018), "Automatisch zum richtigen Greifer", Handling, pp. 6-7. [29.10.18].
Abstract
Das Forschungsprojekt AsenBa hat Ansätze entwickelt, um den Aufwand für die Planung von Handhabungssystemen zu minimieren. Die individuelle Auslegung von Handhabungssystemen wird durch eine Auslegungslogik realisiert, die auf Simulationsergebnisse zurückgreift.

[ 10 ] Coutandin, S.; Brandt, D.; Heinemann, P.; Ruhland, P. & Fleischer, J. (2018), "Influence of punch sequence and prediction of wrinkling in textile forming with a multi-punch tool", Production Engineering, pp. 1-10. 10.1007/s11740-018-0845-9 [13.08.18].
Abstract
Liquid composite moulding (LCM) processes show a high potential in automated, large scale production of continuous fibre-reinforced plastics (FRP). One of the most challenging steps is the forming of the two-dimensional textile material into a complex, three-dimensional fibre structure. In this paper, a multi-punch forming process is presented. The upper mould of a generic part geometry is divided into 15 independently controllable punches. Depending on the different punch sequences, draping effects as well as defects related to wrinkling and shearing of the textile material are investigated. It has been shown that the sequence of the punches has a significant influence on the final preform quality. To predict the resulting regions of wrinkling and shearing, a finite-element based simulation model is set up. Forming tests and simulations with different punch-sequences are then performed and evaluated for validation purposes. To make a statement about the global preform quality, different objective functions regarding wrinkling are presented and analysed.

[ 11 ] Kupzik, D.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Entwicklung des vorrichtungsfreien Fügens zur Flexibilisierung des Karosserierohbaus". Neue Robotertechnologien in Produktion, Montage und Service, eds. Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke, pp. 120-133.
Abstract
Die Integration von elektrischen Antriebskomponenten in das Fahrwerk von Automobilen erhöht die Vielfalt der Karosserievarianten dramatisch und erfordert Änderungen in den Produktionsprozessen. Ein Ansatz besteht darin, den typischen Fertigungsprozess der Montagelinie durch ein Werkstattproduktionssystem zu ersetzen, wie es bereits in der Zerspanung der Fall war, bei der Transferlinien durch flexible Fertigungssysteme ersetzt wurden. Eine Voraussetzung für diese Verwandlung ist die Entwicklung einer flexiblen Fügezelle, die verschiedene Phasen des Fügevorgangs bei verschiedenen Fahrzeugvarianten durchführen kann. Ein Schritt bei der Entwicklung einer solchen Zelle ist der Ersatz von mechanischen Positionierungselementen, mit denen die relative Position der Teile vor dem Fügen definiert wird. Dabei erfolgt die Positionierung der Komponenten mit einem kamerabasierten Messsystem und einem Regelkreis zur Neuausrichtung der die Teile haltenden Roboter. In dieser Präsentation wurde beschrieben, wie das System in einer Demonstrationszelle entwickelt und implementiert wurde und es werden erste Messergebnisse präsentiert.

[ 12 ] Moll, P.; Jacob, A.; Schäfer, M.; Coutandin, S.; Fleischer, J. & Lanza, G. (2018), "Plattformbasiertes Geschäftsmodell für rekonfigurierbare Produktionsanlagen im Leichtbau", zwf - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, pp. 580-583. 10.3139/104.111961
Abstract
Die Fertigung von Leichtbauprodukten in kleinen Stückzahlen stellt Anlagenbetreiber vor Herausforderungen. Um diesen zu begegnen, wird eine modular rekonfigurierbare Produktionsanlage vorgestellt. Ein durchgehender Engineering-Ansatz mit einheitlichen Modulbeschreibungen, einem nutzerfreundlichen Konfigurationstool und automatisierter Generierung des Steuerungscodes erlaubt eine Senkung des Inbetriebnahme- und Rekonfigurationsaufwands. Ein darauf fokussiertes plattformbasiertes Geschäftsmodell für Anlagenhersteller wird in diesem Beitrag vorgestellt.

[ 13 ] Kupzik, D.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Flexibles vorrichtungsfreies Fügen", VDI-Z, vol. 160, pp. 21-24.
Abstract
Die steigende Variantenvielfalt im Automobilbau durch neue Modelle und elektrische Derivate motiviert ein Umdenken im Karosserierohbau. In SmartBodySynergy wird ein flexibler Karosserierohbau in Werkstattfertigung entwickelt. Für dessen Umsetzung sind flexible Fügezellen notwendig. In diesem Artikel wird der Einsatz einer vorrichtungsfreien, kamerageregelten Bauteilpositionierung für den Einsatz in varianten- und vorgangsflexiblen Fügezellen untersucht und eine Demonstratorzelle vorgestellt.

[ 14 ] Kupzik, D.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Vorrichtungsfreies Fügen", wt Werkstatttechnik online, pp. 703-707.
Abstract
Die steigende Variantenvielfalt im Automobilbau durch neue Modelle und elektrische Derivate motiviert ein Umdenken im Karosserierohbau. In SmartBodySynergy wird ein flexibler Karosserierohbau in Werkstattfertigung entwickelt. Für dessen Umsetzung sind flexible Fügezellen notwendig. In diesem Artikel wird der Einsatz einer vorrichtungsfreien, kamerageregelten Bauteilpositionierung für den Einsatz in varianten- und vorgangsflexiblen Fügezellen untersucht und eine Demonstratorzelle vorgestellt.

[ 15 ] Moll, P.; Schäfer, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2018), "Aufbau einer modularen Produktionsanlage für hybride Faserverbundbauteile", VDI-Z Integrierte Produktion, no. 11, pp. 55-58.
Abstract
Der Markt fordert von Herstellern zunehmend individualisierte Produkte, was zu einer größeren Variantenvielfalt und abnehmender Stückzahl führt. Um unter diesen Rahmenbedingungen weiterhin wirtschaftlich produzieren zu können, sind wandlungsfähige Produktionsanlagen notwendig, die eine Fertigung verschiedener Bauteile und Bauteilvarianten ermöglichen. Eine aus einzelnen Modulen bestehende Anlage bietet die hierfür notwendige Wandlungsfähigkeit.

