OTOMcomposite entwickelt Software für die Composites 4.0-Produktion mit lasergestützter Bandplatzierung und -wicklung

OTOMcomposite (Enschede, Niederlande) ist ein Startup, das Engineering-Dienstleistungen und Software für die Technologie der automatisierten Faserplatzierung (AFP), der laserunterstützten Bandplatzierung (LATP) und der laserunterstützten Bandwicklung (LATW) anbietet. LATP und LATW sind vielversprechende Fertigungstechniken zur Herstellung fortschrittlicher thermoplastischer Verbundkomponenten (siehe Herausforderungen von LATW). Die Hauptelemente dieses Prozesses sind in Abb. 1 dargestellt. (Weitere Details finden Sie unter „Trockenfaserplatzierung:Grenzen überschreiten“).

Abb. 1. Die Hauptelemente der Laser-assisted Tape Placement (LATP) und Tape Winding (LATW) Prozesse. Bildnachweis:„Temperaturvariation während kontinuierlicher laserunterstützter benachbarter Ringwicklung von Typ-IV-Druckbehältern“ von Amin Zaami et. al.

Bei diesen Prozessen kann eine vollautomatisierte einstufige Fertigung erreicht werden, wenn die faserverstärkten Prepreg-Tapes „in-situ . konsolidiert werden “, was die Produktionskosten senken und Nachverfestigungs- oder Härtungsschritte eliminieren kann. Trotz der Vorteile dieser Herstellungstechniken ist es eine schwierige Aufgabe, den Prozess vorherzusagen und zu kontrollieren, einschließlich der Laminattemperatur, der Kristallinität in seiner thermoplastischen Matrix, der Restspannung und der Gesamtqualität. Diese werden durch die Laserstrahlung und Reflexionen (siehe Abb. 2 unten), die lokale Werkzeuggeometrie, die erzielte Konsolidierung und die spezifischen Prozessparameter beeinflusst.

OTOMcomposite spielt eine wichtige Rolle bei der entscheidenden Fähigkeit, die Prozesstemperatur während LATP und LATW gründlich zu analysieren, was für die resultierenden Teileeigenschaften und Leistung entscheidend ist.

Softwareentwicklung nach ambliFibre-Projekt

An der Universität Twente wurde im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ambliFibre mit der Entwicklung einer modellbasierten Inline-Prozesssteuerung für LATW/LATP-Prozesse begonnen. In enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT, Aachen, Deutschland) wurden während/nach diesem Projekt mehr als 20 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht. Im Jahr 2017 erkannte Dr. Amin Zaami das Potenzial, ein kommerzielles Werkzeug für LATP/LATW-Prozesse zu entwickeln, und begann mit der Entwicklung des OTOM-Werkzeugs (Optical Thermal Optimization Model), das fortschrittliche Finite-Elemente-Modellierung (FEM) und Raytracing kombiniert.

Raytracing ist eine Technik, die den Weg des Lichts verfolgt und die Auswirkungen seiner Begegnungen mit Objekten während des AFP-Prozesses simuliert. Das optische Raytracing-Modell liefert die Randbedingungen des Wärmeflusses vom AFP-Laser für die FE-Analyse. In Kombination mit der AFP-Steuerungssoftware – die sich normalerweise nicht auf die Klebe-/Erwärmungsphase konzentriert, sondern ausschließlich auf die Positionierung und Geschwindigkeitssteuerung – ermöglicht OTOM einen schnelleren Weg zur optimierten Verarbeitung des thermoplastischen Verbundteils und zur Leistung.

Trial-and-Error durch digitale Fertigung 4.0 ersetzen

Die OTOM V.1.20-Software soll die Trial-and-Error-Phase in . entfernen LATP/LATW-Prozesse. Je nach Komplexität des Produkts kann der Durchsatz insbesondere bei der Neuproduktentwicklung (NPD) um mehrere hundert Prozent verbessert werden. Dies führt wiederum zu einer erheblichen Reduzierung der Zeit, die für Design, Check-out-Versuche und Optimierung der Prozessparameter erforderlich ist.

Abb. 2. Anisotrope Reflexion durch Laserinteraktion mit Prepreg-Band. Bildnachweis:„Optische Charakterisierung faserverstärkter thermoplastischer Bänder für die laserbasierte Verbundherstellung“ von Amin Zaami et. al.

Abb. 3 . Verschiedene Laserstrahlungsgeometrien. Bildnachweis:„3D Numerical Modeling of Laser Assisted Tape Winding …“ von Amin Zaami et. al.

Feige . 4 . Geometrisch ändernde Substratkrümmung. Bildnachweis:„Neuer Prozessoptimierungsrahmen für das laserunterstützte Bandwickeln von Verbunddruckbehältern:Kontrolle der instationären Bondtemperatur“ von Amin Zaami et. al.

Der LATP/LATW-Prozess ist aufgrund der komplexen Geometrie, der unterschiedlichen Werkzeugkrümmung und der anisotropen optischen und thermischen Eigenschaften der verwendeten faserverstärkten thermoplastischen Verbundbänder schwer zu beschreiben, vorherzusagen und zu optimieren. Es gibt auch Probleme wie instabile Verarbeitung, Maschinenstillstand, Rauch von überhitztem Material, Materialabbau, Squeeze-out (geschmolzene Matrix wird über die Kanten des Bandes hinausgedrückt) und die Notwendigkeit, die Produktionszeit zu verkürzen. Diese können durch ein Tool wie OTOM gelöst werden, das Inline-Überwachung, modellbasierte Steuerung und digitale Industrie 4.0-Fertigung ermöglicht.

Das langfristige Ziel von OTOM besteht darin, eine robuste LATP/LATW-Teileproduktion zu erreichen, indem die Schwankungen im Herstellungsprozess ausgeglichen werden, um sich wiederholende und vorhersagbare Eigenschaften und Leistung von Verbundteilen zu ermöglichen. OTOM wurde mit modernsten numerischen Techniken und experimentellen Studien validiert. Dieses Tool ist in der Lage, jeden Prozessparameter für ein bestimmtes Optimierungsziel zu optimieren (z. B. Ermitteln einer optimierten Laserleistung, Ermitteln eines optimierten Laserwinkels zur erhitzten Zone), um die höchste Prozesseffizienz und Produktqualität zu erzielen.

Die Interaktion des AFP-Lasers mit dem Verbundlaminat, die Temperaturlokalisierung für ein sich geometrisch änderndes Substrat und sogar der Werkzeuggeometrieeffekt können vollständig an einem Ort simuliert und optimiert werden. Das multiphysikbasierte OTOM-Modellierungstool ebnet Berichten zufolge den Weg für einen digitalisierten LATP/LATW-Prozess und bietet eine überlegene Endproduktqualität bei minimierten Produktionszeiten und -kosten.

OTOMcomposite

OTOMcomposite wurde 2021 eingeführt und bietet einer wachsenden Zahl von Unternehmen Dienstleistungen und Softwarelösungen an, während sich das Geschäft nach der COVID-19-Pandemie erholt. OTOMcomposite bietet seinen Kunden technische Dienstleistungen aus der Ferne oder an ihrem Standort, einschließlich Qualitätsbewertung von Produktionslinien und Produkten, Technologieberatung und maßgeschneiderte Engineering-Software. Diese Dienstleistungen werden für Unternehmen und Forschungseinrichtungen in den Sektoren Luft- und Raumfahrt, Öl und Gas, Transport, Automobil und grüne Energie bereitgestellt. OTOMcomposite verfolgt auch die Zusammenarbeit mit anderen F&E-Abteilungen zur Anwendung führender Technologien im Zusammenhang mit Verbundwerkstoffen sowie die Teilnahme an öffentlich und privat finanzierten F&E-Projekten. Für weitere Informationen kontaktieren Sie [email protected].