Leseprobe 300332

DVSMediaGmbH

7. Doktorandenseminar

Klebtechnik

Vorträge der gleichnamigen Veranstaltung

in Wolfsburg

am 29. und 30. September 2016

Institut für Füge- und Schweißtechnik,

Abteilung Klebtechnik

Technische Universität Braunschweig

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und

Angewandte Materialforschung,

Bereich Klebtechnik und Oberflächen, Bremen

Institut für Mechanik,

Fachgebiet Numerische Mechanik

Universität Kassel

Institut für Schweiß- und Fügetechnik,

Abteilung Klebtechnik, RWTH Aachen

Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik,

Universität Paderborn

Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren,

Universität Kassel


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

Das Doktorandenseminar Klebtechnik findet mit wechselndem Veranstalter statt.

Das 7. Doktorandenseminar wurde vom Institut für Füge- und Schweißtechnik der Technischen

Universität Braunschweig veranstaltet.

DVS-Berichte Band 332

ISBN 978-3-945023-96-9

Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.

Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses Bandes oder von

Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.

© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2019

Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH, Hamm


Vorwort

Das siebte Doktorandenseminar fand unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Klaus Dilger in

Wolfsburg statt. Am 29. und 30. September 2016 wurde in dem Mobile Life Campus (MLC) in Wolfsburg

getagt, um Ergebnisse aus aktuellen Forschungsprojekten und Promotionsthemen vorzustellen. Dazu

folgten zehn Doktoranden von fünf Instituten und einem Fraunhofer-Institut zusammen mit ihren

Professoren und Gruppenleitern der Einladung des Braunschweiger Instituts für Füge- und

Schweißtechnik.

Die zweitägige Vortragsreihe wurde mit der Vorstellung eines messdatengestützten Produktionssystems

zur automatisierten klebtechnischen Montage von CFK-Großstrukturen eröffnet. Im Anschluss folgte die

Präsentation eines temperaturabhängigen TAPO-Modells für warmhärtende Strukturklebverbindungen in

Fertigungs- und Betriebsprozessen. Im Bereich der Versagensmechanik wurden die Analyse der

Schwingfestigkeit von geklebten Stahlverbindungen unter mehrkanaliger Belastung und die Abschätzung

des Verschleißes von Dosieranlagen durch abrasive Stoffe vorgestellt. Am zweiten Tag wurden Ergebnisse

aus Forschungsprojekten im Bereich der Brennstoffzellenforschung präsentiert, bei denen das Kleben von

metallischen und von graphitischen Bipolarplatten im Fokus lag. Des Weiteren wurde der

Temperatureinfluss auf das Versagensverhalten von zähelastifizierten Epoxidharzklebstoffen dargestellt.

Im Bereich der Vorbehandlung wurde auf die Anodisierung durch Anodisierklebebänder für

Aluminiumoberflächen eingegangen. Für den Einsatzbereich in der Medizintechnik wurde das

autoklavierbare Kleben von nichtrostenden Stählen präsentiert. Die Präsentationsreihe wurde mit der

Untersuchung und Bewertung verschiedener Schäftmethoden zur Strukturbearbeitung beim Kleben von

CFK beendet.

Das Rahmenprogramm bestand aus einer Architekturführung des Science Centers „Phaeno“ und der Open

Hybrid LabFactory (OHLF). Bei einem geselligen Abendessen wurden sowohl der fachliche Austausch als

auch das persönliche Kennenlernen gefördert. Besonderer Dank gilt der DECHEMA e.V., welche die

Veranstaltung finanziell unterstützte.


Vortragsabfolge

AUTOR TITEL SEITE

F. Ehmke geb.

Schmick

Messdatengestütztes Produktionssystem zur automatisierten

klebtechnischen Montage von CFK-Großstrukturen

1

P. Kühlmeyer Temperature dependent TAPO model for failure analysis of adhesively

bonded joints due to temperature induced manufacturing and service

loading

S. Çavdar Analyse der Schwingfestigkeit geklebter Stahlverbindungen unter

mehrkanaliger Belastung

D. Philipp Abschätzung des Verschleißes von Dosieranlagen durch abrasive

Klebstoffe

C. Tzschoch Kleben von graphitischen Bipolarplatten für den Einsatz in stationären

Brennstoffzellen

V. Beber Influence of Temperature on the Fatigue Behaviour of a Toughened Epoxy

Adhesive

L. Berndt Anodisierung mittels Anodisierklebebändern als Vorbehandlung von

Aluminiumoberflächen

S. Mechtold Autoklavierbare Verklebungen nichtrostender Stähle in der

Medizintechnik

9

23

33

47

57

62

70

Autorenverzeichnis 78


Automatisierter Festshim-Prozess in der klebtechnischen Montage

groß-volumiger CFK-Flugzeugstrukturen

F. Schmick, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Stade

J. Wollnack, Technische Universität Hamburg, Hamburg

Diese Veröffentlichung führt eine erweiterte Methode zur Generierung von 3D Druckmodellen von individuellen Fügespalten

in der automatisierten Montage von großen Faserverbundstrukturen ein. Hierfür wurden automatisierte

Prozesse der klebtechnischen Montage, wie die Oberflächentopographievermessung, die virtuelle Montagesimulation

und die additive Fertigung nach dem Smart Factory Leitsatz kombiniert und um eine Methode erweitert, welche

eine automatisierte Erstellung von Volumenmodellen von Klebspalten aus nicht zusammenhängenden Punktwolken

ermöglicht. Das Verfahren wird am Anwendungsfall der Seitenleitwerksmontage validiert.

1 Einleitung

Die Flugzeugindustrie stellt sich der Herausforderung des hohen Absatzes ihrer Produkte durch eine zunehmende

Automatisierung der Produktion. Automatisierte Prozesse werden in der Serienfertigung implementiert, um die Fertigungseffizienz

zu erhöhen. Zeitgleich werden mehr und mehr Bauteile in modernen Transportmitteln aus leichten

Faserverbundwerkstoffen hergestellt, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Das Wissen um den Umgang

mit Faserverbundwerkstoffen ist dabei noch nicht so weit entwickelt wie das mit metallischen Werkstoffen.

Insbesondere die automatisierte Montage von großvolumigen Faserverbundstrukturen ist aufgrund der geometrischen

Abweichungen der Bauteile von den Konstruktionsvorgaben hoch komplex. Diese geometrischen Abweichungen

von Ihrem Soll entstehen im Fertigungsprozess der Einzelbauteile und erschweren die Montage. Um eine Automatisierung

dieser Bauteile zu ermöglichen, werden intelligente und adaptive Prozesse benötigt, welche auf diese

Toleranzen reagieren. Dies wird unter anderem durch inline Geometriemesssysteme erreicht, welche in cyber-physischen

Systemen genutzt werden, um flexible Montageprozesse anzupassen [1]. Die Automatisierung der Montageprozesse

bietet weiterhin ein hohes Potential neben der Produktivitätssteigerung auch die Qualität und deren Dokumentation

zu verbessern. Dies kann durch den Industrie 4.0 Ansatz mit einer Vernetzung der Anlagenkomponenten

und einer durchgängigen und konsistenten Datenerfassung während der Produktion erreicht werden.

Einer dieser vernetzten und adaptiven Prozesse ist der toleranzangepasste Shimprozess in der Flugzeugindustrie.

Shim ist ein flüssiges oder festes Material, welches zur Füllung von Montagespalten genutzt wird und Bauteile temporär

während der Montage fixiert, siehe Bild 1.

Bild 1. Schematische Darstellung des Fügequerschnitts zweier Fügepartner

Ist der Spalt zwischen den beiden Fügeteilen klein, wird Sealant zur Füllung aufgetragen, wird der Spalt größer,

muss nach Vorschrift Flüssigshim verwendet werden. Die Applikation von Flüssigshim ist dabei schon automatisiert

und demonstriert worden, siehe Bild 2 und [2]. Die Menge an aufzutragendem Flüssigshim wird der Spaltgröße angepasst,

sodass in Regionen mit kleineren Spalten weniger und in Regionen mit größeren Spalten mehr Shim appliziert

wird. Jedes Shimmaterial ist dabei bis zu gewissen maximalen Spaltgrenzen spezifiziert. Wenn der Spalt zwischen

zwei Bauteilen beispielsweise größer ist als 1,5 mm, wird kein Flüssigshim mehr verwendet, sondern Festshim,

um die Spalte zu füllen. Die Herstellung von Festshim wird Stand heute manuell durchgeführt und benötigt viel

Prozesszeit.

DVS 332 1


Bild 2. Automatisierte Montage von CFK Strukturen © Fraunhofer IFAM

Diese Veröffentlichung beschreibt wie die interdisziplinären Forschungsfelder der Klebtechnik und Prozesstechnik,

der optischen 3D Oberflächentopographiemessung und einer virtuellen Montagesimulation zusammen mit einem

neu entwickelten 3D Modellierungsalgorithmus gekoppelt werden können, um Montagespalte automatisiert mit Festshim

zu füllen.

2 Stand der Technik

2.1 Additive Fertigung in der Luftfahrtindustrie

Rapid Manufacturing beschreibt die Nutzung von computer aided design (CAD)-basierten automatisierten additiven

Fertigungsverfahren zur direkten Fertigung von endkonturnahen Bauteilen [3]. Selbst Kleinserien oder hoch individuelle

Teile lassen sich so produktiv herstellen. Derzeit ist unter anderem die Titanlegierung TiAl6V4 luftfahrtqualifiziert

und wird in mehreren Anwendungen auf Eignung geprüft [4]. Stand heute werden von der Firma CFM International

3D Einspritzdüsen in der Serienfertigung im Druckverfahren hergestellt und dadurch die Fertigungszeit durch

Entfall von Nacharbeiten am Produkt reduziert [5].

2.2 Manuelle Montageprozesse von Flugzeugprimärstrukturen

Flugzeugprimärstrukturen, wie Rumpfelemente oder die Leitwerke eines Flugzeugs, haben hohe Anforderungen an

die Fertigung der Einzelkomponenten und die Montage. Heute werden solche Strukturen manuell in großen Stahlvorrichtungen

montiert, die durchgeführten Montageprozesse sind im Prozessflussdiagramm in Bild 3 dargestellt.

