OTOMcomposite startet fortschrittliche Software für Laser-unterstütztes Bandlegen & Wickeln in Composites 4.0

OTOMcomposite (Enschede, Niederlande) ist ein Startup, das Engineering-Services und Software für Automatisierte Faserablage (AFP), Laser-unterstütztes Bandlegen (LATP) und Laser-unterstütztes Bandwickeln (LATW) Technologie anbietet. LATP und LATW sind vielversprechende Fertigungstechniken zur Produktion fortschrittlicher Thermoplast-Composite-Komponenten (siehe Herausforderungen von LATW). Die Hauptelemente dieses Prozesses sind in Abb. 1 gezeigt. (Für mehr Details siehe „Dry fiber placement: Surpassing limits“).

Abb. 1. Die Hauptelemente von Laser-unterstütztem Bandlegen (LATP) und Bandwickeln (LATW) Prozessen. Foto: „Temperature variation during continuous laser-assisted adjacent hoop winding of type-IV pressure vessels“ by Amin Zaami, et. al.

Eine vollautomatische Ein-Schritt-Fertigung kann in diesen Prozessen erreicht werden, wenn die faserverstärkten Prepreg-Bänder „in-situ“ konsolidiert werden, was Produktionskosten reduzieren und Post-Konsolidierungs- oder Aushärtungsschritte eliminieren kann. Trotz der Vorteile dieser Fertigungstechniken ist es eine schwierige Aufgabe, den Prozess vorherzusagen und zu kontrollieren, einschließlich Laminattemperatur, Kristallinität in seiner Thermoplast-Matrix, Eigenspannungen und Gesamtqualität. Diese werden beeinflusst durch Laserbestrahlung und -reflexionen (siehe Abb. 2 unten), lokale Werkzeuggeometrie, erreichte Konsolidierung und spezifische Prozessparameter.

OTOMcomposite spielt eine Rolle in der vitalen Fähigkeit, Prozesstemperatur während LATP und LATW gründlich zu analysieren, was kritisch für die resultierenden Bauteileigenschaften und -performance ist.

Softwareentwicklung nach ambliFibre Projekt

Entwicklung modellbasierter Inline-Prozesssteuerung für LATW/LATP-Prozesse begann an der Universität Twente im EU-geförderten ambliFibre-Projekt. In enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT, Aachen, Deutschland) wurden während/nach diesem Projekt mehr als 20 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht. 2017 sah Dr. Amin Zaami das Potenzial, ein kommerzielles Tool für LATP/LATW-Prozesse zu produzieren und begann mit der Entwicklung des OTOM (Optical Thermal Optimization Model) Tools, das fortgeschrittene Finite-Elemente-Modellierung (FEM) und Raytracing kombiniert.

Raytracing ist eine Technik, die den Lichtpfad verfolgt und die Effekte seiner Begegnungen mit Objekten während des AFP-Prozesses simuliert. Das Raytracing-Optikmodell liefert Wärmefluss-Randbedingungen vom AFP-Laser für FE-Analyse. Kombiniert mit AFP-Steuerungssoftware – die typischerweise nicht auf die Bindungs-/Heizphase fokussiert, sondern ausschließlich auf Positionierung und Geschwindigkeitskontrolle – ermöglicht OTOM einen schnelleren Pfad zu optimierter Verarbeitung des Thermoplast-Composite-Bauteils und Performance.

Trial-and-Error durch 4.0 Digital Manufacturing ersetzen

OTOM V.1.20 Software soll reportedly die Trial-and-Error-Phase in LATP/LATW-Prozessen entfernen. Je nach Produktkomplexität kann der Durchsatz um mehrere hundert Prozent verbessert werden, besonders für New Product Development (NPD). Dies resultiert wiederum in signifikanten Reduktionen der für Design, Checkout-Versuche und Optimierung von Prozessparametern benötigten Zeit.

Abb. 2. Anisotrope Reflexion als Resultat der Laserinteraktion mit Prepreg-Band. Foto: „Optical characterization of fiber-reinforced thermoplastic tapes for laser-based composite manufacturing“ by Amin Zaami, et. al.

Abb. 3. Verschiedene Laser-Bestrahlungsgeometrien. Foto: „3D Numerical Modeling of Laser Assisted Tape Winding …“ by Amin Zaami, et. al.

Abb. 4. Geometrisch verändernde Substratkrümmung. Foto: „New process optimization framework for laser assisted tape winding of composite pressure vessels: Controlling the unsteady bonding temperature“ by Amin Zaami, et. al.

Der LATP/LATW-Prozess ist schwierig zu beschreiben, vorherzusagen und zu optimieren aufgrund der komplexen Geometrie, variierender Werkzeugkrümmung und anisotroper optischer und thermischer Eigenschaften der faserverstärkten Thermoplast-Composite-Bänder. Es gibt auch Probleme wie instabile Verarbeitung, Maschinenstillstand, Rauch durch Überhitzung, Materialdegradation, Squeeze-out (geschmolzene Matrix über Bandränder hinaus gedrückt) und die Notwendigkeit, Produktionszeit zu reduzieren. Diese können durch ein Tool wie OTOM gelöst werden, das Inline-Monitoring, modellbasierte Steuerung und Industry 4.0 Digital Manufacturing bietet.

Das langfristige Ziel von OTOM ist, robuste LATP/LATW-Bauteilproduktion zu erreichen, indem Variabilität im Fertigungsprozess kompensiert wird, um repetitive und vorhersagbare Bauteileigenschaften und -performance zu ermöglichen. OTOM wurde mit State-of-the-Art numerischen Techniken und experimentellen Studien validiert. Dieses Tool kann jeden Prozessparameter für ein spezifisches Optimierungsziel optimieren (z. B. optimierte Laserleistung finden, optimierten Laserwinkel zum beheizten Bereich finden) für höchste Prozesseffizienz und Produktqualität.

Interaktion des AFP-Lasers mit dem Composite-Laminat, Temperaturlokalisierung für geometrisch veränderndes Substrat und sogar Werkzeuggeometrie-Effekt können vollständig simuliert und optimiert werden, alles an einem Ort. Das multiphysik-basierte OTOM-Modellierungstool ebnet reportedly den Weg für einen digitalisierten LATP/LATW-Prozess, der überlegene finale Produktqualität bei minimierter Produktionszeit und -kosten bietet.

OTOMcomposite

2021 gestartet, bietet OTOMcomposite Services und Softwarelösungen für eine wachsende Anzahl von Organisationen, während das Geschäft nach der COVID-19-Pandemie wieder anzieht. OTOMcomposite bietet Engineering-Services für Kunden remote oder vor Ort, einschließlich Produktionslinien- und Produktqualitätsbewertung, Technologieberatung und maßgeschneiderte Engineering-Software. Diese Services werden Unternehmen und Forschungsorganisationen in Luftfahrt, Öl und Gas, Transport, Automobil und Grüne Energie bereitgestellt. OTOMcomposite verfolgt auch Kollaborationen mit anderen F&E-Abteilungen für Anwendung führender Technologien im Composite-Bereich sowie Teilnahme an öffentlich und privat geförderten F&E-Projekten. Für weitere Informationen kontaktieren Sie OTOMcomposite@outlook.com.