Methode zur Auslegung von Gelegen mit lokal

„Methode zur Auslegung von Gelegen mit lokal
angepassten Fertigungsparametern für
Hochleistungs-Faserverbundkunststoffe“
Von der Fakultät für Maschinenwesen
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades einer
Doktorin der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Helga Krieger
Berichter:
Univ.-Prof. Prof. h.c. (RU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries
Priv.-Doz. Dr. Anthony Pickett
Tag der mündlichen Prüfung: 16.07.2015
Textiltechnik/Textile Technology
herausgegeben von
Univ. Prof. Professor h.c. (RU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries
Helga Krieger
Methode zur Auslegung von Gelegen mit
lokal angepassten Fertigungsparametern für
Hochleistungs-Faserverbundkunststoffe
Shaker Verlag
Aachen 2015
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2015)
Copyright Shaker Verlag 2015
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen
oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 978-3-8440-3908-5
ISSN 1618-8152
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Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9
Internet: www.shaker.de • E-Mail: [email protected]
iii
Teile dieser Arbeit basieren auf Ergebnissen der von mir betreuten studentischen Arbeiten. Eine bibliographische Auﬂistung beﬁndet sich am Ende des
Literaturverzeichnisses.
v
Vorwort
Die vorliegende Arbeit ist während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University in den
Jahren 2010 bis 2015 entstanden. In dieser Zeit haben mich einige Personen
bei der Ausarbeitung und Fertigstellung der Dissertation unterstützt, denen
ich an dieser Stelle DANKE sagen möchte.
Ich bedanke mich bei Herrn Univ.-Prof. Prof. h.c. (RU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing.
Thomas Gries für die fachliche Betreuung der Dissertation, die konstruktiven
Diskussionen und den gewährten Freiraum bei der Durchführung der Arbeit.
Für die Übernahme des Korreferats und des Prüfungsvorsitzes der mündlichen Prüfung möchte ich mich bei Herrn Priv.-Doz. Dr. Anthony Pickett und
Frau Prof. Dr.-Ing. Spieß bedanken.
Des Weiteren bedanke ich mich bei meinen Kolleginnen und Kollegen des
Instituts, die mich bei der Durchführung der Arbeit unterstützt haben. Dabei
möchte ich besonders Tanja Klietzing, Scott Stapleton und Lars Appel für
die fachlichen Diskussionen im Bereich der Modellbildung, Sabrina Jandrey
für die spannenden Kooperationen zum Thema Bionik und Udit Gohil für die
gemeinsame Erstellung und Durchführung der Expertenbefragung danken.
Besonderer Dank gilt auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Prüﬂabors für die Durchführung der zahlreichen Versuche. Frau Christiane Cremer
möchte ich für die sorgfältige Durchsicht der schriftlichen Ausarbeitung der
Arbeit und die wertvollen Hinweise danken. Weiterhin möchte ich mich bei
den Studenten bedanken, die im Rahmen von einer wissenschaftlichen Arbeit oder als studentische Hilfskraft diese Arbeit maßgeblich unterstützt haben. Dabei möchte ich besonders Dorit Kaufmann, Carsten Aßhoff und Philipp Seinsche hervorheben, die durch zahlreiche Versuche, Modellbildungen
und Recherchen wichtige Beiträge geleistet haben. Den Schülern des Mathecamp 2013 und ihrem Betreuer Kai Krycki möchte ich für die erste Ausarbeitung eines mathematischen Modells zur kinematischen Drapiersimulation
über eine Hemisphäre danken.
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Besonderer Dank gilt meiner Familie, von der ich stets bedingungslosen
Rückhalt und Unterstützung erfahren habe. Meinen Eltern Bruno und Beate
Krieger danke ich dafür, dass sie mir das Studium und den Weg der Promotion ermöglicht haben. Meiner Schwester Alexandra Krieger danke ich für die
fachlichen Diskussionen zur Modellbildung.