[ 16 ] Roth, S.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "New Production Technologies - Material- and Process Characterization of Fibre-Metal-Elastomer Laminate Components with high forming degrees" in Technologies for economical and functional lightweight design, eds. Dröder, K. & Vietor, T., Springer Verlag, Berlin, pp. 147-154. ISBN/ISSN: 3662582066
Abstract
Hybrid material concepts provide a high variability in the resulting part properties, and thus are often applied to satisfy multiple component demands. Fibre-metal laminates (FML) are widely spread in aerospace applications and are being used for decades as they show a high lightweight potential and a good fatigue behaviour. However, a broad conventional use of hybrid laminates in the automotive sector is not existing until today. The high manufacturing costs, caused by the surface pre-treatment of the metal layer, as well as long process cycles and a limited formability of current laminates are not suitable for automotive applications. This paper presents an approach, which allows the processing of hybrid laminates for high-volume applications and enables high forming degrees of the manufactured parts. As an additional elastomer layer is used to separate the metal from the fibre reinforced layer, carbon fibre reinforced polymers (CFRP) can be used instead of conventional glass fibres, preventing a galvanic corrosion between carbon and the metal. In addition to the manufacturing process itself, the influence of the formability will be discussed with regards to the distribution of the laminate layers, determining achievable forming degrees of the manufactured fibre-metal-elastomer laminate (FMEL) specimen. The laminate behaviour during the forming of the uncured laminate will be described by analysing micro sections. Furthermore, the results of an experimental modal analysis will be presented in order to determine the damping properties of the investigated hybrid laminates.

[ 17 ] Dackweiler, M.; Mayer, T.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Modeling and optimization of winding paths to join lightweight profiles with continuous carbon fibers", Production Engineering, no. 2, pp. 207-217. 10.1007/s11740-019-00914-2
Abstract
A major challenge in composite manufacturing is to connect several fiber composite or hybrid profiles to a closed structure, since the conventional, metallic joining methods are often not applicable. An approach for joining such profiles is represented by the filament winding process, where the profiles are wrapped with carbon fibers. In order to achieve a flexibility in the joining process and a high reproducibility in deposition, a model for describing the winding paths was derived. An analytical model of the geometry of a T-joint is introduced in terms of a mathematical parametrization of areas. For the modeling of the winding paths itself, a differential-geometric approach combined with an algorithm to calculate geodesic and non-geodesic curves was used taking into account the relevant influencing parameters during winding. This model makes it possible to map different winding patterns of the profiles, which should serve as a starting basis for a kinematic simulation of the movements.

[ 18 ] Nieschlag, J.; Ruhland, P.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Herstellung und Auslegung hybrider Hohlstrukturen im Schleuderverfahren". -, eds. -, pp. 0-0.
Abstract
Leichtbau ist zielführend, um Herausforderungen wie der endlichen Ressourcenverfügbar-keit, den strengen Umweltgrenzwerten oder dem steigenden Mobilitätsaufkommen zu begeg-nen. Durch die Massenreduktion bei Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Faser-Kunststoff-Verbunden lassen sich Effizienzsteigerungen erzielen oder die Nutzlast erhöhen. Darüber hin-aus können sich zusätzliche Vorteile ergeben, wie beispielsweise höhere biegekritische Dreh-zahlen bei Antriebswellen. Neben den hohen Ausgaben für Faserhalbzeuge sind auch die Pro-duktionsverfahren komplex und kostenintensiv, sodass der Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden im Vergleich zu metallischen Komponenten nicht immer zielführend ist. Um Produktionskosten zu reduzieren wird am wbk Institut für Produktionstechnik das Schleuderverfahren für intrinsische Hybridverbunde aus Faser-Kunststoff-Verbund-Metall-Komponenten erforscht. Im Schleuderverfahren wird ein trockener, hohler Faser-Preform mit zwei metallischen Lasteinleitungselementen in ein mehrteiliges Außenwerkzeug eingelegt, das anschließend in eine Spindel gespannt wird. Unter Rotation erfolgt die Injektion des polyme-ren Matrixsystems. Aufgrund der entstehenden Zentrifugalkräfte werden die Fasern getränkt und das Bauteil härtet unter Rotation aus. Im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren wie Schrauben, Nieten, Kleben oder Pressverbänden ist kein nachträglicher Prozessschritt nötig, da die Metall und die Faser-Kunststoff-Verbund-Komponente bereits im Prozess durch die intrinsische Hybridisierung gefügt werden. Diese kann auf der adhäsiven Wirkung des einge-setztes Matrixsystems oder einer formschlüssigen Geometrie basieren. Da der nachgeschaltete Fügeprozess entfällt, lässt sich die Produktionszeit verringern, wodurch Kosten reduziert wer-den können. Mit dem Schleuderverfahren lassen sich rotationssymmetrische Bauteile wie Roh-re, Antriebswellen oder Zug-Druck-Komponenten herstellen. Mittels dem entwickelten Tränkungsmodell, das auf dem analytischen Gesetz nach Darcy basiert, kann die Tränkungszeit berechnet werden. Diese ist von großer Bedeutung, da das eingesetzte Matrixsystem nicht vor Erreichen dieser Zeit aushärten darf. Bei einem innenlie-genden Lasteinleitungselement müssen zudem sogenannte Entlüftungsbohrungen vorgesehen werden, damit es zu keiner Porenbildung kommt. Durch eine entwickelte Montage von Flechtpreforms auf den metallischen Lasteinleitungs-elementen lassen sich formschlüssige Preformgeometrien erzeuge und hybride Zugstangen herstellen. In quasistatischen Zugversuchen zeigen diese Komponenten eine gute Energie-absorption nach dem Erstversagen. Mittels der Finiten-Element-Methode lassen sich die expe-rimentellen Ergebnisse numerisch nachmodellieren und bilden so die Grundlage für eine zu-künftige Formoptimierung der entsprechenden Bauteile.

