Topologieoptimiertes Design für additiv gefertigte Composites

Composites und speziell Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit Endlosfaserverstärkung sind ideale Leichtbauwerkstoffe. Durch die Entwicklungen auf dem Gebiet der additiven Fertigungsverfahren, zu denen beispielweise Tapelege-Technologien, das Tailored Fiber Placement oder der 3D‑Druck zählen, ergeben sich hierbei völlig neue Möglichkeiten bei der Gestaltung von FKV-Bauteilen.

Innerhalb der interdisziplinären Nachwuchsforschungsgruppe „TopComposite“ wird am Leibniz‑Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) das Nassfaserlegen als additiver Fertigungsprozess zur Herstellung von FKV-Bauteilen entwickelt; dieser erlaubt die Direkt-ablage von in-situ mit einem duroplastischen Harz imprägnierten Faserbündeln. Darüber hinaus wird eine Bauweise entwickelt, welche das Leichtbaupotenzial des neuen Prozesses bestmöglich ausnutzt sowie gleichzeitig die anisotropen Materialeigenschaften und die prozesstypischen Fertigungsrestriktionen berücksichtigt. Zentrales Element dieser neuen Bauweise ist die Topologieoptimierung. Bei diesem Berechnungsverfahren wird innerhalb eines vorgegebenen Bauraums nicht benötigtes Material aus dem Bauteil entfernt und die Bauteilsteifigkeit maximiert. Ein bereits am IVW entwickelter Topologie-optimierungsalgorithmus verbessert zusätzlich die Faserorientierung innerhalb des Bauteils. Dieser Algorithmus wurde dahingehend erweitert, dass nun auch fertigungstechnische Restriktionen – wie die Mindestablagebreite und das Vermeiden von Kavitäten quer zur Ablageebene – berücksichtigt werden können. Zusätzlich wurde ein Algorithmus entwickelt, um die für die additive Fertigung benötigten Ablegepfade aus dem Optimierungsergebnis abzuleiten. Die entwickelte Auslegungsmethodik (Abb. 1) erlaubt nicht nur eine ressourceneffiziente und leichtbaugerechte Bauteilgestaltung, sondern kann aufgrund des hohen Automatisierungsgrades helfen, den Produktentwicklungsprozess zu beschleunigen.

Aktuelle Untersuchungen im Projekt zielen derzeit darauf ab, auftretende Ablagedefekte bei der Bauteilauslegung zu berücksichtigen und eine Gestaltungsmethodik für Kreuzungsstellen und Krafteinleitungselemente für additiv gefertigte FKV-Bauteile zu entwickeln.

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

Projektbeirat:

• ACE Advanced Composite Engineering GmbH
• AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V.
• BMW AG
• Centre for Advanced Composite Materials (CACM), The University of Auckland, New Zealand
• Hexion Germany GmbH
• InnoMat GmbH
• Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH

Kontakt:
Dipl.-Ing. Maximilian Eckrich
Nachwuchsforschungsgruppe TopComposite
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Straße 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2017-228
E-Mail: maximilian.eckrich@ivw.uni-kl.de