Allen nochmals meinen herzlichsten Dank!
Aachen, im August 2015
vii
Kurzfassung
Leichtbau ist aktuell in vielen technischen Anwendungen ein zentrales Thema. Der Fokus in der vorliegenden Arbeit liegt auf dem stofﬂichen Leichtbau
durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK). Zur Steigerung
der Produktivität in der FVK-Bauteilfertigung werden automatisierte Lösungen angestrebt. Für die automatisierte Fertigung endkonturnaher textiler Preforms hoher geometrischer Komplexität muss das textile Halbzeug gegensätzliche Anforderungen erfüllen. Für die automatisierte Handhabung muss
es eine hohe Formstabilität und somit eine hohe Biege- und Schersteiﬁgkeit
aufweisen. Für die Formung in komplexe Geometrien muss es eine gute Drapierbarkeit und somit eine geringe Schersteiﬁgkeit aufweisen. Mit dem Kettenwirkautomaten mit multiaxialem Schusseintrag können Gelege mit lokal
angepassten Fertigungsparametern des Wirkfadensystems hergestellt werden. Sie werden als Tailored NCF bezeichnet und verfügen über lokale Zonen
mit unterschiedlicher Formstabilität und Drapierbarkeit. Für die bauteilspeziﬁsche Auslegung der Fertigungsparameter der lokalen Zonen ist ein gutes
Verständnis der bei der Drapierung auftretenden Wirkmechanismen erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur bauteilspeziﬁschen Auslegung der Fertigungsparameter der lokalen Zonen in einem
Tailored NCF. Dabei soll das Tailored NCF eine möglichst hohe Formstabilität und eine ausreichend gute Drapierbarkeit aufweisen. Die Drapierbarkeit
wird durch die Scherkraft, die erforderlich ist, um das textile Halbzeug um
einen bestimmten Scherwinkel zu scheren und durch die bei der Scherung
auftretenden Drapiereffekte bewertet. Gelege bestehen aus zwei Materialsystemen, den Verstärkungsfasern mit einer deﬁnierten Lagenorientierung und
dem Wirkfaden zur Fixierung der Verstärkungsfasern. Die textilspeziﬁsche
Drapierbarkeit wird maßgeblich durch die Wirkfadendehnung unter Scherbelastung beeinﬂusst. In dieser Arbeit werden analytische Modelle zur geometrischen Einbringung des Wirkfadens in das Gelege und zur resultierenden
Wirkfadendehnung unter Scherbelastung aufgestellt. Sie können herangezogen werden, um die textilspeziﬁsche Drapierbarkeit ohne aufwändige Versuchsreihen tendenziell zu bewerten oder um die lokalen Fertigungsparameter von Tailored NCF auszulegen.
ix
Abstract
Nowadays lightweight design is a key issue in many technical applications.
The focus of this thesis is on lightweight design using materials such as ﬁbrereinforced plastics (FRP). Automated solutions are sought to increase the
productivity of manufacturing processes of FRP-components. Textiles have to
meet opposing requirements for the automated manufacturing of textile preforms with high geometric complexity. The textile should have a high dimensional stability and hence a high bending stiffness and a high shear stiffness
for enabling an automated manufacturing process. On the other hand, textile
should have good drapeability and hence a low shear stiffness to be able to
shape them into complex geometries. Non-crimp fabrics (NCFs) with locally
adapted manufacturing parameters of the stitching yarn can be realised with
a multiaxial weft insertion warp knitting machine. They are known as tailored
NCF. Tailored NCF are characterised by local zones with different values for
the dimensional stability and the drapeability. A good understanding of the
occurring mechanisms during draping is required for the component-speciﬁc
design of the manufacturing parameters of the local zones. The objective of
this thesis is the development of a method for the design of the locally required manufacturing parameters in a tailored NCF individually adjusted to a
given geometry of a component part. Therefore, the NCF should have a high
dimensional stability and a sufﬁciently good drapeability. The drapeability of a
NCF is determined by the shear force which is necessary to shear the NCF
by a certain shear angle and by the occurrence of drape effects during shear.