[ 19 ] Schäfer, M.; Büsching, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Safe Human Robot Collision Avoidance with an End-Effector integrated 360° LiDAR System". Tagungsband des 4. Kongresses Montage Handhabung Industrieroboter, eds. Springer Vieweg, pp. 129-139.
Abstract
In future factories, new potentials rise with the possibility of direct interaction be-tween humans and robots. Thereby the safety of human workers while collaborating with machines is of utmost importance. This contribution focusses on safety aspects arising by the end effector for handling applications. Presented is an approach to perceive the environment by an integrated LiDAR system to prevent possible collisions by alternating the trajectory from the end-effectors perspective. Several different sensor systems are discussed and evaluated before the chosen design is examined. Furthermore, two different methods to ensure a safe distance between human, workpiece and gripper are evaluated. Accordingly, a suitable control architecture for the guidance of the robot through the end effector is presented.

[ 20 ] Moll, P.; Schäfer, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Reconfigurable modular production plant for thermoplastic hybrid composites", Production Engineering, no. 3, pp. 469-477. 10.1007/s11740-019-00898-z
Abstract
Thermoplastic hybrid composites ofer a huge potential for lightweight design but due to the complex process chain for their manufacturing, the needed production plants often are quite expensive resulting in a proftability only for large lot sizes. A modular plant architecture allows a more fexible production of diferent parts thanks to reconfgurability. This results in cost savings which enable economical manufacturing of smaller lot sizes. In the following paper an approach for a modular production plant for thermoplastic hybrid composites and its architecture is presented. The modules of the plant are standard machines with a uniform interface linked by OPC UA. The core is a line control module controlling the sequence of production steps, plant safety and visualization. The independent control system of the production modules is based on a service-oriented architecture and state-based control. For the engineering of the plant, an approach for fast confguration and reconfguration is presented. Using a self-developed web application the plant can be easily confgured resulting in a so called production recipe containing all the relevant information about the plant. The production recipe is imported by a code generator, which automatically converts the information in a PLC code for operation of the line control. The described approach is validated by building and commissioning two diferent confgurations of the production plant showing the feasibility of the concept and signifcant gains in commissioning time.

[ 21 ] Dackweiler, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Prozessmodellierung des Faserwickelns als Fügeverfahren". Lightweight Plaza, eds. Hannover Messe, pp. 1-17.
Abstract
Zunehmende Ressourcenknappheit und wachsendes Umweltbewusstsein in der Bevölkerung zwingen die Industrie, ihre Produktions- und Fertigungsprozesse ressourceneffizienter zu gestalten und bei der Bauteilauslegung auf Leichtbaulösungen, insbesondere in Form von Faserverbundwerkstoff-Hybriden, zurückzugreifen. Neben großflächigen Schalenbauteilen steckt hierbei vor allem im Bereich von Hohlprofilen großes Einsparpotential durch den gezielten Einsatz von Verstärkungsfasern. Als problematisch erweist sich allerdings häufig die Verbindung mehrerer solcher Faserverbund- oder Metallprofile miteinander zu einer Gesamtstruktur. Vor diesem Hintergrund wurde am wbk Institut für Produktionstechnik mit dem Fügewickeln ein Verfahren entwickelt, um Hohlprofile lastgerecht und unter geringem Zusatzgewicht miteinander zu fügen. Basis des Fügewickelverfahrens bildet eine Vorrichtung mit einem offenen, c-förmigen Stator, in dem sich ein c-förmiger Rotor dreht. Die offene Bauform ermöglicht es, kollisionsfrei auch geschlossene Hohlprofilstrukturen zu fügen. An dem Rotor sind sowohl eine Spule mit Fasern, als auch eine Faservorspannvorrichtung sowie ein Fadenauge zur Führung angebracht. Die gesamte Vorrichtung wird mit Hilfe eines Vertikal-Knickarm-Roboters im freien Raum geführt. Der Wickelprozess kann sowohl mit trockenen, als auch mit nassimprägnierten sowie mit vorimprägnierten Fasern durchgeführt werden und ist werkstoffunabhängig, sodass auch Hybridverbindungen ermöglicht werden können. Wie beim klassischen Faserwickeln mit rotierendem Wickeldorn zur Bauteilgenerierung, müssen auch beim Fügewickeln stets die Bedingungen für die Wickelbarkeit erfüllt sein, um eine genaue Ablage und hohe Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Grundlage hierfür bildet eine digitale Prozesskette. Ausgehend von den mechanischen Anforderungen an die Verbindung, wird zunächst die Geometrie der einzelnen Profile inklusive der Fügezone geometrisch modelliert, um anschließend, unter Berücksichtigung der Reibeigenschaften der Fasern, die Wickelpfade mathematisch zu beschreiben und modellieren. In einer iterativen FEM Optimierung wird die Wicklungsanzahl den Belastungen entsprechend optimiert jeweils unter Einhaltung der Bedingungen für die Wickelbarkeit. Auf Basis der Wickelpfade wird ein Bewegungsmodell des Wickelrings zusammen mit dem Vertikal-Knickarm-Roboter abgeleitet. Dieses Modell berücksichtigt Algorithmen zur Kollisionsvermeidung während des Wickelns und ermöglicht die direkte Ableitung von maschinenlesbaren Befehlen für den Roboter und die SPS des Wickelrings, sodass ein realer Wickelprozess gestartet werden kann. Mit Hilfe dieser digitalen Prozesskette ist es nicht nur möglich schon frühzeitig im Entwicklungsprozess Informationen über die benötigte Materialmenge und Fertigungszeit zu erhalten, sondern auch die Qualität der Verbindung durch Sicherstellung der Bedingungen für die Wickelbarkeit und Optimierung der einzelnen Pfade zu erhöhen.

