Projektbeschreibung DFG Fügewickeln :
Modellierung des Faserfügewickelns zum Verbinden von Leichtbauprofilen

"Ausgangslage:
In Zeiten strengerer Gesetzgebung hinsichtlich des Energieverbrauchs und des CO2 Ausstoßes von Fahrzeugen, dem steigenden Umweltbewusstsein in der Bevölkerung sowie gleichzeitig dem Erreichen vieler Nutzlastgrenzen in industriellen Anwendungen und dem Baugewerbe rückt der systemeffiziente Leichtbau immer stärker in den in den Fokus von Forschung und Technik. Eine wirtschaftliche Möglichkeit einen solchen Leichtbau zu betreiben, bietet der Einsatz von Fachwerken und Tragwerkstrukturen, welche aus einzelnen Stabelementen bestehen, die kostengünstig gefertigt und ausgelegt werden können.
Für die Herstellung von solchen leichten Fachwerken und Tragstrukturen werden häufig hohle Rundprofile eingesetzt, da diese ein sehr gutes Verhältnis von Steifigkeit und Festigkeit zu Gewicht aufweisen. Die Kombination dieses sogenannten Formleichtbaus aus Hohlprofilen mit dem Stoffleichtbau führt bei hohen Leichtbaugraden oft zu faserverstärkten Kunststoffen (FVK). Diese Werkstoffgruppe zeichnet sich durch ihre hohe Performance in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften, bei gleichzeitig sehr geringer Dichte im Vergleich zu den klassischen Metallen aus. Um mit diesen einzelnen Leichtbauprofilen, bspw. hergestellt im kostengünstigen Pultrusionsverfahren oder Schleuderverfahren, tragende Gesamtstrukturen und geschlossene Fachwerke zu schaffen, sind spezielle Fügeverfahren notwendig.
Klassische Fügeverfahren aus dem metallischen Bereich nutzen dabei entweder die Aufschmelzbarkeit beim Schweißen, oder ein Zusatzelement durchdringt die zu verbindenden Bauteile wie beim Schrauben oder Nieten . Faserverstärkte Kunststoffe mit duromerer Matrix lassen sich jedoch einerseits nicht aufschmelzen, andererseits zerstört ein durchdringendes Element die Faserarchitektur des Bauteils und setzt dadurch die Festigkeit des Gesamtverbunds herab.
Ein vielversprechender Ansatz zum Fügen solcher duromerer, faserverstärkter Rundprofile stellt das am wbk Institut für Produktionstechnik entwickelte Fügewickeln dar, zu welchem die wissenschaftliche Grundlagen in diesem Forschungsvorhaben erarbeitet werden sollen. Bei diesem Verfahren werden Kohlenstofffasern in Form eines Rovings eingesetzt, um zwei Profile durch Umwickeln der Fügestelle miteinander zu verbinden. Durch die speziellen Eigenschaften der Kohlenstofffaser, sehr hohe Zugkräfte in Faserrichtung aufnehmen zu können, ist es durch eine geschickte Ablage der Rovings möglich, große Kräfte über die Bauteile hinweg zu übertragen.

Ziel:
Das Ziel ist die gesamtheitliche Modellierung des neuartigen Fügewickelverfahrens. Die hierzu geplanten Untersuchungen sollen einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des Prozesses und der Wirkzusammenhänge leisten. Mit Hilfe der Modelle ist es möglich die Abhängigkeiten von Parametern wie die Fasermaterialien, Bauteiloberflächen und –geometrien auf die möglichen Wickelpfade- und muster zu beschreiben. Zudem können Prozesszeiten und die Menge der benötigten Fügematerialien bereits frühzeitig abgeschätzt und somit Fragestellungen zu den Prozesskosten schon in der Planungsphase sichtbar gemacht werden. Gleichzeitig soll die Charakterisierung und Modellierung die Verfahrensgrenzen und –potentiale aufdecken, um die Flexibilität des Fügewickelns vollständig ausnutzen zu können.

Vorgehen:
Das Arbeitsprogramm gliedert sich in vier Arbeitspakete (AP), wobei zunächst ein Modell für die Wickelpfade in der Fügezone aufgestellt wird (AP1). Dieses Modell soll auf einem differentialgeometrischen Ansatz basieren und die für den Wickelprozess relevanten Einflussparameter berücksichtigen. Das zweite Arbeitspaket (AP2) befasst sich mit der Herausforderung, die für den Fügeprozess spezielle Wickelkinematik simulativ abzubilden und ein Bewegungsmodell zur Darstellung der Interaktion zwischen Wickelring und Roboter herzuleiten. Anschließend findet eine Fusion sowohl des Wickelpfad- als auch kinematischen Modells statt, um darauf aufbauend in Arbeitspaket 3 eine Methodik zum Post-Processing, d.h. zur Ableitung der realen Maschinenbefehle zu erarbeiten. Abschließend werden in AP4 die abgeleiteten Modelle in experimentellen Versuchen validiert und durch eine iterative Anpassung präzisiert. "