NCFs consist of two material systems, the reinforcing ﬁbres with a predeﬁned
layup and the stitching yarn for ﬁxing the reinforcing ﬁbres. The textile speciﬁc drapeability is inﬂuenced primarily by the stitching yarn strain under shear
load. In this thesis, analytical models for the geometric properties of the stitching yarn in the NCF and for the resulting stitching yarn strain under shear
load are developed. They can be used to evaluate the textile speciﬁc drapeability without time consuming test series. Furthermore they can be applied to
design the local manufacturing parameters of tailored NCF.
Inhaltsverzeichnis
xi
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
2 Faserverbundkunststoffe
9
2.1 Textile Materialien für Faserverbundkunststoffe . . . . . . . . . 12
2.1.1 Deformationsmechanismen in biaxialen textilen Halbzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Drapiereffekte in biaxialen textilen Halbzeugen . . . . . 18
2.1.3 Gewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.4 Gelege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Preformingprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1 Trennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Handhaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 Fügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Bauteilgeometrie
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 Theoretische Grundlagen zur Flächenkrümmung . . . . 32
2.3.2 Klassiﬁzierung der Krümmung . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Industrielle Einsatzgebiete von Faserverbundkunststoffen . . . 35
2.4.1 Allgemeine Forschungsziele . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Expertenbefragung zum industriellen Drapierprozess . . 38
xii
Inhaltsverzeichnis
3 Textilsimulation
41
3.1 Prozesssimulation in der FVK-Bauteilentwicklung . . . . . . . . 42
3.2 Drapiersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 Kinematische Drapiersimulation . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2 Kontinuumsmechanische Drapiersimulation . . . . . . . 47
3.2.3 Strukturmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.4 Mehrskalenmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Industrieller Einsatz von Textilsimulation . . . . . . . . . . . . . 48
3.4 Zusammenfassung Textilsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Scherprüfverfahren
51
4.1 Technologieauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.1 Anforderungen an das Scherprüfverfahren . . . . . . . . 52
4.1.2 Beschreibung bestehender Scherprüfverfahren . . . . . 54
4.1.3 Bewertung und Auswahl der Scherprüfverfahren . . . . 58
4.2 Scherrahmenversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Prüfungsdurchführung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.3 Deformationsmechanismen und Drapiereffekte . . . . . 67
4.2.4 Normalisierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 Uniaxialer Schrägzugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.2 Prüfungsdurchführung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.3 Deformationsmechanismen und Drapiereffekte . . . . . 73
Inhaltsverzeichnis
xiii
4.3.4 Normalisierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 ITADrape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.2 Prüfungsdurchführung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.3 Deformationsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.4 Normalisierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.5 Weitere Scherprüfverfahren nach dem Rotationsverfahren der Achsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 Industrieller Einsatz von Scherprüfverfahren . . . . . . . . . . . 82
4.6 Zusammenfassung Scherprüfverfahren . . . . . . . . . . . . . 83
5 Drapierprüfverfahren
85
5.1 Aufbau von Drapierprüfständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2 Technologieauswahl optischer Messsysteme . . . . . . . . . . 89
5.2.1 Anforderungen an optische Messsysteme . . . . . . . . 89
5.2.2 Beschreibung bestehender optischer Messsysteme . . . 92
5.2.3 Bewertung und Auswahl der optischen Messsysteme . . 94
5.2.4 Optisches Messsystem ARGUS . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Industrieller Einsatz von Drapierprüfverfahren . . . . . . . . . . 102
5.4 Zusammenfassung Drapierprüfverfahren
6 Kinematische Drapiersimulation
. . . . . . . . . . . . 106
107
6.1 Algorithmus zur kinematischen Drapiersimulation . . . . . . . . 107
6.1.1 Pre-Processing: kinematische Drapiersimulation . . . . 108
6.1.2 Processing: kinematische Drapiersimulation . . . . . . . 110
xiv
Inhaltsverzeichnis
6.1.3 Post-Processing: kinematische Drapiersimulation . . . . 111
6.1.4 Getroffene Vereinfachungen in der kinematischen Drapiersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 Geometrische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3 Auslegung der Roboterkinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7 Scherprüfung an biaxialen Gelegen
127
7.1 Untersuchungsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2.1 Versuchsaufbau optische Messtechnik . . . . . . . . . . 135
7.2.2 Versuchsaufbau und Auswertung Scherprüfungen . . . 136
7.3 Hypothesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.4 Einﬂuss der geometrischen Wirkfadeneigenschaften . . . . . . 140
7.4.1 Diskussion der gemessenen Scherkraft . . . . . . . . . 141
7.4.2 Ausbildung von Gassen und Fisheyes . . . . . . . . . . 146
7.4.3 Ausbildung von Ondulationen . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.4.4 Beispiel für Auslegung von Tailored NCF . . . . . . . . . 166
7.5 Einﬂuss der mechanischen Wirkfadeneigenschaften . . . . . . 171
7.5.1 Einﬂuss der Materialeigenschaften des Wirkfadens . . . 171
7.5.2 Einﬂuss der Wirkfadenspannung . . . . . . . . . . . . . 179
7.6 Zyklischer Scherrahmenversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8 Scherprüfung an multiaxialen Gelegen
195
Inhaltsverzeichnis
xv
8.1 Uniaxialer Schrägzugversuch an triaxialen Gelegen . . . . . . . 196
8.2 Multiaxialscherrahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.2.1 Analyse der Bewegungskinematik im ITADrape . . . . . 199
8.2.2 Vergleich der Bewegungskinematik von ITADrape und
Scherrahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2.3 Realisierung des Trellis-Effektes im Multiaxialscherrahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.2.4 Realisierungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
9 Drapierprüfung an biaxialen Gelegen
209
9.1 Aufbau Drapierprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.2 Drapierprüfung an Standardgeometrien . . . . . . . . . . . . . 212
9.3 Untersuchungsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.4 Prüfungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
10 Auslegung der lokalen Fertigungsparameter von Gelegen
221
10.1 Methode zur Deﬁnition der lokalen Gelege-Fertigungsparameter 222
10.1.1 Gegebene Randbedingungen
. . . . . . . . . . . . . . 224
10.1.2 Auswahl der Fertigungsparameter . . . . . . . . . . . . 224
10.1.3 Deﬁnition der lokalen Bereiche . . . . . . . . . . . . . . 226
10.1.4 Gelegefertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2 Beispiel für die Deﬁnition der lokalen Fertigungsparameter . . . 228
10.2.1 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
10.2.2 Auswahl der Fertigungsparameter . . . . . . . . . . . . 229
xvi
Inhaltsverzeichnis
10.2.3 Deﬁnition der lokalen Bereiche . . . . . . . . . . . . . . 230
10.2.4 Gelegefertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
11 Zusammenfassung und Ausblick
235
11.1 Preforming-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
11.1.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
11.1.2 Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
11.1.3 Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
11.2 Methode zur Auslegung von Tailored NCF . . . . . . . . . . . . 239
11.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
12 Summary and Outlook
243
12.1 Preforming-parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
12.1.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
12.1.2 Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
12.1.3 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
12.2 Method for the design of tailored NCF . . . . . . . . . . . . . . 247
12.3 Outlook
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Abkürzungsverzeichnis
249
Literaturverzeichnis
255
Abbildungsverzeichnis
269
Tabellenverzeichnis
276
Inhaltsverzeichnis
xvii
A Messergebnisse aus Scherprüfungen
281
B Aufnahmen der optischen Messung in den Scherprüfungen
285
C Scherwinkelmessung in Drapierversuchen
301

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