[ 22 ] Schäfer, M.; Moll, P.; Brocke, L.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Model for Web-Application based Configuration of Modular Production Plants with automated PLC Line". 11th CIRP Conference on Industrial Product-Service Systems, pp. 292-297.
Abstract
The international competition leads manufacturers in high-wage countries to focus more on high-value products, which often come at the disadvantage of small batch sizes. To remain competitive, the plant engineering for should be time and cost effective. One approach to achieve this are modular production lines. In the presented contribution, a product orientated web-service for the configuration of a modular production plant is investigated. The resulting model then is interpreted by a code generator to generate a PLC line control. The approach is validated with a plant of metal hybrid carbin fiber seat rests.

[ 23 ] Friedmann, M.; Nguyen Duc, H.; Coutandin, S.; Fleischer, J. & May, M. (2019), "Intelligent, konnektiv, sensitiv", handling, pp. 14-15.
Abstract
Das wbk Institut für Produktionstechnik am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt Ansätze, um den Autonomiegrad von Greifern zu erhöhen. Die Digitalisierung beschreibt einen disruptiven Wandel von Prozessstrukturen in der Produktion, der neue Herausforderungen an die Produktion bringt– etwa eine hohe Flexibilität in den Herstellmengen, eine zunehmende Individualisierung der Produkte und eine steigende Komplexität der Produkte und Prozesse. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, basiert die Produktion von morgen auf intelligenten, dezentral gesteuerten Komponenten und Anlagen, die sich in andauernder Selbstoptimierung dynamisch an veränderte externe Bedingungen in Echtzeit anpassen. Diese Adaption kann nur nach erfolgter Wahrnehmung der geänderten Umstände – also durch die Aufnahme und Verarbeitung sensorischer Daten sowie deren Aggregation zu Informationen – erfolgen.

[ 24 ] Muth, M.; Bernath, A.; Seuffert, J.; Roth, S.; Coutandin, S.; Fleischer, J.; Henning, F. & Weidenmann, K. A. (2019), "LOAD-BEARING FVK METAL HYBRID STRUCTURE FOR AUTOMOTIVE CRASH APPLICATIONS - SIMULATION, PRODUCTION, PERFORMANCE". 23rd Dresden International Lightweight Engineering Symposium, eds. Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, T. U. D., pp. 0-0.
Abstract
Designing with CFRP, innovative joining technologies are needed to exploit the potential of lightweight constructions. Metallic inserts represent one of these joining technologies. In contrast to screw and rivet joints cutting of the fibres is prevented during joining by guiding the fibres around the inserts shaft. The CFRP/metal composite with inserts however, has been little investigated so far. In order to be able to compare such components to a CFRP/metal composite with adhesive bonded parts investigations are donefor both types of components.

[ 25 ] Roth, S.; Stoll, M.; Weidenmann, K. A.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "A new process route for the manufacturing of highly formed fiber-metal-laminates with elastomer interlayers (FMEL)", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, pp. 1293-1301. 10.1007/s00170-019-04103-4
Abstract
Fiber-metal-laminates (FML) provide a high variability in part properties and are often used to satisfy multiple component demands in aerospace applications. However, conventional use of hybrid laminates in the automotive sector is unrewarding due to high manufacturing costs and strongly restricted forming degrees. This paper presents an approach, which enables the manufacturing of laminate components with low bending radii for high volume applications. To separate the carbon fiber–reinforced polymers (CFRP) from the metal sheets, an elastomer layer was used, resulting in the omission of surface treatments for adhesion and corrosion prevention. The forming degrees presented in this work exceeded current approaches. Furthermore, the influence of the forming process on the mechanical properties was analyzed, thus ensuring the profitability of the presented approach for industrial applications.

[ 26 ] Dackweiler, M.; Krause, M.; Coutandin, S.; Klee, B. & Fleischer, J. (2019), "Konfiguration von Robotiklösungen", VDI-Z, vol. 161, pp. 62-65.
Abstract
Die Produktion von heute sieht sich mit der Herausforderung einer großen Individualität und Variantenvielfalt bei gleichzeitig hoher Produktivität konfrontiert. Häufig können manuelle Tätigkeiten diese Anforderungen allerdings nicht mehr erfüllen und werden durch teil- oder vollautomatisierte Lösungen ersetzt. Eine hohe Flexibilität verspricht der Einsatz von Industrierobotern, welche durch ihre Kinematiken viele Bewegungsfreiheitsgrade bieten. Deren Einsatz – inklusive zugehöriger Peripherie – erfordert jedoch umfassendes Expertenwissen bei der Planung und Zusammenstellung neuer Produktionslinien, welches in vielen KMU bisher nicht oder nur eingeschränkt vorhanden ist.

[ 27 ] Kupzik, D.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Werkzeugloses Umformen lastangepasster UD-Verstärkungen", lightweight design, pp. 38-43.
Abstract
Thermoplastische UD-Tapes können zur lastangepassten Verstärkung von Kunststoffteilen verwendet werden. Um diese variantenflexibel vorzuformen wird am wbk Institut für Produktionstechnik ein neuartiger, auf lokaler Biegung basierender Prozess entwickelt. Die Geometriebildung erfolgt hierbei durch Software wodurch Werkzeugkosten eingespart werden.

[ 28 ] Nieschlag, J.; Ruhland, P.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Rotational Molding for the Production of Hybrid FRP Metal Tension and Compression Rods with Form Fit". Konferenzband WGP, eds. Springer, pp. 0-0.
Abstract
One innovative production process for manufacturing rotationally symmetric FRP-metal components, such as drive shafts or tension and pressure rods, is the rotational molding process. In comparison to common joining processes, such as bonding or screwing, the metallic components and the fiber-reinforced plastic part can be intrinsically joined during the forming process. This saves production time and cost compared to conventional joining processes. In the past, only components with a form fit for radial loads such as polygon shafts have been studied using rotational molding. This paper examines the pro-duction of a hybrid FRP-metal tension and compression rod with an axial form fit. To this end, a production approach will be designed and presented more de-tailedly further below. Furthermore, it is investigated whether the impregnation pressure is sufficient enough to produce hybrid FRP-metal tension and compres-sion rods with good laminate quality and a form fit by rotational molding. To de-termine the quality of the obtained component, computer tomography and micros-copy analyses are conducted.

