Die zuverlässige Herstellung thermoplastischer Flugzeugstrukturen setzt voraus, mögliche Prozessabweichungen bereits im Vorfeld zu erkennen und gezielt zu vermeiden. Besonders bei der automatisierten Faserablage mit Erwärmung durch Xenon-Blitzlampen (engl. Flashlamp) ist dies entscheidend, da selbst geringfügige Änderungen der Prozessparameter unmittelbare Auswirkungen auf die Bauteilqualität haben können.
Für die effiziente Fertigung hochratenfähiger Rumpfschalen reicht Wärmezufuhr allein nicht aus, entscheidend ist die präzise Prozesskontrolle. Konventionelle Erwärmungsverfahren stoßen hier schnell an Grenzen, insbesondere bei komplexen Geometrien, variierenden Wandstärken und kurzen Taktzeiten. Die Flashlamp-Technologie bietet hierfür neue Möglichkeiten: Sie ermöglicht eine intensive, hochlokalisierte Wärmeenergieeinbringung, die jedoch höchste Präzision erfordert. Thermische Simulationen schaffen hierfür die Grundlage, indem sie Temperaturverläufe bereits vorab vorhersagen, anpassen und prozesssicher steuern. Auf diese Weise wird eine punktgenaue, energieeffiziente und materialschonende Erwärmung im Fertigungsprozess realisiert.
Virtuelle Absicherung des Energieeintrags: Parameterstudien für prozesssichere Flashlamp-Erwärmung
Herzstück der Flashlamp ist eine Xenonröhre, die hochenergetische Lichtimpulse erzeugt. Diese treffen im Automated Fibre Placement Prozess (AFP) auf thermoplastisches Fasermaterial und bringen es auf Prozesstemperaturen zwischen 300 und 400 Grad Celsius. Die genaue Temperaturverteilung hängt von einer Vielzahl an Einflussgrößen ab, darunter die Werkzeugtemperatur, die Lichtleitergeometrie, der Systemwirkungsgrad und der Abstand zur Substratoberfläche. Ziel der durchgeführten thermischen Simulationen ist es, werkstoffgerechte Bedingungen zu identifizieren, unter denen hohe Ablagegeschwindigkeiten möglich sind, ohne die erforderliche Prozesstemperatur zu unterschreiten.
Für diese Untersuchungen wurde ein FEM-Modell mit experimentell validierten Randbedingungen genutzt, ergänzt durch Ray-Tracing-Modelle zur Abbildung der Strahlungsverteilung im Ablagebereich. Die Temperatur des Formwerkzeugs, auf dem das Fasermaterial durch den Endeffektor automatisiert abgelegt wird, hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Prozessgeschwindigkeit. Ohne zusätzliche Beheizung – das Formwerkzeug verbleibt also auf Raumtemperaturniveau – beträgt die Geschwindigkeit rund sechs Meter pro Minute. Wird das Formwerkzeug hingegen auf 150 °C vorgeheizt und während der Faserablage auf diesem Temperaturniveau gehalten, lässt sich die Prozessgeschwindigkeit auf bis zu zehn Meter pro Minute steigern. Die Vorheizung verbessert die thermische Kopplung zwischen Tape und Substrat und minimiert Wärmeverluste.
Das von der Xenonröhre erzeugte Blitzlicht wird über ein aus Quarzglas bestehendem Lichtleiter zum Ablegebereich geführt. Die Geometrie des Lichtleiters hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die resultierende Temperaturverteilung. Auf diese Weise lässt sich gezielt steuern, welcher Anteil der eingekoppelten Wärmeenergie auf das Substrat, auf das zugeführte Fasermaterial oder auf den eigentlichen Ablegepunkt erreicht. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad ermöglicht eine sehr individuelle Anpassung der Heizstrategie in Anhängigkeit von beispielsweise Fasermaterial, Bauteilgeometrie oder andere Anforderungen.
Ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor ist der Abstand zwischen Lichtquelle und Materialoberfläche. Die besten Ergebnisse werden bei einem Abstand von vier bis sechs Millimetern auf der Oberfläche des zugeführten Tows und zwei bis drei Millimetern zum Substrat erzielt. Ein zentrales Ergebnis der Simulation ist zudem, dass die maximale Temperatur nicht direkt am Ablegepunkt auftritt, sondern in einem Bereich etwa 18mm davor. Am Ablegepunkt selbst liegt die Temperatur unterhalb des Maximums. Daraus ergibt sich, dass eine Positionierung des Lichtleiters näher am Ablegepunkt erforderlich wäre, was jedoch aus Platz- und Kollisionsgründen nicht realisierbar ist. Weiterhin ist diese Erkenntnis unter anderem bei der Platzierung und Auswertung von Messsystemen, beispielsweise Thermoelementen, relevant.
Ausblick
Die durchgeführten Simulationen ermöglichen eine detaillierte Analyse der Einflussgrößen im Flashlamp-unterstützten AFP-Prozess. Durch die Kombination aus FEM-basierter Modellierung und experimenteller Validierung entsteht eine solide Grundlage für die Prozessauslegung, die reproduzierbare Bauteilqualität und energieeffiziente Wärmeführung miteinander vereint. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen werden diese Erkenntnisse auch auf die Verarbeitung von Trockenfasermaterialien übertragen, bei der ebenfalls die Flashlamp zum Einsatz kommt. So lassen sich auch für diese Materialtypen genaue Vorhersagen in Abhängigkeit der jeweiligen Fertigungskonfiguration vornehmen.
Herkunft der Ergebnisse und Danksagung
Die präsentierten Ergebnisse gehen auf Arbeiten von Jithin Karimbichiyil Thankachan zurück, die er 2024 im Rahmen seiner Tätigkeit am Institut für Systemleichtbau durchgeführt hat. Die Autoren bedanken sich für seine Beiträge zur Durchführung und Auswertung der Simulationen.
