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Verarbeitung von Reaktionsharzen - Wickel- und Tapelegetechnik

Multi-Tapelegen von Duroplasten

Auszug aus

Handbuch Verbundwerkstoffe

Herausgeber: Manfred Neitzel, Peter Mitschang, Ulf Breuer
07/2014, 576 Seiten, € 179,99
ISBN: 978-3-446-43696-1
Seite 349

Aus dem Bedürfnis, komplexere Bauteilformen herzustellen, als es mit dem Kontur- Tapelegen möglich ist, wurde das Multi-Tapelegeverfahren entwickelt (im Englischen „Tow Placement“ oder „Fiber Placement“). Als Halbzeug kommen 12 bis 32 einzelne vorimprägnierte, unidirektionale Faserbündel zum Einsatz, die entweder schon in Tapeform vorliegen oder erst während des Zuführprozesses zum Ablegekopf kalandriert werden. Diese Tapes, sog. „Tows“, haben in der Regel eine Breite von 3,175 mm und eine Dicke von 0,140 mm. Sie werden auf Spulen mit einer Länge von bis zu 12 191 m geliefert. Die gängige Spulenlänge beträgt jedoch etwa 3350 m. Die Verwendung vieler schmaler Tapes hat den Vorteil im Vergleich zum Kontur-Tapelegen, dass theoretisch die Ablegerate aufgrund gleicher Ablegebreite gleich bleibt, aber wesentlich komplexere Bahnverläufe aufgrund der besseren Drapierbarkeit schmaler Tapes möglich sind. Die Tapes müssen wie beim Kontur-Tapelegen fortwährend bis zum eigentlichen Ablegen gekühlt werden. Sie werden daher in einem Kühlschrank auf der Tapelegeanlage gelagert. Heutzutage gibt es viele Serienanwendungen, besonders in der Luftfahrt, wie zum Beispiel Teile des Rumpfes oder des Flügels beim Airbus A380, A350 XWB oder bei der Boeing 787.

Wie im folgenden Bild dargestellt, handelt es sich anlagentechnisch um größere Robotereinheiten mit externer Rotationsachse. Auf der Rotationsachse befindet sich die Werkzeugplattform. Die Robotereinheit besitzt neben mehreren Orientierungsachsen auch eine bis über 20 m lange Verfahrachse, so dass auch sehr große Bauteile hergestellt werden können [1]. Hersteller von Multi-Tapelegeanlagen sind beispielsweise Automated Dynamics, Ingersoll Milling, MAG, Mtorres und Coriolis Composites.

Multi-Tapelegeanlage (Bild: Handbuch Verbundwerkstoffe)

Der Tapelegekopf ist so konzipiert, dass jedes der Tapes einzeln transportiert und geschnitten werden kann. Dies macht nicht nur die Konstruktion des Tapelegekopfes viel aufwendiger, sondern auch dessen Steuerung. Dies beginnt bereits mit der Generierung der Legepfade. Im Allgemeinen beginnt dieser Prozess mit der Definition der Bauteiloberfläche. Anschließend übersetzt ein Pfadgenerator die Geometriedaten in mögliche Legepfade. Der Pfadprozessor simuliert die Legebahnen so lange, bis das Maschinenprogramm festgelegt ist [2]. Der Prozess der Pfadgenerierung ist von äußerster Wichtigkeit für das Arbeitsergebnis und sehr aufwendig, da 12 bis 32 Tapes gesteuert werden müssen. Anbieter von Pfadgenerierungssoftware sind CG Tech und SWMS.

Die schmalen Tapes werden entgegen dem Kontur-Tapelegen ohne doppelseitige Schutzfolie dem Verlegekopf zugeführt und besitzen eine geringere Eigenklebrigkeit („Tack“). Diese muss wie beim Duroplast-Tapelegen durch Erwärmung mit Hilfe einer Heißgasdüse oder mittels IR-Strahler erhöht werden. Jedoch reicht dies nicht für eine ausreichende Anhaftung der ersten Lage. Zur Lösung des Erstlagenproblems bedient man sich zweier Alternativen. Entweder wird ein klebriger Film in Form einer Folie auf die Werkzeugoberfläche drapiert oder aber ein „Tackifier“ aufgebracht. Zur Erzeugung eines Tackifiers werden z. B. 200 g des Tape-Materials in 400 g Lösungsmittel eingelegt, um das Harz zu lösen. Das gelöste Harz wird nun mit einem Tuch auf der Werkzeugoberfläche aufgebracht und dient somit als erste klebende Schicht. Dieser Prozess muss wenigstens 15 min vor dem eigentlichen Legeprozess abgeschlossen sein, damit ausreichend Zeit zur Verflüchtigung des Lösungsmittels verbleibt [3].

Zur Kompaktierung der Tapes auf dem Laminat wird eine gummibeschichtete Rolle verwendet. Wie zuvor beim Kontur-Tapelegen die Segmentierung ermöglicht auch hier die Gummibeschichtung ein geometrie-adaptives Ablegen der Tapes. Die anpassungsfähigere Lösung der Segmentierung kann für diesen Prozess nicht umgesetzt werden, da es aufgrund der zahlreichen einzelnen Tapes ohne gemeinsame Schutzfolie sonst zu einem Verklemmen oder Verhaken der Tapes zwischen den Rollensegmenten kommt.

Auszug aus

Handbuch Verbundwerkstoffe

Herausgeber: Manfred Neitzel, Peter Mitschang, Ulf Breuer
07/2014, 576 Seiten, € 179,99
ISBN: 978-3-446-43696-1
Seite 349
Literaturhinweis

[1] Kisch, R.: Automated fiber placement, in: Mamidala Ramulu (Supervisor): Seminars in Manufacturing Management, Lecture at the University of Washington, ME518 Seminar 2, 6th April 2000

[2] Tsai, S. W.; Springer, G. S.; Enders, M. L.: The Fiber-Placement Process, ICCM 8, Composites, Vol. 2, sections 12 - 21, p. 14B1 - 14B11

[3] Evans, D. O.: Fiber Placement, Cincinnati Milacron, 9.11.1995

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