Preassembly

Measure gap

size and

disassemble

Material

decision

Solid Shim

Liquid

Shim

Sealant

Manual

manufacturing

of individual

shim plate

Pick shim

plate

Apply release

film or release

agent

Manual

application of

shim

Manual

application

Assembly

and joining

Assembly and

joining

Final curing

Curing

Disassembly

Cleaning

surfaces and

quality

control of

shim

Bild 3. Prozessflussdiagramm Primärstrukturmontage nach dem Stand der Technik

2 DVS 332


Zuerst werden die einzelnen Komponenten in starren Vorrichtungen ohne Shim vormontiert. Es werden anschließend

die Spalte zwischen den Komponenten mittels Fühlerlehren manuell gemessen und dokumentiert. Daraufhin

werden die Komponenten wieder demontiert. Je nach Spaltgröße entscheidet der Werker, welches Shimmaterial

zum Einsatz kommen muss. Vor der Applikation des Materials klebt er Trennfolien auf die Fügeflächen auf und

appliziert anschließend das Material manuell. Daraufhin werden die Komponenten wieder montiert und gefügt. Anschließend

erfolgt die Aushärtung des Shims. Nach einer vorgeschriebenen Aushärtezeit von mehreren Stunden

werden die Komponenten demontiert und eine optische Qualitätssicherung durchgeführt. Dazu werden die ausgehärteten

Shimplatten auf Defekte wie Lufteinschlüsse oder nicht ausgehärtete Bereiche überprüft. Bei positiver Prüfung

werden die Komponenten final montiert, indem die Trennfolien entfernt werden, die Oberflächen erneut gereinigt

werden, manuell Sealant aufgetragen wird, das ausgehärtete Shimplättchen aufgeklebt wird und die Bauteile in der

Vorrichtung eingespannt werden und aushärten.

2.3 Automatisierte Montageprozesse von Flugzeugprimärstrukturen

Eine der herausforderndsten Anwendungsfälle der automatisierten Montage ist die Montage der Primärstruktur im

Flugzeugbau.

Hohe qualitative Anforderungen und enge Toleranzen innerhalb der Fertigung und Montage zusammen mit großvolumigen

Faserverbundbauteilen führen zu komplexer Hard- und Software. Ein Beispiel ist die Montage von Stringern

in Hautfelder [6]. Hierbei werden Laser Tracker Systeme zur Positionierung der Industrieroboter verwendet, um

die Toleranzen einzuhalten. Die automatisierte Montage von Spanten in diese mit Stringern ausgerüsteten Hautfelder

unter Support eines Laser Trackers ist in [7] beschrieben. Eine weitere Anwendung ist die Montage eines Seitenleitwerks

der nächsten Flugzeuggeneration (VTP-NG). Der konstruktive Aufbau eines solchen Seitenleitwerks ist in [8]

dargestellt, die automatisierte Montage wird in [2] und [9] skizziert. Die Prozesskette der automatisierten Montage

solcher Strukturen ist schematisch in Bild 4 abgebildet.

Measure part

surface

Virtual

assembly

Calculate

joining gap

Material

decision

Solid Shim

Liquid

Shim

Sealant

Additive

manufacturing

of individual

shim plate

Manual

manufacturing

of individual

shim plate

Pick shim

plate

Apply release

film or release

agent

Manual

application of

shim

Manual

application

Assembly

and joining

Build volume

body of shim

Assembly and

joining

Final curing

Curing

3D print shim

plate

Disassembly

Cleaning

surfaces and

quality

control of

shim

Bild 4. Prozessflussdiagramm automatisierte Primärstrukturmontage

Die Bauteile werden hierbei nicht mehr vormontiert, sondern virtuell montiert. Dazu wird die gesamte Anlage inklusive

der Industrieroboter, Vorrichtungen und Bauteile mittels Laser Tracker und anderer Messinstrumente referenziert.

Die Bauteile werden in Haltevorrichtungen eingelegt und die Fügeflächen optisch gemessen. Das digitale

Abbild dieser Oberflächen liegt als Punktwolke vor. Im weiteren Schritt werden die Bauteile virtuell montiert und der

Spalt zwischen diesen berechnet [7]. Je nach Spalt entscheidet der Prozess selbständig, welches Material eingesetzt

werden muss und leitet die entsprechenden Prozesse ein. Liegt nur ein sehr kleiner Spalt vor, der mit Sealant gefüllt

werden kann, wird der wie in Bild 4 beschriebene grüne Pfad durchlaufen. Sollte der Spalt größer sein, wird der

Flüssigshimprozess (gelb) oder Festshimprozess (rot) eingeleitet. Der Flüssigshimprozess wurde schon automatisiert,

mit diesem ist es möglich adaptiv an den Klebspalt angepasst Klebstoff direkt mit einem Roboter mit angeschlossener

Dosieranlage zu applizieren [7]. Ebenso ist das automatisierte Sealen schon gezeigt worden [2].

