Angesichts ihres großen Innovationspotenzials etabliert sich die Faserverbundbauweise in vielen technischen Produkten vor allem im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Windkraftindustrie immer mehr. Ihre Verbreitung wird durch neue, automatisierte Verarbeitungstechniken wie das Automated Fibre Placement (AFP) oder das Automated Tape Laying (ATL) befördert. Diese Fertigungsverfahren haben bei komplexen Geometrien Defizite in Form von Ablagelücken (gaps) oder Überlappungen (overlaps). Mithilfe von Additiver Fertigung (3D-Druck) müssten sich diese Fertigungsdefizite verkleinern lassen. Die 3D-Drucktechnologien ermöglichen nicht nur die Herstellung kostengünstiger Bauteile in kleiner Stückzahl, sondern auch die von komplexen und individuellen Geometrien. Eine Kombination der beiden Fertigungstechnologien verspricht, gleichzeitig ihre Vorteile zu nutzen und ihre Defizite zu verringern.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird die Problemstellung anhand des AFP betrachtet und anschließend eine Lösung für diese Herausforderung vorgestellt. Beim Ablegen von Prepregs aus Faserverbundwerkstoffen können Lücken zwischen den einzelnen Prepregs entstehen. Insbesondere bei komplizierten Ablegestrategien und beim Ablegen auf doppelt gekrümmten Oberflächen treten Fehler auf. In einer Untersuchung des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) wurde gezeigt, dass eine Lücke von 0,76 mm die Laminat-Druckfestigkeit um bis zu 27 % reduzieren kann. Um die unvermeidliche Schwachstelle dieses Verfahrens zu überbrücken, werden mehrere Faserverbundschichten übereinander gelegt und die mechanischen Eigenschaften der Bauteile somit verbessert. Aus diesem Grund werden FVK-Bauteile schwerer und teurer in der Herstellung. Mit der vorliegenden Arbeit wird ein 3D-Druckkopf mit kontinuierlichen faserverstärkten, thermoplastischen Filamenten mit einem Ablegekopf kombiniert, der dieselben Materialien verarbeitet. Nach dem Ablegen der Prepregs auf der Werkzeugform werden die eventuell entstehenden Lücken durch einen Profilsensor erkannt und lokalisiert. Anschließend wird im Lückenbereich automatisch eine neue Bahn für den 3D-Druck generiert und mit kontinuierlichen faserverstärkten, thermoplastischen Verbundwerkstoffen gefüllt. Durch die Kombination der beiden Verfahren können Faserverbundkunststoffe (FVK)-Bauteile homogener hergestellt werden. Dadurch lassen sich die FVK-Bauteile schneller, kostengünstiger und unkomplizierter anfertigen, da auf zusätzliche Schichten verzichtet werden kann.
Die Forschungshypothese ist die Minimierung oder vollständige Beseitigung des Defizits im Tapelegeprozess durch den Einsatz von 3D-Druck mit kontinuierlicher Kohlenstofffaser und künstlichem Nuronal-Netzwerk. Angestrebt wird eine Kombination dieser 3 Methoden AFP, ALM und KNN in einem automatisierten Fertigungsprozess für FVK-Bauteile mit sechsachsigen Robotern.
Um die vorgestellte Methode zu realisieren, werden in der vorliegenden Arbeit die Methodik zur Gestaltung eines Ablage sowie eines 3D-Druckkopfs und die Steuerung und Regelung des Systems in Kombination mit einem Sechs-Achsen-Roboter vorgestellt. Außerdem werden die Grundsätze der Lückenerkennung, die Generierung der Bahnen von Ablagestrategien und die Generierung von Bahnen im Lückenbereich im Detail dargestellt. Die vorliegende Arbeit stellt zudem neue Module für AFP- und ALM-Anlagen zur Erhöhung der Laminatqualität von Faserverbundwerkstoff (FVW) dar und bewertet diese. Abschließend werden mit der AFP/ALM-Anlage verschiedene Proben gefertigt, optisch und mechanisch charakterisiert und die Wiederholbarkeit des gesamten Systems bewertet.