Die kernlose Filamentwickeltechnik ist ein neuartiges robotergestütztes Fertigungsverfahren, bei dem vorimprägnierte Faserbündel in einem vordefinierten Muster ohne Form um Wickelpunkte gewickelt werden, wodurch Fachwerk- oder Gitterstrukturen entstehen. Durch die Flexibilität in der Formgestaltung und das Leichtbaupotenzial eignet sich das Verfahren nicht nur für den Architekturbereich, sondern auch als topologieoptimierte faserverstärkte Verbindungselemente oder Satellitenstrukturen.
Die endgültige Faserarchitektur ergibt sich aus der Faser-Faser- und Faser-Hülsen-Interaktion während des Prozesses sowie der Hülsenpositionierung und -orientierung. Aufgrund der Interaktion der Faserbündel während des Prozesses und der typischerweise großen Anzahl an Kreuzungspunkten in kernlos gewickelten Strukturen ist die analytische Berechnung der Faserarchitektur und der Bündelquerschnitte komplexer Strukturen eine Herausforderung. Ein präziser Faserbündel-Querschnitt ist erforderlich, um eine Überdimensionierung zu reduzieren und so den Materialbedarf zu reduzieren. Um vor der Fertigung detaillierte Daten zu erhalten und die Herstellung als Grundlage für die Struktur- und Prozessoptimierung virtuell nachzubilden, sind Ansätze zur Pfadplanung und Simulation des Fertigungsprozesses mit einem expliziten Finite-Elemente-Ansatz untersucht Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten.
Bewertung der Hülsenausrichtung durch Simulation des Herstellungsprozesses: (a) ursprüngliche Hülsenausrichtung (mit Wickelrahmen und partiellem Wickelpfad) und (b) optimierte Hülsenausrichtung. [Quelle: Kannenberg, F., Zechmeister, C., Gil Pérez, M., Guo, Y., Yang, X., Forster, D., Hügle, S., Mindermann, P., Abdelaal, M., Balangé, L., Schwieger, V., Weiskopf, D., Gresser, G. T., Middendorf, P., Bischoff, M., Knippers, J., & Menges, A. (2024). Toward reciprocal feedback between computational design, engineering, and fabrication to co-design coreless filament-wound structures. Journal of Computational Design and Engineering, 11(3), Article 3. https://doi.org/10.1093/jcde/qwae048]
Prozessworkflow zur Erstellung eines Roboterprogramms: Auf Basis der Eingabeparameter erfolgt eine parametrisierte Berechnung der notwendigen Umwicklungspfaden and den Hülsen und eine Berechnung der notwendigen Pfadposen. In einem nachgeschalteten Schritt wird die die Ausführbarkeit durch das verwendete Robotersystem über eine inverse Kinematik evaluiert und manuell oder algorithmisch optimiert.
Weiterführende Informationen & Förderprojekte
Ausgangssituation/Zielsetzung
- Erweiterung der adaptierbaren und skalierbaren Fertigungsplattform für die kernlose Wickeltechnik und damit das mögliche Designpotential durch Roboterkollaboration und einen autonomen mobilen Roboter (AMR)
- Vertiefung und Vereinfachung der Rückkopplung zwischen Fertigungsplanung und Designentwurf durch eine Teilautomatisierung als Grundlage für eine Optimierung des Prozesses und damit der Verbesserung der Nutzbarkeit für Nicht-Experten
- Verbesserung der simulativen und empirischen Prognostizierbarkeit und Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses
- Erweiterung der Fertigungstechnologie für eine Verwendung biobasierter konventioneller synthetischer Hochleistungsfasern für eine Nutzung von alternativen Materialsystemen
Kontakt
Weiterführende Informationen:
Sebastian Hügle
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter