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 verhindern 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.
Further information & funding projects
Initial situation/objective
- Expansion of the adaptable and scalable manufacturing platform for coreless winding and thus extend the potential design possibilities through robot collaboration and an autonomous mobile robot (AMR)
- Deepening and simplifying feedback between production planning and design drafts through partial automation as a basis to optimizing the winding process and thus improve usability for non-experts.
- Improvement of the simulative and empirical predictability and reliability of the manufacturing process
- Expansion of manufacturing technology for the use of bio-based conventional synthetic high-performance fibers for the utilization of alternative material systems
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Sebastian Hügle
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter