TopComposite – Anisotrope Topologieoptimierung für extrem leichtbaugerechte Fachwerkstrukturen mit verbessertem Kreuzungsstellen-Design

Bei der Topologieoptimierung wird mithilfe numerischer Simulationen wenig beanspruchtes (also ineffizientes) Material aus einem Bauteil entfernt. So können z. B. Material in der Bauteilproduktion eingespart und die Materialkosten entsprechend gesenkt werden. Weiterhin werden die Bauteile hierdurch leichter, sodass beispielsweise im Automobil- oder Luftfahrtbereich Treibstoffeinsparungen erzielt werden können. Die Topologieoptimierung als Auslegungswerkzeug ist daher besonders dann sinnvoll, wenn extrem leichte, fachwerkartige Strukturen erzeugt werden sollen.

Für die Fertigung komplex geformter Bauteile, wie sie aus einer Topologieoptimierung resultieren, sind Faserablageverfahren wie das am IVW entwickelte Nassfaserlegen besonders geeignet. Das Fertigungsverfahren erlaubt es, die Fasern lokal lastgerecht entsprechend der Kraftflüsse im Bauteil abzulegen. Dadurch werden die Verbundeigenschaften optimal ausgenutzt.

Bei der am IVW eingesetzten Topologieoptimierung wird deshalb nicht nur die Bauteilgestalt, sondern gleichzeitig auch die lokale Faserorientierung innerhalb des Bauteils optimiert. Der weiterentwickelte Optimierungsalgorithmus identifiziert nun auch die Bauteilbereiche, in denen statt nur einer (unidirektionalen) Faserorientierung eine zweite Schicht mit einer anderen Faserorientierung benötigt wird und fügt dort Material hinzu (Abbildung 1). Hierdurch verbessert sich das Design im Bereich zusammentreffender Stäbe, sodass bei gleichem Gewicht und Materialeinsatz höhere Steifigkeiten erzielt werden können.

Das Projekt „TopComposite – topologieoptimierte und ressourceneffiziente Composites für Mobilität und Transport“ wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen 03XP0259).