[ 29 ] Roth, S.; Warnck, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Herstellung punktschweißbarer CFK-Metall-Bauteile im RTM Prozess", Lightweight Design, vol. 5, pp. 18-23. 10.1007/s35725-019-0047-1
Abstract
Das wbk Institut für Produktionstechnik entwickelt einen Herstellungsprozess im RTM-Verfahren, der eine fasergerechte Einbringung schweißbarer Krafteinleitungselemente in Faserverbundbauteile ermöglicht. Dies erlaubt ein einfaches Fügen an Stahlkomponenten mittels konventionellem Punktschweißen und eröffnet neue Möglichkeiten für Karosserieanwendungen im Multi-Material-Design

[ 30 ] Moll, P.; Ohlberg, L.; Salzer, S.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Integrated Gripping-system for Heating and Preforming of Thermoplastic Unidirectional Tape Laminates". Procedia CIRP, eds. CIRP, pp. 263-268.
Abstract
Forming and overmolding of thermoplastic multi-layer UD-tape laminates has become increasingly important due to its potential for large-scale production. In the process the tape laminates have to be heated above melting temperature of the polymer in an infrared heater and then transported into the mold. To guarantee the formability of the laminate the temperature has to be maintained above the melting temperature during handling. To improve part quality a preforming of the tape laminate prior to overmolding is preferable. Integration of the preforming step in the handling process allows the shortening of the process route. In this work a gripping-system which allows further heating and preforming of the laminate during the handling process is presented. The temperature losses during transport have been modelled using the Stefan-Boltzmann law. By means of temperature measurements it is shown, that the integrated infrared-heaters allow a compensation of the cooling during handling, resulting in lower maximum heating temperature in the upstream infrared heating field and therefore a reduction of heating time and degradation of the polymer. The repeatability of the handling-integrated preforming has been evaluated using three-dimensional overlays of the resulting 3D-shaped laminates acquired by a laser scanning arm.

[ 31 ] Kupzik, D.; Biergans, L.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Kinematic Description and Shape Optimization of UD-Tape Reinforcements Manufactured with a Novel Preforming Process". 2nd CIRP Conference on Composite Material Parts Manufacturing, eds. Kerrigan, K.; Mativenga, P. & El-Dessouky, H., pp. 78-83.
Abstract
The preforming of UD-Tape reinforcement structures for thermoplastic components can be done in additional process steps or during the handling processes. For an efficient process chain, it is desired to avoid non value adding steps like handling. Therefore they should be combined with value adding steps. A novel process for the preforming of UD-Tape strips has been developed at wbk Institute for Production Science to achieve this. In this process, the strips will be locally heated and bent by an industrial robot as they are pushed out of a material supply unit. With the process, it is possible to efficiently preform complex reinforcement tapes without the need for component specific tools. However, the limitation to local bending deformation sets process limitations different from the present, shear based processes. In this paper, an approach to the kinematic description and shape optimization of reinforcement patches is presented. First, a syntax for the description of tape strips containing several bends is presented. Afterwards, the kinematics of the process of bending tape strips around a bendable hinge are described. A method for pre-processing the geometry data of the desired structure with the aim of limiting the solution space is presented. Based on the kinematic description and the preprocessing of the geometric data, a genetic optimization environment for the bending parameters of a tape strip is implemented. The performance of the optimization shows its potential although the specific optimization parameters still have to be improved. Results and limitations of the optimization approach are presented.

[ 32 ] Moll, P.; Schäfer, A.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Method for the Investigation of Mold Filling in the Fiber Injection Molding Process Based on Image Processing". Procedia CIRP, eds. CIRP, pp. 156-161.
Abstract
Fiber Injection Molding is an innovative process for manufacturing 3D fiber formed parts. Within the process fibers are injected in a special mold through a movable nozzle by an air stream. This process allows a resource efficient production of near net-shape long fiber-preforms without cutting excess. For the properties of the preforms the mold filling is decisive, but current state of the art lacks methods to monitor mold filling online. In this paper a system for monitoring the mold filling based on image processing methods is presented. Therefor a camera and backlighting has been integrated into a fiber injection mold. The detected filling level and fiber distribution is passed to the PLC of the fiber injection molding machine, which allows the operator to monitor the current mold filling state by means of a visual display. The image processing approach consists of preprocessing, binarization and segmentation. For the preprocessing and binarization several methods including a k-means algorithm, the Otsu thresholding method and a convolutional artificial neural network have been implemented and evaluated. Additionally the illumination of the mold has been investigated and found to have a very large influence on the quality of the results of all investigated methods. The results of the binarization are evaluated on the basis of ground truth images, where an absolute difference between labeled and binarized images is formed and the number of misinterpreted pixels is counted. Among the investigated methods, the method based on the Otsu threshold has been found to be the most efficient with regard to the achievable performance as well as to the correct detection of the current filling. The investigated approach allows the acquisition of more data about the mold filling process to improve models.

[ 33 ] Coutandin, S.; Wurba, A.; Luft, A.; Schmidt, F.; Dackweiler, M. & Fleischer, J. (2019), "Mechanical characterisation of the shear, bending and friction behaviour of bindered woven fabrics during the forming process", Materials Science and Engineering Technology, no. 12, pp. 1573-1587. 10.1002/mawe.201900074
Abstract
A critical process step within the liquid composite moulding constitutes in the preforming of two-dimensional textile material into a near-net-shape and load-capable fibre structure by stamp forming. This paper presents fundamental material experiments on the shearing behaviour, bending properties and friction behaviour considering the binder quantity and forming temperature. In addition, the influence of the process time on the resulting stability of the preform is examined. The findings indicate that the quantity of the binder as well as the forming temperature and the process time have a great influence on the preform quality.

