Variabelaxiale Faserarchitekturen doppelt gekrümmter Faser-Kunststoff-Verbunde für Luftfahrtanwendungen (VaLu)

Abstract

Stand der Technik: Das konventionelle Faserwickeln basiert überwiegend auf geodätischen Ablagepfaden, die hohe Prozessrobustheit bieten. Grenzen treten auf, sobald lokale Öffnungen, komplexe Geometrieübergänge oder lokal applizierte Verstärkungen (z. B. TFP-Patches) die effektive Oberfläche und Dickenverteilung signifikant verändern. Zielsetzung: Entwicklung und Demonstration eines digitalen Workflows sowie eines hybriden FW+TFP-Konzepts zur Integration lokaler Verstärkungen und zur fertigungsgerechten Trajektorienerzeugung einschließlich nicht-geodätischer Strategien. Ziel ist die Weiterentwicklung des Technologiereifegrads von TRL 2 auf TRL 4. Methode: Kombination aus experimentellen Untersuchungen an FW-Zylindern mit und ohne Öffnungen sowie mit lokalen TFP-Patches (inkl. DIC-Dehnungsfeldanalyse), numerisch-parametrischer Modellierung mit Berücksichtigung von Dickenvariationen und lokalen Faserorientierungen sowie Entwicklung einer CAM-Software zur Trajektoriengenerierung. Diese umfasst reibungsabhängige Beschreibungen nicht-geodätischer Bahnen und verbesserte Dickenprognosen. Die Ergebnisse werden mit etablierter kommerzieller Wickelsoftware verglichen und anhand von 3D-Scandaten experimentell validiert. Ergebnisse: Es wurde ein integrierter Workflow entwickelt, der (i) die Auslegung und Integration lokaler TFP-Verstärkungen ermöglicht, (ii) geodätische und nicht-geodätische Wickelmuster auch bei aufgehobener Rotationssymmetrie generiert und (iii) Dickenverteilungen in Überlapp-, Umkehr- und patchbeeinflussten Bereichen realitätsnäher prognostiziert, validiert durch 3D-Scandaten. Schlussfolgerung / Anwendungsmöglichkeiten: Die entwickelte hybride Fertigungs- und Software/CAM-Funktionalität bietet eine übertragbare Grundlage für robuste Prozessplanung und Werkzeugauslegung für komplexe filamentgewickelte Strukturen (z. B. Druckbehälter), bei denen lokale Verstärkungen, Geometrieupdates und nicht-geodätische Trajektorien konsistent berücksichtigt werden müssen.