TopComposite – Topologieoptimiertes Design von Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen für die Herstellung mittels Nassfaserlegen

Das am IVW entwickelte „Nassfaserlegen“ (Abbildung 1) ermöglicht die Herstellung komplex geformter Bauteile mit äußerst geringem Gewicht und mit minimalem Materialeinsatz. Hierdurch können nicht nur Produktions-, sondern auch Betriebskosten reduziert werden, zum Beispiel im Luftfahrt- oder Automobilbereich.

Ein geeignetes Werkzeug zur Auslegung von Bauteilen, die mit dem neuen Verfahren hergestellt werden sollen, ist die Topologieoptimierung. Hierbei wird mechanisch nur gering beanspruchtes bzw. ineffizientes Material aus einem Bauteil entfernt. Aus diesem Ansatz resultieren häufig extrem leichte Fachwerkstrukturen.

Für das Design von Strukturen, die durch Nassfaserlegen hergestellt werden, wird am IVW ein Workflow (Abbildung 2) angewendet, der die folgenden Schritte umfasst:

• Topologieoptimierung
• Ableiten von Ablegepfaden
• Optimierung der je Ablegepfad abzulegenden Faserbündel
• Werkzeugkonstruktion und -herstellung
• Definition der Ablagereihenfolge bzw. des Lagenaufbaus
• Erzeugung des Maschinencodes für die Fertigung
• Fertigung mittels Nassfaserlegen

Durch den hohen Automatisierungsgrad des Auslegungsansatzes können Bauteile mit hohem Leichtbaupotenzial sehr schnell entwickelt werden. Insbesondere bei der Topologieoptimierung kommt ein am IVW entwickelter Ansatz zum Einsatz, der es ermöglicht, die anisotropen Werkstoffeigenschaften zu berücksichtigen. Anhand des Ergebnisses der Topologieoptimierung werden wiederum Ablegepfade mit definiertem Abstand automatisiert erzeugt – manuelle Nacharbeiten werden so auf ein Minimum begrenzt. Durch die Optimierung der Anzahl der pro Ablegepfad abzulegenden Faserbündel (und somit der lokalen Bauteildicken) kann das Leichtbaupotenzial von Faser-Kunststoff-Verbunden weiter ausgeschöpft werden. Anschließend werden die Bauteilgeometrien in eine Werkzeuggeometrie überführt, die Ablagereihenfolge und somit der Lagenaufbau definiert und ein Maschinencode für die automatisierte Fertigung mittels Nassfaserlegen erzeugt.

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