[ 34 ] Ruhland, P.; Berger, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Production of Hybrid Tubular Metal-Fiber-Preforms: Material Characterization of Braided Hoses with a Binder". Procedia CIRP 85, eds. Elsevier, pp. 118-123.
Abstract
Hybrid shafts or rods, where the area of load introduction is metallic (e.g. steel or aluminium) and the area of load transfer is made of fibre reinforced plastics (FRP), are an established concept for lightweight parts. Besides the monolithic FRP and the metallic areas, the overlap area of both materials is particularly important. Such parts can beneficially be produced by the use of liquid composite moulding (LCM), where the bonding process takes place during the resin curing. This is called intrinsic hybridization. Beforehand it is crucial to produce a near-net-shape preform in which the metallic end fittings for the load introduction are already integrated. To manufacture such parts constantly with a high quality, a process model of the joining by draping the braided preform is necessary. In this paper an approach for the production of hybrid preforms made of braided hoses and metallic fittings is presented in order to develop a process model. The process starts with a cylindrical multi-layer preform made of braided hoses, in which the layers are bonded by a thermoplastic binder powder. The decisive process step is the draping of the preform onto the metallic fitting. For this forming step, the material characterization of the hybrid preform plays an important role. Several material tests to determine the textile parameters of the preform are therefore evaluated and performed. Finally, the results of these tests are presented and discussed.

[ 35 ] Dackweiler, M.; Hagemann, L.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2019), "Experimental investigation of frictional behavior in a filament winding process for joining fiber-reinforced profiles", Composite Structures, pp. 1-8. 10.1016/j.compstruct.2019.111436
Abstract
Filament winding with a rotating ring allows the joining of hollow, fiber-reinforced profiles. To avoid fiber slippage and to be able to produce wound connections, the curvature of the winding path as well as the friction between mandrel and fibers must be considered. In this paper, the frictional behavior of dry carbon fiber tows is investigated in the context of filament winding for joining profiles. Friction experiments using a sled and filament-winding experiments are performed in order to examine the interrelationship between both setups. Furthermore, the influence of parameters, such as fiber orientation and contact surface, are analyzed. Regarding the frictional behavior of dry carbon fibers, it is found that the perpendicular slippage of the tow is governed by different mechanisms. Therefore, two different modes of slippage can be distinguished, depending on whether the tow’s limit of adhesion is dominated by the friction between the mandrel surface and the bottom layer of filaments, or by the coherence of filaments within the tow.

[ 36 ] Roth, S.; Pracisnore, F.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "A new approach for modelling the fibre path in bolted joints of continuous fibre reinforced composites", Composite Structures, pp. 0-0. 10.1016/j.compstruct.2020.112184
Abstract
A fibre conform hole forming into continuous fibre reinforced components leads to beneficial part properties, as the fibre structure is not damaged in comparison to a drilling operation due to a reorientation of the fibres during the preforming process. To determine precisely the local component properties of the manufactured composite part, detailed information about the resulting fibre paths is required. For the first time, this paper provides a universal methodology to approximate the actual fibre paths in the reoriented area around the hole. Based on a few experimental data, the developed framework allows the construction of the fibre pathways depending on the formed hole diameter and the used fabric type. Two models based on polynomial splines are developed and compared with regards to the achievable model accuracy. The overall methodology is evaluated using different hole diameter and fabric types. Here, a very good correlation between approximation and reality is observed.

[ 37 ] Nieschlag, J.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Production and Tensile Testing of Rotationally Molded Hybrid Composite Tie Rods". SAMPE 2020 Virtual Series | Multifunctional Materials and Structures.
Abstract
An innovative production processes for manufacturing rotationally symmetric FRP-metal components, such as drive shafts or tie rods, is the rotational molding process. In the course of this process, a dry fiber preform and metallic load-introduction elements are inserted into a two-piece mold and subsequently clamped into a spindle. The matrix is injected directly into the rotating mold. Due to the arising centrifugal forces, the preform is impregnated and the component cures under rotation. In comparison to conventional joining processes, such as adhesive bonding or bolt connections, the metallic components as well as the FRP part are intrinsically joined during the forming process. A downstream joining process is not required. The joint is based either on the adhesive property of the matrix system or on a form-fit geometry with undercuts. The paper addresses the production and tensile testing of tie rods. Different rod geometries and different surface treatments, including sandblasting, knurling, and arc spraying, are compared and evaluated.

[ 38 ] Moll, P.; Pirrung, F.; Baranowski, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Evaluation of Fiber Placement Strategies for the Implementation of Continuous". SAMPE 2020 Virtual Series Additive Manufacturing.
Abstract
Among engineering materials today continuous fiber reinforced polymers (FRP) show some of the highest stiffness and strength to weight ratios. To rival the traditional manufacturing methods of continuous FRP many investigations have sought to combine the outstanding mechanical performances of these materials with the freedom in design and the economic benefits of additive manufacturing (AM). This paper focuses on the fiber placement strategies and their interaction with Selective Laser Sintering (SLS) specific machine features. The goal is to develop and conduct test series to gain a deeper understanding of how the process, the polymer, and the reinforcement fibers interact. For this investigation different patterns of glass fiber rovings are embedded into specimens made from PA 12 on a Sintratec Kit printer. The rovings are put up onto a frame in varying patterns to be able to relate fiber tension and curvature as well as the stack height of intersecting rovings to the quality of embedding. Additionally the time of placement, the clamping and the interaction of the fibers with the recoater have been investigated. Based on these results an SLS printer with automated continuous fiber implementation will be developed in the future.

