Methode zur In-Situ Erfassung von wirkzonennahen Temperaturverläufen für das laserbasierte Automated Fiber Placement

Abstract

Das laserbasierte Automated Fiber Placement (AFP) ist ein Verfahren zur in-situ-Herstellung von Leichtbaustrukturen aus kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten. Bei dieser Herstel-lungsweise werden dünne Streifen vorimprägnierter Faserbänder unter Einsatz eines Lasers und einer Andruckrolle kontinuierlich in-situ miteinander gefügt. Dieser reversible Fügeprozess führt zu Vorteilen wie einer verbesserten Recyclierbarkeit und dem Wegfall des energieinten-siven, nachträglichen Autoklavprozesses. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dem Autoklav gleichwertige mechanische Eigenschaften zu erzielen. Ein Schlüssel zur Bewälti-gung dieser Herausforderung ist die genaue Kenntnis der thermisch-mechanischen Belastung im Prozess. Aktuell verwendete Messtechnologien sind noch nicht in der Lage, die prozess-begleitende, kontinuierliche Erfassung der Temperaturhistorie in der fügerelevanten Prozess-zone zu leisten. Zwar kann die Temperatur vor und nach der Fügestelle durch Infrarot-Thermographie erfasst werden, jedoch ist die Fügestelle selbst durch die Andruckrolle ver-deckt. In das Laminat eingebrachte Thermoelemente oder faseroptische Sensoren messen die Temperatur nur punktuell und werden aktuell ausschließlich zur Modellvalidierung genutzt, wobei sie gleichzeitig als Störstellen agieren und die Temperatur über- bzw. unterschätzen können. Gegenstand des Projektes InSiTe war daher die grundlegende Untersuchung einer neuartigen Messmethode für das laserbasierte AFP. Durch die Integration faseroptischer Dehnungs-sensoren in die Mantelfläche der Andruckrolle zielt diese Messmethode auf die Erzeugung einer temperatursensitiven Oberfläche ab, die während der in-situ Herstellung kontinuierlich Kontakt im Bereich der Fügestelle hat. Da beim Fügen gleichzeitig mechanische und thermi-sche Belastungen wirken, wurde im Projekt zunächst eine Methode zur Kompensation der mechanischen Dehnung entwickelt. Diese Methode ermöglicht die Trennung der mechanisch induzierten Dehnungen von den für die Temperaturmessung relevanten thermisch induzierten Dehnungen. Die Untersuchungen im Projekt haben gezeigt, dass unter stationärer thermischer Belastung eine Temperaturmessung mit einer Messgenauigkeit von ±9 °C mit einer Tempera-turauflösung von 0,17 °C in einem Temperaturbereich bis 350 °C bei AFP äquivalenten Kon-takzeiten von 0,24 s erreicht werden kann. Unter instationären thermischen Belastungen mit hochdynamischen Wärmeströmen, die für das AFP charakteristisch sind, hat sich dagegen gezeigt, dass eine eindeutige Messung der Fügetemperatur aktuell noch nicht möglich ist. Dies ist auf dominante, prozessinhärente Wärmeströme zurückzuführen, die nicht in Richtung der Messfaser verlaufen. Perspektivisch müssen weitere Untersuchungen zur Reduktion der thermischen Trägheit des Sensorsystems sowie der gezielten Steuerung von Wärmeströmen im AFP-Prozess, z. B. durch temperierte Formwerkzeuge oder Konsolidierungsrollen, zur Be-fähigung dieser Messmethode für instationäre thermische Belastungen folgen. Laser-based automated fibre placement (AFP) is a process for the in-situ production of light-weight structures made from carbon fibre-reinforced thermoplastics. In this manufacturing method, thin strips of pre-impregnated fibre tapes are continuously joined together in situ using a laser and a consolidation roller. This reversible joining process results in advantages such as improved recyclability and the elimination of the energy-intensive subsequent autoclave process. However, the challenge is to achieve mechanical properties equivalent to those of the autoclave. A key to overcoming this challenge is precise knowledge of the thermal-mechanical stress in the process. Currently used measurement technologies are not yet capa-ble of continuously recording the temperature history in the joining-relevant process zone dur-ing the process. Although the temperature before and after the joint can be recorded using infrared thermography, the joint itself is obscured by the pressure roller. Thermocouples or fibre optic sensors inserted into the laminate only measure the temperature at specific points and are currently used exclusively for model validation, whereby they also act as interference points and can overestimate or underestimate the temperature. The aim of the InSiTe project was therefore to conduct fundamental research into a novel measurement method for laser-based AFP. By integrating fibre optic strain sensors into the surface of the consolidation roller, this measurement method aims to create a temperature-sensitive surface that is in continuous contact with the joint area during in-situ manufacturing. Since mechanical and thermal stresses act simultaneously during joining, the project first de-veloped a method for compensating for mechanical strain. This method makes it possible to separate the mechanically induced strains from the thermally induced strains relevant for tem-perature measurement. The investigations in the project have shown that under steady-state thermal stress, a temperature measurement with a measurement accuracy of ±9 °C with a temperature resolution of 0,17 °C can be achieved in a temperature range up to 350 °C at AFP equivalent contact times of 0,24 s. Under transient thermal loads with highly dynamic heat flows, which are characteristic of AFP, it has been shown that a clear measurement of the joining temperature is currently not yet possible. This is due to dominant, process-inherent heat flows that do not run in the direction of the measuring fibre. Further investigations into reducing the thermal inertia of the sensor system and the targeted control of heat flows in the AFP process, e. g. through temperature-controlled molds or consolidation rollers, must follow in order to enable this measurement method for transient thermal loads.