Das automatisierte Füllen mit Festshim ist dagegen aufgrund der Prozesskomplexität noch nicht automatisiert worden

und Teil dieser Arbeit. Der aktuelle Prozess ist zeitaufwändig, da die einzelnen Festshimplatten per Hand durch

DVS 332 3


Schleifen oder mittels eines CNC Bearbeitungsprozesses angefertigt werden (roter Pfad). Ziel ist die automatisierte

Anfertigung individueller Festshimplatten, welche möglichst genau in die zuvor berechneten Montagespalte passen

(blauer Pfad). Dies führt zu einer Reduktion der Prozess- und Anlagenbelegungszeit, ermöglicht eine just-in-time

Fertigung der Festshimplatten ohne Lagerhaltung und zugleich eine hohe Qualität des Fügeprozesses durch eine

gute Füllung der Montagespalte.

3 Methode

Das Ziel ist die automatisierte Generierung von Festshim-Volumenmodellen auf Basis der virtuellen Montagemethodik

zur Nutzung in einem additiven Fertigungsprozess. Dazu wurde ein Montagedemonstrator zur Vorentwicklung

erstellt und die Methode im Anschluss in einem Anwendungsfall der Flugzeugstrukturmontage validiert. Dieser

Anwendungsfall ist die Montage eines Seitenleitwerks aus Faserverbundmaterialien.

Wie im vorigen Kapitel beschrieben, ist dazu die optische 3D Vermessung der Fügeflächen und die virtuelle Montage

der vermessenen Bauteile erforderlich. Nach diesen Schritten liegen zwei ausgerichtete Punktwolken (die zwei

digitalen Abbilder der Fügeflächen der zwei Fügekomponenten) vor, die unzusammenhängend sind. Der Abstand

der einzelnen Punkte zwischen den Punktwolken stellt den Fügespalt dar. Ist der Spalt nun größer als die Flüssig

shimgrenze, wird der entwickelte Algorithmus gestartet, welcher die zwei unzusammenhängenden Punktwolken zu

einem druckbaren Volumenmodell umwandelt. Die im Folgenden beschriebene Methodik inklusive der daraus abgeleiteten

Ergebnisse ist zuvor in [10] veröffentlicht worden und wird für diese Arbeit übersetzt und leicht abgewandelt.

Der Algorithmus gliedert sich in mehrere Schritte:

Zunächst wird die relative Punktwolkenposition ermittelt, um festzustellen, welche Punktwolke die „obere“ und welches

die „untere“ ist. Dazu werden die z-Werte der Mittelpunkte der Punktwolken verglichen.

Daraufhin werden in den Punktwolken sämtliche Duplikate an Punkten gelöscht. Solche Duplikate führen im späteren

Verlauf zu fehlerhaften Flächen und damit zu nicht druckbaren Modellen. Duplikate von Punkten treten dabei

durch Fehler während der Messdatenaufnahme auf oder durch Fehler in der Messsoftware beim Export. Um diese

Duplikate zu eliminieren, wird ein Voxel Grid Filter verwendet, wobei die Voxel Größe signifikant kleiner als der

Punktabstand innerhalb der Punktwolke gewählt wird [11].

Beide Punktwolken haben häufig unterschiedliche Abmessungen. Häufig ist eine Punktwolke kleiner als die andere,

siehe Bild 5. Aus diesem Grund ist es notwendig die größere der beiden Punktwolken auf die Größe der Fügeregion

und damit der kleineren Punktwolke zu beschneiden. Um zunächst die kleinere Punktwolke zu identifizieren,

werden die Punktwolkengrößen verglichen. Dies ist allerdings nur bei gleicher Punktwolkendichte möglich, die hier

durch das gleiche Scanverfahren und die gleichen Scanparameter gegeben ist. Es wird ein k-nächste-Nachbarn-

Algorithmus (siehe dazu auch [12]) in der größeren Punktwolke mit k=1 und jedem Punkt der kleineren Punktwolke

als Suchpunkt durchgeführt.

Bild 5. Schematische Darstellung der zwei Punktwolken (blau und orange) und die markierte Fügeregion (rotes Rechteck)

Nach diesem Prozessschritt sind beide Punktwolken von derselben Abmessung, welche die Fügeregion beschreibt.

Da Flugzeugprimärstrukturen und damit die einzelnen Bauteile und Fügestellen die aktuell verfügbaren 3D Druckergrenzen

überschreiten, werden die Fügeregionen in druckbare Bereiche untergliedert, siehe Bild 6.

Bild 6. Unterteilung der zwei Punktwolken (blau und orange) in druckbare Einzelteile

4 DVS 332


Die Größe jedes dieser Unterteile hängt von der Beschränkung des Druckers ab und kann im Algorithmus als Eingangsparameter

angegeben werden.

ss UUUUUUUUUUUUUUUUUU =

ss BBBBBBBBBBBBBB

ss MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMh

Daraufhin wird jedes Unterteil einzeln und unabhängig voneinander weiterverarbeitet. Dazu werden jeweils die nicht

zusammenhängenden Punktwolken mit einem Greedy Flächentriangulationsalgorithmus in Flächen gewandelt [13].

