Methode zur In-Situ Erfassung von wirkzonennahen Temperaturverläufen für das laserbasierte Automated Fiber Placement

Das laserbasierte Automated Fiber Placement (AFP) ist ein Verfahren zur in-situ-Herstellung von Leichtbaustrukturen aus kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten. Bei dieser Herstel-lungsweise werden dünne Streifen vorimprägnierter Faserbänder unter Einsatz eines Lasers und einer Andruckrolle kontinuierlich in-situ miteinander gefügt. Dieser reversible Fügeprozess führt zu Vorteilen wie einer verbesserten Recyclierbarkeit und dem Wegfall des energieinten-siven, nachträglichen Autoklavprozesses. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dem Autoklav gleichwertige mechanische Eigenschaften zu erzielen. Ein Schlüssel zur Bewälti-gung dieser Herausforderung ist die genaue Kenntnis der thermisch-mechanischen Belastung im Prozess. Aktuell verwendete Messtechnologien sind noch nicht in der Lage, die prozess-begleitende, kontinuierliche Erfassung der Temperaturhistorie in der fügerelevanten Prozess-zone zu leisten. Zwar kann die Temperatur vor und nach der Fügestelle durch Infrarot-Thermographie erfasst werden, jedoch ist die Fügestelle selbst durch die Andruckrolle ver-deckt. In das Laminat eingebrachte Thermoelemente oder faseroptische Sensoren messen die Temperatur nur punktuell und werden aktuell ausschließlich zur Modellvalidierung genutzt, wobei sie gleichzeitig als Störstellen agieren und die Temperatur über- bzw. unterschätzen können. Gegenstand des Projektes InSiTe war daher die grundlegende Untersuchung einer neuartigen Messmethode für das laserbasierte AFP. Durch die Integration faseroptischer Dehnungs-sensoren in die Mantelfläche der Andruckrolle zielt diese Messmethode auf die Erzeugung einer temperatursensitiven Oberfläche ab, die während der in-situ Herstellung kontinuierlich Kontakt im Bereich der Fügestelle hat. Da beim Fügen gleichzeitig mechanische und thermi-sche Belastungen wirken, wurde im Projekt zunächst eine Methode zur Kompensation der mechanischen Dehnung entwickelt. Diese Methode ermöglicht die Trennung der mechanisch induzierten Dehnungen von den für die Temperaturmessung relevanten thermisch induzierten Dehnungen. Die Untersuchungen im Projekt haben gezeigt, dass unter stationärer thermischer Belastung eine Temperaturmessung mit einer Messgenauigkeit von ±9 °C mit einer Tempera-turauflösung von 0,17 °C in einem Temperaturbereich bis 350 °C bei AFP äquivalenten Kon-takzeiten von 0,24 s erreicht werden kann. Unter instationären thermischen Belastungen mit hochdynamischen Wärmeströmen, die für das AFP charakteristisch sind, hat sich dagegen gezeigt, dass eine eindeutige Messung der Fügetemperatur aktuell noch nicht möglich ist. Dies ist auf dominante, prozessinhärente Wärmeströme zurückzuführen, die nicht in Richtung der Messfaser verlaufen. Perspektivisch müssen weitere Untersuchungen zur Reduktion der thermischen Trägheit des Sensorsystems sowie der gezielten Steuerung von Wärmeströmen im AFP-Prozess, z. B. durch temperierte Formwerkzeuge oder Konsolidierungsrollen, zur Be-fähigung dieser Messmethode für instationäre thermische Belastungen folgen.