[ 39 ] Baranowski, M.; Moll, P.; Coutandin, S.; Fleischer, F. & Jürgen, J. (2020), "SLS-Prozess für endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile", VDI-Z Integrierte Produktion, vol. 162, no. 5, https://www.ingenieur.de/fachmedien/vdi-z/additive-fertigung/sls-prozess-fuer-endlosfaserverstaerkte-kunststoffbauteile/ [30.11.-1].
Abstract
Additive Fertigungsverfahren erlauben ohne die Grenzen herkömmlicher Werkzeuge eine nahezu unbegrenzte Designfreiheit. Zur Steigerung von Produktlebenszyklen werden bereits Hybridisierungskonzepte durch Integration von Verstärkungsfasern erforscht. Im vorgestellten Forschungsprojekt wird eine Prototypenanlage entwickelt, mit der sich Endlosfasern in das selektive Lasersintern (SLS) von Kunststoffbauteilen automatisiert integrieren lassen.

[ 40 ] Roth, S.; Hezler, A.; Pampus, O.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Influence of the process parameter of resistance spot welding and the geometry of weldable load introducing elements for FRP/metal joints on the heat input", Journal of Advanced Joining Processes, pp. 100032. 10.1016/j.jajp.2020.100032 [30.11.-1].
Abstract
Resistance spot welding is one of the most economical joining processes when manufacturing conventional steel bodies in the automotive sector. However, its applicability in future body constructions is limited due to the growing material mix. Since the demands of efficiency and weight reduction are steadily increasing, modern car bodies implement lightweight materials, especially fibre-reinforced plastics (FRP), in a multi-material design. To enable the joining of FRP/steel constructions with resistance spot welding, weldable inserts can be embedded in the FRP. In order to evaluate the thermal damage to the surrounding polymer, an experimental study of the welding induced heat is presented in this study. The influence of welding parameter, metal sheet thickness and alloying degree on the heat input are characterised. Based on this data, weldability lobes and energy input diagrams are derived. Furthermore, the dependency between insert geometry and the resulting temperature distribution is examined

[ 41 ] Kupzik, D.; Ding, J.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Digital Process Management for the Integrated Bending of Thermoplastic CFRP Tapes". Procedia CIRP, Elsevier, pp. 514-419.
Abstract
A bending based approach for the preforming of carbon fiber reinforced thermoplastic (CFRTP) tapes has been implemented at wbk Institute of Production Science. In early experimentation, it became evident that the process requires regular adaption of process parameters in order to meet the desired quality level. To limit the manual effort, the parameter variation and process characterization should be automated. In this paper, an approach for the automatic parameter identification and tuning through systematic variation combined with optical process measurement is presented. The functionality of the measurement system as well as the parameter identification and error compensation are described.

[ 42 ] Baranowski, M.; Netzer, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Produktivitätssteigerung durch Hybridisierung im 3D Druck", wt Werkstattstechnik online , no. 7, pp. 521-526. [30.11.-1].
Abstract
Die additive Fertigung erlaubt eine standortunabhängige sowie de facto individualisierte Produktion von Bauteilen mit nahezu beliebiger Komplexität. Für die flexible Herstellung von hochfunktionalen Hybridbauteilen fehlt es allerdings an entsprechenden Maschinenkonzepten sowie Automatisierungslösungen. Durch ein hier vorgestelltes Anlagenkonzept sollen Funktionskomponenten in den additiven Herstellungsprozess integriert und neue Möglichkeiten der Bauteilhybridisierung erforscht werden.

[ 43 ] Wirth, B.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Disturbance Force Estimation for a Low Pressure Suction Gripper Based on Differential Pressure Analysis". Annals of Scientific Society for Assembly, Handling and Industrial Robotics, Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, pp. 263-273.
Abstract
In times of ever increasing performance requirements imposed on newly developed products, fiber reinforced plastics have become essential for lightweight applications. While mass related stiffness and strength are huge advantages, automatic handling of the raw materials, such as fabrics, can be very challenging. Low-pressure suction grippers have been proven to be capable of handling fragile air-permeable materials in a non-destructive manner, giving them a clear advantage over potentially damaging competing gripping technologies such as needle grippers. However, they also consume large amounts of energy to ensure successful handling operations. This research aims to estimate disturbance forces applied to the manipulated workpiece by monitoring its internal suction pressure, which will in turn allow for running the grippers at a bare minimum power while still being able to react to disturbances enabling safe handling operations.

[ 44 ] Wirth, B.; Dittus, J.; Baumann, F.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Lastgerechte Endlosfaserverstärkungen im 3D-Druck", wt Werkstattstechnik online , vol. 110, pp. 424-428. [30.11.-1].
Abstract
Neue additive Fertigungsverfahren ermöglichen die individualisierte Herstellung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (eFVK) mit hohen mechanischen Steifigkeiten und Festigkeiten. Um Bauteile belastungsspezifisch auslegen zu können, müssen neue Methoden zur belastungsgerechten Integration der Verstärkungsfasern unter Berücksichtigung von Prozessrandbedingungen entwickelt werden. Am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie wird ein innovativer Ansatz entwickelt, der Verstärkungsfasern spannungs- und fertigungsgerecht in additiv gefertigte Bauteile integriert.

[ 45 ] Ruhland, P.; Nieschlag, J.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Wirtschaftliche Herstellung von Leichtbau-Komponenten mittels intrinsischer Hybridisierung", wt Werkstattstechnik online, no. 7, pp. 517-520. [30.11.-1].
Abstract
Hybride Faserverbund-Metall-Bauteile für Anwendungen als Antriebswellen, Achsen oder Zug-Druck-Stangen besitzen aufgrund ihres hohen Leichtbaugrades ein enormes Potential in den unterschiedlichsten Branchen. In diesem Artikel wird das Rotational-Moulding-Verfahren vorgestellt, mit welchem derartige Bauteile schnell und kostengünstig hergestellt werden können.

