Optidrap - Modellprädiktive Impedanzregelung pneumatischer Kontinuums-Aktoren im kontinuierlichen Nassdrapierprozess

Hochleistungsbauteile aus Faserverbundwerkstoffen mit komplexer Geometrie können automatisiert durch Drapierprozesse gefertigt werden. Die Formkomplexität wird dabei durch die Drapierfähigkeit des Systems und die kontrollierte Ablage des textilen Halbzeugs bestimmt. Simulationen zeigen, dass ein gleichmäßiger Spannungsausgleich durch die Ablage entlang einer geometriespezifischen Drapierlinie erreicht wird, die sich als 3D-Spline beschreiben lässt. Zur kontinuierlichen Andrückung des Textils entlang dieser Linie wurde ein formflexibles, pneumatisch betriebenes Andrückelement mit Kontinuums-Aktoren (KA) entwickelt. Im Forschungsvorhaben OptiDrap wird untersucht, wie durch adaptive Anpassung der Drapierlinie und modellbasierte Impedanzregelung der KA die Textilspannung aktiv gesteuert werden kann. Ziel ist die Erforschung und Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Textil, Werkzeuggeometrie und Andrückelement zur Entwicklung einer spannungsabhängigen Prozessregelung. Damit sollen Prozessverständnis, Fertigungsqualität und Produktivität deutlich verbessert werden.

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Prozess- und Systemmodells zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Textil, Werkzeugoberfläche und formflexiblem Andrückelement im kontinuierlichen Nassdrapierprozess. Dieses Modell soll die Grundlage für eine modellprädiktive Impedanzregelung bilden, mit der Kontinuums-Aktoren textilspannungsadaptive Drapierlinien umsetzen können. Dadurch wird ein aktiver Spannungsausgleich im Textil während der Ablage und somit ein faltenfreies Drapierergebnis auch bei hoher Formkomplexität ermöglicht. Teilziele sind: (1) die experimentelle und simulative Erfassung der Prozesswechselwirkungen, (2) die Erweiterung bestehender Modelle um eine räumliche Beschreibung der KA-Verformung unter realen Kräften und (3) die Entwicklung einer echtzeitfähigen Regelungsarchitektur zur adaptiven Prozesssteuerung.

Vorteile 

Durch die im Projekt entwickelten Modelle und Regelungsansätze ergeben sich mehrere Vorteile und ein hoher Praxisnutzen:

• Faltenfreie Bauteile: Durch den aktiven Spannungsausgleich wird die Drapierqualität deutlich verbessert, was Nacharbeit und Ausschuss reduziert.
• Steigerung der Produktivität: Der kontinuierliche, automatisierte Prozess verkürzt Fertigungszeiten und reduziert manuelle Eingriffe.
• Technologie- und Wissensvorsprung: Unternehmen gewinnen ein besseres Verständnis der komplexen Wechselwirkungen im Nassdrapieren und können dieses Wissen in neue Anwendungen übertragen.
• Wettbewerbsvorteil: Die verbesserte Prozessqualität und Effizienz stärken die Position in der Fertigung hochkomplexer Faserverbundstrukturen.

Vorgehen

Im Projekt wird das kontinuierliche Drapieren kohlenstofffaserbasierter Textilhalbzeuge experimentell untersucht, um die Wechselwirkungen zwischen Textil, Drapierkinematik und Oberflächengeometrie zu verstehen. Dazu werden Versuche mit unterschiedlichen Textilarten, Faserorientierungen und Bauteilgeometrien durchgeführt, die Textilspannung über die Breite gemessen und Drapierfehler erfasst. Aufbauend darauf wird das Prozessmodell erweitert, Drapierlinien werden geometrie- und spannungsabhängig berechnet. Parallel werden Kontinuums-Aktoren modelliert und in ein Systemmodell des Andrückelements integriert. Darauf aufbauend erfolgt die Entwicklung und experimentelle Verifizierung einer modellprädiktiven Impedanzregelung zur adaptiven Textilspannungskompensation während der Drapierung.

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