Diese zwei unverbundenen Flächen müssen im weiteren Verlauf an ihren Randbereichen geschlossen werden, um

ein druckbares Volumenmodell zu ermitteln. In [10] ist detaillierter beschrieben, wie weitere Prozessschritte nicht

gewünschte Bereiche aus dem Volumenmodell entfernen können. Dies können beispielsweise Bereiche in dem Modell

sein, die unterhalb der Festshimgrenze liegen und somit mit Flüssigshim gefüllt werden können. Dadurch werden

nur Regionen gedruckt, die laut Anforderung und Materialspezifikation als Festshim in den Fügespalt eingeführt werden

sollen. Das Schließen der Flächen zu einem Volumenmodell erfolgt mittels dynamischer Polygonerzeugung an

den Flächenkonturen. Dazu werden im ersten Schritt alle Konturpunkte I1 und I2 der Flächen durch einen Grenzpunktextraktionsalgorithmus

ermittelt. Die Anzahl der Konturpunkte der oberen und unteren Wolke muss für die weitere

Verarbeitung identisch sein, weshalb erneut ein k-nächste-Nachbarn Algorithmus mit k=1 angewendet wird,

wobei die Konturpunkte der oberen Wolke als Suchpunkte eingesetzt werden. Sollte die obere Punktwolke eine

höhere Punktdichte aufweisen als die untere, würde nicht jeder Konturpunkt mit der anderen Wolke über ein Polygon

verbunden werden. Die verbindende Randfläche wird anschließend durch Polygone Pi aus den Randpunkten I erzeugt,

siehe Bild 7.

Bild 7. Schließung des Volumenmodells mittels dynamischer Polygonerzeugung an den Flächenkanten

Für die Erzeugung der Polygone gilt:

PP 0 = II 1,0 , II 2,0 , II 1,1

PP 1 = II 2,0 , II 2,1 , II 1,1

PP 2 = II 1,1 , II 2,1 , II 1,2


PP ii−1 = II 1,sssssseeII −1, II 2,sssssseeII −1, II 1,0

PP ii = II 2,sssszzeeII −1, II 2,0 , II 1,0

Dabei ist die Reihenfolge der Indices zur Erzeugung der Polynome relevant, weil ansonsten die Oberflächennormale

der Polygone mal in und mal aus dem Volumenmodell zeigen. Dies würde zu einem nicht druckbaren Volumenmodell

führen.

Während des Prozessschrittes der Flächengenerierung treten häufig Fehler auf, die auch in [14] beschrieben sind.

Zusätzlich können während der Schließung der Randkontur mit Polygonen Fehler entstehen, wenn Konturpunkte

falsch oder gar nicht extrahiert wurden. Dies führt zu Löchern in der Fläche und damit zu einem nicht geschlossenen

und nicht druckbaren Volumenmodell. Solche Fehler werden häufig manuell mit Tools und kommerzieller Software

nachgebessert. Für diese Arbeit wurde ein Algorithmus speziell für die auftretenden Fehler entwickelt, welches Löcher

in der Fläche sucht, indem es die Anzahl der unverbundenen Polygonkanten vergleicht. Sollte eine Polygonkante

keine Kante eines Nachbarpolygons aufweisen, wird dieses als Loch aus der Flächenrückführung erkannt.

Nachdem alle einfach vorhandenen Polygonkanten gefunden wurden, werden alle Kanten verbunden, die gleiche

Punktindices aufweisen. Die so verbundenen Kanten werden durch ein Polygon aus drei korrespondierenden Punkten

geschlossen. Dieser Schritt wird durchgeführt bis keine freien Kanten mehr detektiert werden und damit die

Löcher gefüllt sind.

Schließlich wird das geschlossene Volumenmodell als .stl und .vtk Datei exportiert. Sollte das Bauteil zuvor in mehrere

druckbare Unterteile aufgeteilt worden sein, werden nun für die restlichen Teile iterativ alle Prozessschritte

durchgeführt und die Bauteile im Anschluss von einem 3D Drucker eingelesen und gedruckt.

DVS 332 5


4 Ergebnisse

Die entwickelte und programmierte Methode wird auf erzeugten Punktwolken aus der automatisierten Montage von

Seitenleitwerken angewendet. Die relevanten Prozessschritte werden nacheinander vorgestellt und die Ergebnisse

visualisiert. Es wird nur jeweils eine Subkomponente dargestellt, da die Schritte für jede dieser Subkomponenten

wiederholt werden und sich nicht signifikant unterscheiden. Wie im vorigen Kapitel dargelegt, wurden die folgenden

Ergebnisse zum Teil in ähnlicher Form in [10] veröffentlicht und hier übersetzt und leicht abgewandelt.

Zuerst wird die relative Punktwolkenposition ermittelt. Die eingescannten Oberflächen ergeben eine Punktwolkengröße

von 6957 Punkten und 4486 Punkten pro Punktwolke. Da beide Punktwolken nach der virtuellen Montage sich

weder schneiden noch verdreht zueinander sind, enthält der Mittelpunkt jeder Punktwolke genügend Informationen

zur Trennung der oberen von der unteren Punktwolke.

Im weiteren Verlauf werden eventuell vorhandene duplizierte Punkte eliminiert. Im vorliegenden Anwendungsfall

müssen keine duplizierten Punkte gelöscht werden. Da dieser Prozessschritt nur als Absicherung gegen mögliche

Messfehler implementiert wurde, ist das Ergebnis so erwartet worden.

