Prozesstemperaturregelung in der laserunterstützten Verarbeitung von faserverstärkten thermoplastischen Verbundkunststoffen

• Process temperature control in laser-assisted processing of fiber-reinforced thermoplastic composites

Kukla, Christian; Brecher, Christian (Thesis advisor); Fleischer, Jürgen (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 35/2022
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird die Prozesstemperaturregelung in der laserunterstützten Verarbeitung von faserverstärkten thermoplastischen Verbundkunststoffen untersucht und diskutiert. Zu Beginn wird der Stand der Technik in Forschung und Industrie aufgezeigt. Faserverbundkunststoffe und ihre Verarbeitung in Form von UD-Halbzeugen bilden die Grundlage für das Prozessverständnis. Die zugehörigen Produktionssysteme und wichtige Komponenten und Technologien werden ebenfalls vorgestellt und ihre für diese Arbeit relevanten Schwächen diskutiert. Daraus ergeben sich die zu diskutierenden Forschungsthesen sowie die übergeordnete Forschungsfrage. Den Grundstein für die weitere Betrachtung des Prozesses bildet die theoretische Betrachtung des Tape-Verarbeitungsprozesses. Insbesondere die thermodynamische Betrachtung des Tape-Verarbeitungsprozesses befasst sich mit den Einflussgrößen im Aufwärmprozess. Die starke Instationarität des Prozesses und deren Ursachen werden herausgearbeitet und anschaulich dargestellt. Aufbau, Komponenten und modulare Steuerungsarchitektur des eingesetzten Tape-Verarbeitungssystems werden entworfen, entwickelt und vorgestellt. Dies ist eine erforderliche Grundlage für die Prozessuntersuchungen, die in den weiteren Kapiteln durchgeführt werden. Es folgt die Durchführung einer vollfaktoriellen Prozessuntersuchung, um damit in einer Datenanalyse den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Aufheizverhalten im Prozess zu erforschen und mit der theoretischen Betrachtung zu vergleichen. Eine Übereinstimmung der Ergebnisse der Prozessuntersuchung mit der theoretischen Betrachtung des Prozesses wird erfolgreich und übereinstimmend verifiziert. Auf diese Ergebnisse folgt die Analyse der aufgezeichneten Thermografiebilder, um Erkenntnisse für die digitale Bildverarbeitung in der Prozessautomation zu extrahieren. Mittels dieser Forschungsergebnisse erfolgt die Umsetzung einer Prozesstemperaturerfassung und Regelungsstrategie für die Prozesstemperatur. Als unterstützendes Mittel wird dabei ein Prozessmodell aus den vorhandenen Prozessdaten extrahiert. Während der Umsetzung werden verschiedene Ansätze für Regelung und digitale Bildverarbeitung miteinander verglichen und ihre Tauglichkeit bewertet. Die digitale Bildverarbeitung der Thermografiebilder sowie Regelungen für die Prozesstemperatur und die Lasereinstrahlverhältnisse in der Prozesszone werden erfolgreich implementiert und getestet. Den Abschluss bildet ein prozesstechnischer Machbarkeitsnachweis mit Hilfe des umgesetzten modularen Steuerungssystems. Dieser Nachweis zeigt, dass die gestellten Forschungsthesen und die übergeordnete Forschungsfrage positiv beantwortet werden können. Die Forschungsergebnisse dieser Arbeit erfüllen damit das gesteckte Ziel vollumfänglich.