"Entwicklung und Anwendung virtueller Prozessketten" innerhalb des Verbundvorhabens "ELECTRA - Effiziente Luftfahrtstrukturen aus CFK mittels voll-automatisierbarer, verketteter und ultra-hochratenfähiger Prozesse"

Abstract

Stand von Wissenschaft und Technik: Für hochratenfähige CFK-Prozessketten existieren etablierte Einzelsimulationen zur Umformung textiler Halbzeuge sowie zur RTM-Infiltration. Eine durchgängige Prozesskette erfordert zusätzlich einen robusten Datentransfer, damit prozessinduzierte Zustandsgrößen wie Faserorientierung und Faservolumengehalt konsistent zwischen inkompatiblen Netzen und Modellwelten übertragen werden können. Zielsetzung: Ziel des Vorhabens ELECTRA war die virtuelle und datenbasierte Absicherung einer hochautomatisierten, ultra-hochratenfähigen CFK-Prozesskette. Im Fokus standen die simulative Auslegung von Preforming und Infiltration, die Kopplung der Prozessmodelle über Mapping sowie die Bereitstellung belastbarer Eingangsgrößen für einen digitalen Prozesszwilling. Methode: Es wurde eine virtuelle Prozesskette aufgebaut, bestehend aus makroskopischer Umformsimulation und Darcy-basierter Infiltrationssimulation, ergänzt um Materialcharakterisierung und Parametrisierung. Prozessrelevante Ergebnisgrößen aus der Umformung, insbesondere lokale Faserorientierungen und Faservolumengehalt, wurden über einen Mapping-Schritt auf das Infiltrationsmodell übertragen und zur Ableitung effektiver Permeabilitäten verwendet. Konzeptstudien dienten der Werkzeug- und Prozessauslegung, einschließlich Stempelkonzepten für Demonstrator B sowie Anguss- und Klemmkonzepten für die Infiltration. Ergebnis: Für Demonstrator B wurde ein finales Stempelkonzept zur Reduktion umformbedingter Defekte abgeleitet und die Umformsimulation qualitativ anhand von Preforms abgeglichen. Für die Infiltration wurden Angussstrategien bewertet und ein Linienangusskonzept mit integrierter Faserklemmung zur Reduktion von Faserverlagerungen ausgelegt. Materialkarten für Umform- und Infiltrationsmodelle sowie für viskoelastische und kinetische Eigenschaften wurden nach zusätzlicher Validierungskampagne konsolidiert. Der Mapping-Workflow zur Übertragung der Ergebnisgrößen wurde implementiert und in die Infiltrationsauslegung integriert. Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeiten: Die Ergebnisse ermöglichen eine prozesskonsistente, simulationsgestützte Auslegung von Werkzeug und Prozessparametern und reduzieren Hardware-Iterationen in der Entwicklung hochratenfähiger RTM-Prozessketten. Der implementierte Datentransfer von Faserzustandsgrößen verbessert die Vorhersagefähigkeit der Infiltration gegenüber isolierten Einzelsimulationen und bildet eine belastbare Grundlage für die Kopplung mit Prozessdaten im Sinne eines digitalen Prozesszwillings.