Nachwuchsforschergruppe "Weiterentwicklung zukunftsorientierter Technologien am Beispiel eines Leichtbauroboters"






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Zielstellung 1: Fertigungsstrategien zur Integration von textiltechnologisch hergestellter Sensorik in die Tragstruktur von Leichtbau-Robotern
 
Die strukturintegrierte Einbringung von neuartigen Drahtsensoren in Faserverbundstrukturen mittels textiltechnologischem Massenherstellungsverfahren (Sticktechnik) während der Preformherstellung ist dazu geeignet, die angestrebte Multifunktionalität im Bauteil zu erreichen. So können etwa auch durch gezielte Bewegungsabläufe von Festkörpergelenken aus Faserverbundwerkstoffen Signale für Steuerungs- und Regelungsfunktionen generiert werden oder Strukturüberwachungsfunktionen (Lifetime-Monitoring) zur Schadensdetektierung vorgenommen werden. Besondere Messvorteile für eine belastungsdifferenzierte Dehnungserfassung können darüber hinaus mittels 3D-Sensorarchitektur erzielt werden, die bisher nicht oder aus Kostengründen nur unzureichend betrachtet wurden. Als Matrixmaterial können sowohl Duroplast- als auch Thermoplastwerkstoffe zum Einsatz kommen.

Durch die strukturintegrierte Einbringung von Sensor- und Elektronikmodulen können Leichtbaustrukturen mit hoher Funktionsdichte für Anwendungen in der Automobil-, Flugzeug- und Industrietechnik kosteneffizient hergestellt werden. Weitere Einsatzgebiete dieser so genannten Direct-Material-Control-Systemregelung sind Sportgeräte und der Schutzbereich (Bauteilkontrolle, Belastungsmessung). Außer der Erfassung von Verformungszuständen in Faserverbundstrukturen können auch Temperatur und Feuchtigkeit durch gestickte Sensorik erfasst werden. Anwendungsbezogen können so zum Beispiel Füllstandserkennungen in Kunststoffbehältern sehr kostengünstig gefertigt werden.

Mögliche Arbeitspunkte:
  • Spezifizierung kritischer Belastungszustände und Erstellung eines Systemkonzeptes auf Basis sensorbasierter Funktionsweisen zur Überwachung von CFK-Bauteilen
  • Erstellung von Gestaltungsentwürfen zur Integration und zur räumlichen Anordnung von 2D- und 3D-Sensorsystemen in CFK-Faserverbundstrukturen
  • Konzipierung einer Auswerteelektronik zur Signalübertragung und Signalverarbeitung
  • Erstellung einer Prüfmatrix für die werkstoffmechanische und funktionale Charakterisierung
  • Entwicklung von werkstoff- und funktionsgerechten Komponenten zur elektrischen Isolierung des Sensorsystems im CFK-Verbund
  • Systemuntersuchungen zur Integration einer „Aufweckfunktion“ und zur Anbindung an die Sensorsysteme
  • Konstruktion und Fertigung unterschiedlicher Bauteilkomponenten mit Schwellwert- und Dauerüberwachung der CFK-Struktur
  • Untersuchung zur Sensormaterial/Matrix-Grenzschichthaftung und Ermittlung der Auswirkungen auf die mechanischen Kennwerte der Gesamtstruktur

Zielstellung 2: Auslegung und Demonstratorfertigung von räumlichen Tragwerkstrukturen in Faserverbundbauweise für Leichtbau-Roboter
 
Bei Industrierobotern spielt das Gewicht des Roboterarmes und des Greifersystems eine entscheidende Rolle. Denn je leichter diese Komponenten sind, desto mehr Spielraum besteht bezüglich der Masse des zu transportierenden Stückgutes und der Fördergeschwindigkeit. Gewichtsreduzierung kann durch Designoptimierung einzelner Komponenten oder durch Werkstoffsubstitution z. B. mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) erreicht werden. Um das Leichtbaupotential aber größtmöglich auszunutzen, ist eine Kombination aus beiden Methoden notwendig. Dies erfordert sowohl die genaue Kenntnis geeigneter faserverbundgerechter Herstellungs-verfahren, wie Tailored Fibre Placement (TFP), Fibre Patch Placement (TPP), Resin Transfer Moulding (RTM), etc., als auch eine genaue Vorstellung über die mechanische Beanspruchung innerhalb der räumlichen Tragwerkstruktur, die mit analytischen und numerischen Methoden ermittelt werden soll.

Zur Übertragung der Kräfte in die Leichtbaustruktur aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) sind metallische Lasteinleitungskomponenten und zugehörige Fügetechnologie bereitzustellen. In der Fügezone selbst herrschen infolge der Konturunstetigkeit und der FKV-Anisotropie komplexe Spannungszustände, die bei dynamischer Belastung von einer Vielzahl werkstoff- und lastspezifischer Einflussfaktoren abhängig sind. Im Rahmen des geplanten Teilprojektes soll daher auf Basis einer vertieften Spannungsanalyse von anisotrop verstärkten Verbunden eine physikalische Beschreibung des Strukturverhaltens von Metall/FKV-Fügeverbindungen vorgenommen werden. Zur Entwicklung der Berechnungsmodelle stehen die bereits bei Faserverbundstrukturen bewährten Verfahren der komplexwertigen Spannungsfunktionen in Kombination mit „lokalen“ Festigkeitskriterien zum Einsatz bereit.

Mögliche Arbeitspunkte:
  • Klärung der Funktionsweise und Bauraumbedingungen sowie Spezifikation der herrschenden konstruktiven Randbedingungen (Belastungen, Anschluss-maße, Einbaubedingungen)
  • Materialauswahl unter fertigungstechnischen Restriktionen
  • Vertiefte Spannungsanalyse an anisotrop verstärkten Verbunden zur physikalischen Beschreibung von Metall/FKV-Fügeverbindungen
  • Belastungsgerechte Gestaltung von metallischen Krafteinleitungselementen
  • Berechnung, Simulation und Detailkonstruktion unter Beachtung der ausgewählten Fertigungsrestriktionen und Gestaltoptimierung der Krafteinleitungselemente

Ansprechpartner:


Dipl.-Ing. Stefan Demmig
 
Telefon:  +49 (0)371 531-38387
E-Mail:   stefan.demmig@mb.tu-chemnitz.de
Raum:    2/D229
 
Dipl.-Ing. Alexander Endig
 
Telefon:  +49 (0)371 531-38966
E-Mail:   alexander.endig@mb.tu-chemnitz.de
Raum:    2/ThW 5 Raum 302
Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung
Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Kroll