Digitalisierte Prozess- & Materialentwicklung

Eine konsequente Digitalisierung bildet heute vielfach die Grundlage für eine effiziente Produktentwicklung. In diesem Kompetenzfeld stehen die entsprechenden hard- und softwarebasierten „Werkzeuge“ selbst im Fokus und werden von den Grundlagen bis zur Anwendung erforscht.

Einen Kernbereich bildet die Prozessdatenerfassung. Unter der Prämisse „der richtige Sensor am richtigen Ort“ werden anwendungsspezifische, ganzheitliche Konzepte entwickelt und implementiert, wobei Studien mit Prozesssimulationen es ermöglichen, den Datenerfassungsaufwand zu minimieren und gleichzeitig die Aussagekraft zu maximieren. Neben dem Grundlagenthema der Ontologie umfasst dieser Forschungsbereich auch den Einsatz von Methoden des Maschinellen Lernens, wie z.B. dem Deep Learning, für eine effektive Datenanalyse und -verwertung. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Werkstoffsimulationen auf Mikroebene zur Vorhersage des Materialverhaltens bei Verarbeitung und Anwendung. Zusammen mit den anderen Kompetenzfeldern der Abteilung werden so durchgängige Multiskalen-Simulationsketten von der Faser bis zum Bauteil realisiert. Zum Aufbau des hierfür erforderlichen Materialverständnisses, für die Validierung der Modelle und für die Generierung von Inputdaten, erfolgt auch die Entwicklung innovativer experimenteller Methoden zur Charakterisierung des Verarbeitungsverhaltens von Halbzeugen.

Die benannten Technologien werden für das ganze Spektrum der Verbundwerkstoff-Prozessketten und Materialien entwickelt. Einen besonderen Schwerpunkt bilden dabei aber die Flüssigimprägnierverfahren (LCM). Das wissenschaftliche Fundament bildet eine Grundlagenforschung hinsichtlich der Auswirkungen struktureller Materialvariationen und variierender Prozessbedingungen auf das Verarbeitungsverhalten der Materialien bei Preforming (z. B. Drapierverhalten) und Imprägnierung (z. B. Permeabilität). Experimentelle Studien auf selbstentwickelten Messsystemen werden dabei synergetisch mit selbstentwickelten Simulationsmethoden und erfassten Prozessdaten kombiniert, um ein vertieftes Prozess- und Materialverständnis zu erreichen. Auf dieser Basis erfolgt eine Neu- und Weiterentwicklung von Preform-LCM Technologien, inklusive der dabei eingesetzten Materialien, Werkzeuge und Anlagen.

Zusammenfassend bestehen wichtige Forschungsziele in der Entwicklung und Implementierung von hardware- (Sensorsysteme, maschinelles Sehen) und software- (Ontologie, KI-basierte Material- und Prozessanalyse, Mikroskalen-Materialsimulation) basierten Digitalisierungswerkzeugen für die Produktentwicklung mit Verbundwerkstoffen.

PD Dr.-Ing. habil.

David May

Techn.-Wiss. Direktor Digitalisierung & Kompetenzfeldleiter Digitalisierte Prozess- & Materialentwicklung

Spezielle Expertise: Prozessdatenerfassung, Experimentell-numerische Charakterisierung von Verarbeitungseigenschaften (insb. Permeabilität), Harzinjektion /-infusion

Raum: D.A.Z.

Spezielle Leistungsmerkmale

  • Patentierte Messsysteme für Ebenen- und Dickenpermeabilität
  • GeoDict© - Software für Materialsimulation
  • Fertigungskonzeptentwicklung inkl. Datenerfassungsstrategien
  • LCM-„one-stop-shop“: Werkzeugauslegung, Materialauswahl, Herstellung, Prüfung
  • RTM-Technologieträgerwerkzeuge mit umfangreicher Sensorausstattung
  • RTM-Injektionsanlagen für Duroplaste und reaktive Thermoplaste (z. B. ε-Caprolactam)
Branchen Anwendungen (Beispiele)
Mobilität Datenerfassung und durchgängige RTM-Simulationsketten
Sport & Freizeit Feststoffharze für den Yachtbau
Energie Infusionstechnologien für Rotorblätter

Werkstoffe und Fragestellungen

Typische Werkstoffe

  • Flüssig- und Feststoffharze, Acrylharz, reaktives PA6
  • Glas-/kohlenstofffaserbasierte Rovings und Textilien, neu und recycelt
  • Duroplastische und thermoplastische Bindermaterialien

Typische Fragen

  • Welche Sensortypen und -positionen liefern die aussagekräftigsten Prozessdaten?
  • Wie können Methoden des maschinellen Lernens zur Verwertung der Daten eingesetzt werden?
  • Wie können Herstellprozesse von der Faser bis zum Bauteil simuliert werden?
  • Welches Flüssigimprägnierverfahren ist für meine Anwendung geeignet?

Projekte in diesem Feld

Veröffentlichungen aus der IVW Schriftenreihe in diesem Kompetenzfeld

  • May, D.

    Prozessentwicklung für Faser-Kunststoff-Verbunde: Studien zu Verarbeitungseigenschaften von Halbzeugen als Basis einer ganzheitlichen Forschungsmethodik

  • Rimmel, O.