Es folgt die Reduktion der größeren Punktwolke auf die Abmessung der kleineren Punktwolke und damit auf die

Größe der Fügezone. Ein Vergleich der Größenanpassung ist in Bild 8 gegeben. Die größere der beiden Punktwolken

(blau dargestellt) zeigt den abgescannten Bereich der Schale des Seitenleitwerks. Die orange dargestellte Punktwolke

bildet die zu montierende Rippe ab und ist kleiner. Die blaue Punktwolke wird in diesem Prozessschritt auf die

Größe der orangenen reduziert. Insgesamt wurden 115 Punkte der blauen Punktwolke gelöscht.

Bild 8. Punktwolken vor und nach der Größenanpassung (nach [10])

Der eingesetzte Drucker hat einen maximalen Arbeitsraum von 125 mm, was in diesem Fall in fünf Unterbauteile

resultiert, siehe Bild 9.

Bild 9. Punktwolkenunterteilung in druckbare Einzelbauteile (nach [10])

Des Weiteren ist die untere Punktwolke nach Durchführung des Voxel Grid Filters um 20 Punkte reduziert worden.

Nach Unterteilung der Bauteile in druckbare Einzelbauteile, werden die zwei unzusammenhängenden Punktwolken

separat voneinander zu Flächen gewandelt. Zusätzlich wird ein in dieser Arbeit nicht weiter beschriebener Algorithmus

zur Elimination von unnötigen Festshimregionen angewendet, wie in [10] beschrieben. Dieser resultiert in Löchern

im späteren gedruckten Bauteil. An diesen Stellen ist der Spalt zwischen den Bauteilen kleiner als die Festshimgrenze

und wird damit mit Flüssigshim aufgefüllt. Das Ergebnis nach diesem Schritt ist in Bild 10 abgebildet.

6 DVS 332


Bild 10. Bauteil nach der Flächenerzeugung (nach [10])

Darauf folgt der Schritt des Verbindens der Flächen zu einem geschlossenen Volumenmodell. Die Konturpunkte

werden dazu extrahiert und mit Polygonen vernetzt. Da der Randbereich mit wenigen Millimetern sehr dünn ist, ist

in Bild 11 ein vergrößerter Ausschnitt dargestellt.

Bild 11. Erzeugte Konturpolygone (grün) zur Schließung der Flächen (nach [10])

Die Reparaturmethode zur Füllung von Löchern im Volumenmodell resultiert in der ersten Iteration in 38 hinzugefügten

Polygonen. Im nächsten Iterationsschritt werden fünf, daraufhin ein zusätzliches Polygon eingefügt. Einige dieser

hinzugefügten Polygone sind in Bild 12 in rot dargestellt und mit einem Kreis zur besseren Visualisierung hervorgehoben.

Das Ergebnis zeigt, dass die meisten Reparaturpolygone im Randbereich zwischen der Kontur und den Flächen

hinzugefügt werden.

Bild 12. Bauteil nach drei Reparatur-Iterationsschritten. Die erzeugten Polygone zur Schließung von Löchern sind in rot dargestellt

und mit Kreisen markiert (nach [10])

Im letzten Schritt wird das Volumenmodell exportiert und in der Druckersoftware für den Druckprozess aufbereitet.

Um darzulegen, dass das automatisiert erstellte Volumenmodell druckbar ist, wird dieses mit einem Drucker hergestellt.

Dies resultiert in dem in Bild 13 gezeigten Festshimmodell. Die gesamte Methode vom Einlesen der Punktwolken

bis zum Export der Druckdatei beanspruchte ca. 1000 Sekunden inklusive aller fünf Unterbauteile.

Bild 13. Final gedrucktes Festshimmodell (nach [10])

DVS 332 7


5 Zusammenfassung

Die in dieser Veröffentlichung dargestellte Methode generiert vollautomatisiert individuellen Festshim für die Montage

von großen Faserverbundstrukturen im Flugzeugbau. Die entwickelte Methode reduziert die Prozesszeit und die

manuelle Arbeit signifikant, da das Nachbearbeiten von Festshim und die Vormontage vollständig entfallen. Der

entwickelte Prozess generiert dabei druckbare 3D Volumenmodelle, welche den Fügespalt zwischen den Montagebauteilen

repräsentieren. Hierzu werden im Vorfeld die Fügeflächen der Bauteile vermessen und eine virtuelle Montage

durchgeführt. Es wird das standardisierte .stl Format verwendet, um eine Anbindung an viele kommerzielle 3D

Drucker zu gewährleisten.

Die Methode ist bisher auf rechteckige oder runde Bauteilformen beschränkt. Dies könnte durch weitere Entwicklungen

beim Schließen der Konturen mit Polygonen mithilfe des Traveling Salesman Problems gelöst werden. Die Reparatur

des Volumenmodells zum Füllen von Löchern benötigt derzeit ca. 90% der Rechenzeit und sollte in Zukunft

weiterentwickelt werden, um auch noch größere Bauteile (wie beispielsweise Rotorblätter oder ähnliches) in annehmbarer

Zeit berechnen zu können.

Zur weiteren Evaluierung des Potentials und der Qualität der Methode sollten Versuche mit besseren Druckern mit

höherer Druckauflösung sowie anderen Materialien durchgeführt werden.

6 Danksagung

Die Autoren danken Herrn Nathapon Olaf Lüders für seinen vorbildlichen Einsatz ohne den diese Veröffentlichung

in dieser Form nicht möglich gewesen wäre, sowie dem Fraunhofer IFAM für die Unterstützung mit entsprechender

Hard- und Software, sowie allen Kollegen für ihre wertvollen Anmerkungen und Kommentare.