[ 46 ] Moll, P.; Wang, S.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Fiber orientation measurement of fiber injection molded nonwovens by image analysis", Textile Research Journal, 10.1177/0040517520948903 [30.11.-1].
Abstract
The fiber injection molding process is an innovative approach for the manufacturing of long fiber nonwoven preforms with little to no waste. An important property for the mechanical characteristics of the composite parts is the fiber orientation of the fiber injection molded nonwovens. In this paper a newly developed assemble method based on Fast Fourier Transform and improved Structure Tensor methods for the computation of the fiber orientation distribution in the local orientation by image analysis of transmitted light images is presented. For the computation of the fiber orientation, the Fast Fourier Transform and Structure Tensor methods are used. The new method is evaluated using simulated images and transmitted light images of real nonwovens to evaluate their accuracy. The computed fiber orientation distributions are compared to reference distributions by means of the Kullback?Leibler divergence. It is shown that the assemble method can perform accurate and reliable measurement of fiber orientation measurement and the modified tructure Tensor method improves results significantly compared to the current state of the art.

[ 47 ] Friedmann, M.; Köse, H.; Roth, S.; Wirth, B.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Werkstückerkennung mit Greifsystemen", Robotik und Produktion, no. 5, pp. 32-33. [30.11.-1].
Abstract
Bereits heute wird eine Fülle an Daten entlang der Wertschöpfungskette erhoben und stellenweise bereits z.B. zur Prozessüberwachung genutzt. Das Ziel dieser Entwicklung sind autonome Fertigungssysteme, die eine flexible Automatisierung unabhängig von der Losgröße ermöglichen und damit für eine hohe Produktivität sorgen. In diesem Kontext werden am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Institut für Technologie Möglichkeiten zur Steigerung der Autonomie von Handhabungssystemen, z.B. durch eine Werkstückklassifizierung mit Hilfe der Methoden künstlicher Intelligenz, erforscht.

[ 48 ] Moll, P.; Wang, S.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Analysis of Basis Weight Uniformity Indexes for the Evaluation of Fiber Injection Molded Nonwoven Preforms", Autex Research Journal, 10.2478/aut-2020-0039 [30.11.-1].
Abstract
Fiber injection molding is an innovative approach for the manufacturing of nonwoven preforms but products currently lack a homogeneous fiber distribution. Based on a mold-integrated monitoring system, the uniformity of the manufactured preforms will be investigated. As no universally accepted definition or method for measuring uniformity is accepted yet, this article aims to find a suitable uniformity index for evaluating fiber injection molded nonwovens. Based on a literature review, different methods are implemented and used to analyze simulated images with given distribution properties, as well as images of real nonwovens. This study showed that quadrant-based methods are suitable for evaluating the basis weight uniformity. It has been found that the indexes are influenced by the number of quadrants. Changes in sample size do not affect the indexes when keeping the quadrant number constant. The quadrants-based calculation of the coefficient of variation showed the best suitability as it shows good robustness and steady index for varying degrees of fiber distribution.

[ 49 ] Rieß, S.; Laub, J.; Coutandin, S. & Fleischer, J. (2020), "Demontageeffektor für Schraubverbindungen mit ungewissem Zustand", ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, vol. 115, no. 10, pp. 711-714. 10.3139/104.112401 [30.11.-1].
Abstract
In diesem Beitrag wird die systematische Entwicklung einer Schraubeinheit für Industrieroboter vorgestellt, mit derer Hilfe ein Roboter die Demontage von Elektromotoren vornehmen kann. Aufgrund der Anwendung im Remanufacturing, haben die Elektromotoren bereits einen Lebenszyklus durchlaufen und zeichnen sich durch ungewisse Produktzustände aus. Der Schraubeffektor ist unabhängig davon im Stande, verschiedene Schrauben zu lösen und dabei Messwerte aufzunehmen.

[ 50 ] Matkovic, N.; Götz, M.; Kupzik Daniel, K. D.; Nieschlag Jonas, S. & Fleischer, J. (2021), "Additives Roboter-Extrusions-System", VDI-Z, vol. 163, pp. 55-57. https://www.ingenieur.de/fachmedien/vdi-z/additive-fertigung/industrieroboter-fertigen-additiv-grossvolumige-kunststoffbauteile/ [30.11.-1].
Abstract
Herkömmliche additive Fertigungsverfahren für Kunststoffbauteile erlauben eine große Designfreiheit, besitzen jedoch Defizite hinsichtlich Fertigungszeit, Bauvolumen und Oberflächenbeschaffenheit. Zur Beseitigung dieser Defizite eignen sich insbesondere flexible Industrieroboter mit druckenden Endeffektoren. Aus diesem Grund wurde am wbk Institut für Produktionstechnik eine vollst?ndige CAE-Prozesskette zur robotergef?hrten Extrusion entwickelt und an einer Anlage erprobt.

[ 51 ] Fleischer, J.; Gerlitz, E.; Rieß, S.; Coutandin, S. & Hofmann, J. (2021), "Concepts and Requirements for Flexible Disassembly Systems for Drive Train Components of Electric Vehicles". Procedia CIRP, Elsevier, pp. 577-582.
Abstract
An increase in the sales number of battery electric vehicles within the last year can be recorded. At the end-of-life these vehicles require a reliable disassembly for recycling or remanufacturing. On the one hand, drivetrain components of those vehicles contain valuable resources and thus are mainly relevant for recycling or remanufacturing. On the other hand, the automated disassembly of especially electric motors and Li-ion battery systems encloses major challenges. Especially the high number of variants and the unknown specifications and conditions of the components are challenging points for the disassembly system. Conventional automated disassembly systems provide limited flexibility and adaptability for the disassembly of these products. Within this contribution two robot-based flexible disassembly systems are systematically derived for Li-ion battery modules and supplementary electric motors. Both products are analysed and the product-specific challenges and requirements are identified. The state of the art regarding flexible disassembly systems is captured using the methodology of a morphological box. Four subsystems are identified: Kinematic, Tools, Workpiece fixation, Safety system. Based on the results, concepts for disassembly systems for both Li-ion battery modules and supplementary electric motors are developed and presented in detail. Especially the structure and functionality of both systems are explained. This is followed by an assessment of the approaches and an identification of limitations as well as possible optimization potentials.