    Grundlagen der Imprägnierung von Dry Fiber Placement Preforms

  • Kühn, F.

    Sequenzielle Imprägnierung thermoplastischer Puler-Towpregs

  • Neumann, U.

    Kontinuierliches Ultraschall-Preformen zur Fertigung von CFK-Bauteilen in der Luftfahrt

  • Grieser, T.

    Textiles Formgebungsverhalten beim kontinuierlichen Preforming

  • May geb. Becker, D.

    Transversales Imprägnierverhalten textiler Verstärkungsstrukturen für Faserkunststoffverbunde

  • Arnold, M.

    Einfluss verschiedener Angussszenarien auf den Harzinjektionsprozess und dessen simulative Abbildung

  • Weiland, F.

    Ultraschall-Preformmontage zur Herstellung von CFK-Luftfahrtstrukturen

  • Rieber, G.

    Einfluss von textilen Parametern auf die Permeabilität von Multifilamentgeweben für Faserverbundkunststoffe

  • Molnàr, P.

    Stitching Technique Supported Preform Technology for Manufacturing Fiber Reinforced Polymer Composites

  • Ogale, A.

    Investigations of sewn preform characteristics and quality aspects fort he manufacturing of fiber reinforced polymer composites

  • Stadtfeld, H.

    Entwicklung einer Messzelle zur Bestimmung von Kompaktierungs- und Permeabilitätskennwerten bei flächigen Faserhalbzeugen

  • Mitschang, P. (Hrsg.)

    Prozessentwicklung und ganzheitliches Leichtbaukonzept zur durchgängigen, abfallfreien Preform-RTM Fertigung. BMBF Projekt - leider vergriffen!

  • Stöven, T.

    Beiträge zur Ermittlung der Permeabilität von flächigen Faserhalbzeugen

  • Weimer, C.

    Zur nähtechnischen Konfektion von textilen Verstärkungsstrukturen für Faser-Kunststoff-Verbunde

  • Kissinger, C.

    Ganzheitliche Betrachtung der Harzinjektionstechnik - Messsystem zur durchgängigen Fertigungskontrolle

  • Reuter, W.

    Hochleistungs-Faser-Kunststoff-Verbunde mit Class-A-Oberflächenqualität für den Einsatz in der Fahrzeugaußenhaut - leider vergriffen!

    Externe Veröffentlichungen „Imprägnier- & Preformtechnologien“

    Modeling transverse mirco flow in dry fiber placement preforms

    Journal of Composite Materials 04/2019

    https://doi.org/10.1177/0021998319884612

    Impact of Stitchin on Permeability and Mechanical Properties of Preforms Manufactured by Dry Fiber Placement, Polymer Composites 5/2018
    doi.org

    Out–of–plane capillary pressure of technical textiles

    Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 09/2019

    https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.105495

    Wet Fiber Placement: A novel manufacturing technology for continuous fiber reinforced polymer composites

    Journal of Composite Materials 06/2018

    https://doi.org/10.1177/0021998318786998

    Integrated Product Development with Fiber-Reinforced Polymers

    Integrated Product Development with Fiber-Reinforced Polymers | David May | Springer

    Evaluation of different bonding strategies for glass fibre-reinforced epoxy resin with embedded elastomer layers

    https://doi.org/10.1080/14658011.2022.2111512

    Out-of-plane permeability of 3D woven fabrics for composite structures

    The Journal of The Textile Institute 08/2019

    https://doi.org/10.1080/00405000.2019.1682759

    Recycling langer Kohlenstofffasern, Kunststoffe 5/2018
    www.kunststoffe.de

    In-plane permeability characterization of engineering textiles based on radial flow experiments: A benchmark exercise

    Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 06/2019

    https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.03.006

    A combined experimental–numerical approach for permeability characterization of engineering textiles

    https://doi.org/10.1002/pc.26064

    An overview on current manufacturing technologies: Processing continuous rovings impregnated with thermoset resin

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pc.26274

    Textile-Integrated Elastomer Surface for Fiber Reinforced Composites

    22nd Symposium on Composites 06/2019

    https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.809.53

    Development & Validation of Recycled Carbon Fiber-Based Binder Tapes for Automated Tape Laying Processes, Journal of Composite Materials 11/2018
    doi.org

    Metrological determination of inhomogeneous hydrodynamic compaction during unsaturated out-of-plane permeability measurement of technical textiles

    Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science 04/2019

    https://doi.org/10.1080/20550340.2019.1598049

    Out-of-plane permeability measurement for reinforcement textiles: A benchmark exercise

    https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359835X21002025

    Saturated out-of-plane permeability and deformation metrology of textiles at high levels of injection pressure

    https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/20550340.2022.2064070

    A Novel Simulative-Experimental Approach to Determine the Permeability of Technical Textiles

    22nd Symposium on Composites 06/2019

    https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.809.487

    Präzise Charakterisierung von Verstärkungstextilien
    PDF

    Dry fiber placement of carbon/steel fiber hybrid preforms for multifunctional composites

    Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science 03/2019

    https://doi.org/10.1080/20550340.2019.1585027

    Concept for Darcy-based viscosity measurement for fast-curing resin systems

    https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100881

    Structural topology optimization and path planning for composites manufactured by fiber placement technologies

    https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115488