7 Literatur

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For The Automated Assembly Of Large CFRP Structures. In: Estorff, O. v. u. Thielecke, F. (Hrsg.): Proceedings

of the 5th International Workshop on Aircraft System Technologies. February 24 - 25, 2015, Hamburg,

Germany. Berichte aus der Luft- und Raumfahrttechnik. Aachen: Shaker 2015, S. 363–372.

[2] Roemer, U., Schmick, F. u. Niermann, D.: The future of industrialized CFRP-Box assembly. Results of

three years of research in the R&D project “FLEXMONT”. In: CFK-Valley Stade Convention GbR (Hrsg.):

10th International CFK-Valley Stade Convention. Carbon & Mobility. Stade 2016, S. 138–140.

[3] Dickens, P. M., Hague, R. J. M. u. Hopkinson, N.: Rapid manufacturing. An industrial revolution for the digital

age. Chichester [u.a.]: Wiley 2006.

[4] Uhlmann, E., Kersting, R., Klein, T. B., Cruz, M. F. u. Borille, A. V.: Additive Manufacturing of Titanium Alloy

for Aircraft Components. In: MIC2015 - 15th Machining Innovations Conference for Aerospace Industry.

Procedia CIRP, Bd. 35. Elsevier B.V. 2015, S. 55–60.

[5] LaMonica, M.: Additive Manufacturing. MIT Technology Review 116 (2013) 3, S. 58–59.

[6] Jayaweera, N. u. Webb, P.: Automated assembly of fuselage skin panels. Assembly Automation 27 (2007)

4, S. 343–355.

[7] Schmick, F., Borrmann, C., Niermann, D. u. Wollnack, J.: Tolerance Adjusted Bonding of Large CFRP

Structures: Automated Gap Analysis in an Offline Programmed Robot Assembly Cell. Journal of The Adhesion

Society of Japan 51 (2015) s1, S. 342–346.

[8] Zuardy, M. I. u. Herrmann, A. S.: An advanced centre box of a vertical tail plane with a side panel from

CFRP foam-core sandwich structure. CEAS Aeronautical Journal 2 (2011) 1, S. 253–269.

[9] Schmick, F. u. Graßl, G.: Industrialisierung einer automatisierten Montageprozesskette großer Leichtbaustrukturen.

Ingenieur-Spiegel : Fachmagazin für Ingenieure (2016), S. 40–42.

[10] Schmick, F., Lüders, N. O. u. Wollnack, J.: Automated Assembly of Large CFRP Structures: Adaptive Filling

of Joining Gaps with Additive Manufacturing. 2016 IEEE International Symposium on Assembly and

Manufacturing (ISAM). 2016, S. 126–132.

[11] Jevans, D. u. Wyvill, B.: Adaptive voxel subdivision for ray tracing (1988).

[12] Muja, M. u. Lowe, D. G.: Scalable nearest neighbor algorithms for high dimensional data. Pattern Analysis

and Machine Intelligence, IEEE Transactions on 36 (2014) 11, S. 2227–2240.

[13] Dickerson, M. T., Scot Drysdale, R. L., McElfresh, S. A. u. Welzl, E.: Fast greedy triangulation algorithms.

Proceedings of the tenth annual symposium on Computational geometry. 1994, S. 211–220.

[14] Szilvśi-Nagy, M. u. Mátyási, G.: Analysis of STL files. Mathematical and Computer Modelling 38 (2003) 7-9,

S. 945–960.

8 DVS 332


Temperature dependent TAPO model for failure analysis of adhesively bonded joints

due to temperature induced manufacturing and service loading

P. Kühlmeyer and A. Matzenmiller, Institute of Mechanics, University of Kassel

In this contribution, the focus of the material model is to predict failure of joints, which are bonded with ductile-modified

adhesives and subjected to manufacturing and service loading with low strain rates during and after cure due to

temperature changes. Therefore, a linear thermo-viscoelastic model is arranged in series to the Toughened Adhesive

Polymer (TAPO) model. By reason of numerical efficiency, the equations of the TAPO model are reduced to the

cohesive zone theory and implemented into LS-DYNA as a “user defined cohesive model” assuming a thin adhesive

layer between the adherends. The parameters of the constitutive equations are identified by Dynamic Mechanical

Analysis and by fitting the model response to data of shear tests using the thick adherend shear specimen (TASS)

and tension tests by means of the butt joint specimen (BJS) conducted within the range from ambient temperature

to nearly glass transition and from uncured up to fully cured adhesive.

1 Introduction

In modern light weight design, various materials with different physical properties are assembled to large structures,

e.g. car body or aircraft fuselage. One common joining technology is adhesive bonding, which allows combining a

wide range of different materials, e.g. various metals, carbon fibre composites, and polymers. As a consequence,

the adhesive bonding technique is adopted by many branches, as for instance the automotive, and the aircraft industry.

Vastly loaded structures are bonded with so called high-strength structural adhesives exhibiting high tensile

strength and ductility. These properties are achieved by modifying the epoxy resin with rubber particles to improve

the persistency and energy absorption until failure. The mechanical properties of structural adhesives are generally

influenced by deformation, temperature, stress or its rates as well as the degree of polymerisation (cross-linking).

So, the design of structures becomes more complicated and cost-intensive, if such adhesives are used. Hence,

simulation with the Finite Element Method (FEM) is an efficient way to reduce costs in the development process

within the framework of computer-aided design. Though, constitutive models are necessary for the prediction of the

material behaviour under various loading conditions by means of the Finite Element (FE) analysis. In this context,

the development of phenomenological constitutive models becomes very important for the simulation of adhesively

bonded joints.

Recently, the so-called Toughened Adhesive Polymer (TAPO) model has been made available in LS-DYNA for solid

elements. The TAPO equations describe the mechanical behaviour of structural adhesives under crash conditions

by taking elasticity, viscoplasticity and damage due to plastic deformation into account – see [1], pp. 69–90, [2], pp.

250–282, [3], pp. 54–69, and [4], pp. 2-1152-2-1158. It was developed by the Institute of Mechanics (IfM) at the

University of Kassel in both research projects with the grant numbers P 676 [1] and P 828 [2] of the Forschungsvereinigung

Stahlanwendung e.V. (FOSTA). Also, the TAPO model is applicable for the cohesive elements with an

option in LS-DYNA reducing the kinematics of the continuum to the local displacement jump as shown in [2], p. 288,

[3], p. 113, and [5]. In addition, the constitutive equations of the TAPO model are reduced to the interface theory for

cohesive elements in [3], pp. 106 ff. The interface theory is applied to the failure prediction of adhesively bonded

joints with thin adhesive layers in [5] to [8]. Furthermore, the numerical efficiency of the cohesive element in the

framework of the FEM is discussed in [8].

As outlined in [1] to [8], the constitutive models are applied to predict failure of bonded structures under crash conditions.

Recently, the simulation of adhesively bonded joints focuses also on manufacturing and service processes –

see [9] and [10]. The influence of the temperature course on the material behaviour is important for the design of

adhesively bonded structures, whereas the entire temperature-time history is fundamental for the polymerisation of

the thermosetting resins. Especially, the thermo-viscoelastic properties of ductile-modified adhesives must be account

for in stress levels below and beyond the yield strength.

This contribution concerns with the constitutive modelling of the temperature influence on thermosetting, ductilemodified

adhesives during cross-linking. The present investigations focuses on the long-term behaviour of the adhesive

bond in bimetallic structures, undergoing temperature induced loadings due to the uneven expansions caused

by different thermal expansion coefficients of the adherends. So, the reduced TAPO model in [3] is extended to

temperature and cure dependent viscoelasticity, plasticity and damage, considering rate, temperature and curing

effects below and beyond the yield strength.

The constitutive model and its consistent tangent modulus are implemented for the quasi-static FE analysis into the

code of LS-DYNA to simulate the long-term behaviour of adhesive bonds. The material model is suited to predict

failure of adhesively bonded joints beyond the gelification point for manufacturing and service loading due to evolving

temperature courses.

DVS 332 9


2 Thermo-chemo-viscoelastic-plastic model with ductile damage

The thin structural adhesive layer of a joint is modelled as an interface between the adherends assuming zero thickness

in the model. Hence, an interfacial constitutive model (cohesive zone) is proposed including thermo- and chemoviscoelasticity,

-plasticity, and a ductile damage approach. The viscoelastic, thermal, and plastic contributions in the

constitutive model are shown as a serial arrangement of related bodies in the rheological network in Fig. 1. On the

left hand side, the generalised MAXWELL body represents the viscoelastic material properties of the adhesive with

different parallel chains of springs and dashpots to describe the overstress and one parallel spring to account for the

equilibrium stress in the normal and tangential direction of the interface. The material parameters k i and g i are the

n,s

stiffness parameters of the springs whereas the constants ˆi are the relaxation times in the MAXWELL chains, while

k and g are the stiffness parameters for the equilibrium state. The thermal strain element is connected in series

to the MAXWELL model in order to describe the thermal expansion and the chemical shrinkage of the adhesive layer

tc th ch

as a thermo-chemical displacement jump in normal direction . The rate of the thermal displacement

is proportional to the temperature change and the adhesive layer thickness d k with the unit vector normal to the

T

interface e n {1 0 0} and the thermal expansion coefficient th .

th


th dk

e n

(1)

The thermal expansion coefficient

of cure p as in [10], p. 85.

th changes at the glass transition temperature g and depends on the degree

The chemical displacement


th

ch

is postulated as



if

( )(1 p)

if


1 g

2 3 2 g

following [10], p. 93, Eq. (6.22) with the material parameters 1 and 2 .



ch dk

2

2 p1 p e n

(2)

3

if p p gel

Fig. 1: Rheological network of constitutive model

On the right hand side, the TAPO model is represented by the friction element of ST-VENANT with the yield threshold

c and the spring with the parameters H , q , and b , describing nonlinear isotropic hardening. Here, the TAPO

model is active only when the adhesive changes its phase from liquid to solid (gelation) irreversibly – see [11]. The

rheological network directly provides the additive split of the local, total displacement jump into the viscoelastic,

thermal and plastic contribution:

ve th pl

+ + (3)

10 DVS 332

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