Auslegungsstrategien und Fertigungsverfahren für festigkeitsoptimierte Leichtbau-Verbundstrukturen mit variabelaxialer Faserarchitektur (OptiTex)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei den durchgeführten Forschungsarbeiten wurde eine durchgängige Untersuchung der gesamten auslegungs- und fertigungsorientierten Prozesskette für hochfeste Leichtbaustrukturen mit variabelaxialer Textilverstärkung vorgenommen. Hinsichtlich der fertigungstechnischen Umsetzung von variabelaxialen Preformen wurden die beiden textilen Fertigungsverfahren Multiaxialgelege mit Kettfadenversatz (MAG-KV) und das Tailored Fiber Placement (TFP) Verfahren herangezogen und hinsichtlich ihrer Fertigungsrestriktionen gegenübergestellt. Die dabei gewonnen Erkenntnisse wurden als wesentliche Randbedingungen formuliert und in die durchgeführten auslegungsrelevanten Berechnungen und Optimierungen einbezogen. Aus konstruktiver Sicht konnten darüber hinaus insbesondere für das MAG-KV viele Maßnahmen zur Verbesserung der Anlagentechnik abgeleitet und umgesetzt werden. Für das umfangreiche Versuchsprogramm wurden aus den variabelaxialen Preformen Probeplatten und anschließend Probekörper zur werkstoffmechanischen Charakterisierung hergestellt und am SLK geprüft. Die ermittelten fertigungsabhängigen Materialkennwerte stellen eine solide Basis für die durchgeführten Berechnungen dar und stehen den Projektpartnern auch über die Projektlaufzeit hinaus zur Verfügung. Am IPF wurde neben der Probenherstellung auf Basis des TFP-Verfahrens vor allem an numerischen Verfahren gearbeitet. Der makroskalige Modellansatz für variabelaxiale Faserstrukturen konnte auf 3D-Schalenstrukturen erweitert werden. Dabei eingesetzte Materialparameter können sowohl aus den experimentellen Untersuchungen entnommen werden, als auch anhand von mesoskaligen Finite Elemente Modellen durch den Nähfadeneinfluss begründet werden. Durch eine optische Analyse der Ablagegenauigkeit ist eine Steigerung der Bauteilfestigkeiten mithilfe einer Korrektur systematischer Produktionsabweichungen des TFP-Verfahrens möglich. Abschließend wurde auf Basis des makroskaligen Modellansatzes ein Optimierungsverfahren entwickelt, welches direkt die Ablagepfade für das TFP- bzw. MAG-KV-Verfahren hinsichtlich Steifigkeit oder Festigkeit optimiert. Besonders im Vergleich zu bisher verwendeten Hauptspannungsorientierungsverfahren kann das Leichtbaupotenzial von variabelaxialen Textilverstärkungen noch einmal deutlich gesteigert werden. Von Seiten des IPEK wurde eine FE-basierte Methode zur Erzeugung fasergerechter Trajektorien für 2D- und 3D-Strukturen implementiert. Zur Festigkeitssteigerung wird ein Verfahren zur Parameteroptimierung auf Basis genetischer Algorithmen genutzt. Für die Bewertung der Festigkeit wurden die Bruchkriterien nach CUNTZE implementiert. Mit Hilfe der Methodik lassen sich restringierte Faserverläufe für variabelaxial verstärkte Strukturen berechnen und optimieren. Zur Gewährleistung der Modellqualität ist eine Neuvernetzung der Strukturen in den Algorithmus zur Trajektorienerzeugung eingebunden. Es konnten Festigkeitssteigerungen von bis zu 70 % gegenüber konventionellen Laminataufbauten rechnerisch nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2019) Optimizing Variable-Axial Fiber-Reinforced Composite Laminates: The Direct Fiber Path Optimization Concept. Mathematical Problems in Engineering 2019 1–11
Bittrich, Lars; Spickenheuer, Axel; Almeida, José Humberto S.; Müller, Sascha; Kroll, Lothar; Heinrich, Gert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2019/8260563) - Entwicklung einer FEM-basierten Methode zur fertigungsorientierten Sickenmustergestaltung für biegebeanspruchte Leitstützstrukturen aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Fakultät für Maschinenbau, Forschungsberichte des IPEK - Institut für Produktentwicklung, ISSN 1615- 8113, Karlsruhe, Dissertation, 2014
Majic, Neven
- Experimental and Numerical Analysis of Material Properties of Unidirectional Composites Manufactured by Tailored Fiber Placement, 14th Annual International Polymer Colloquium, May 2nd, 2014, Madison, Wisconsin, USA
Amelie Leipprand, Lars Bittrich, Axel Spickenheuer, Gert Heinrich
- Process-dependent material properties for structural simulation of composites made by tailored fibre placement, ECCM16 - 16th European Conference on Composite Materials, 22-26 June 2014, Seville, Spanien
Axel Spickenheuer, Amelie Leipprand, Lars Bittrich, Kai Uhlig, Emanuel Richter, G. Heinrich
- Zur fertigungsgerechten Auslegung von Faser-Kunststoff-Verbund- Bauteilen für den extremen Leichtbau auf Basis des variabelaxialen Fadenablageverfahrens Tailored Fiber Placement, Fakultät Maschinenwesen, Diss. Technische Universität Dresden
Axel Spickenheuer
- Bio2Strategy - Design method of textile-based, partial reinforced semi-finished products for bionic inspired thermoplastic FRP. Conference Proceedings, 2nd International MERGE Technologies Conference 2015, Chemnitz: 1 – 2 October 2015, pp. 359-361
Angelika Kolonko, Frank Helbig
- Charakterisierung von variabelaxial-verstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden auf Basis der Multiaxialgelegetechnik mit Kettfadenversatz (MAG-KV) und dem Tailored-Fibre-Placement-Verfahren (TFP). TECHNOMER 2015, 24. Fachtagung über Verarbeitung und Anwendung von Polymeren, 12.11.–13.11.2015, Chemnitz, Germany
Sascha Müller, Lothar Kroll, Axel Spickenheuer, Lars Bittrich, Gert Heinrich
- Evaluation of the geometrical influence of the stitching yarn on the stiffness and stress distribution in continuous carbon fiber reinforced plastics made by tailored fiber placement using finite element analysis, 20th International Conference on Composite Materials, 19.‐ 24. July 2015, Copenhagen, Denemark
Kai Uhlig, Matteo Tosch, Lars Bittrich, Amelie Leipprand, Axel Spickenheuer, Gert Heinrich
- Recent developments in simulation and processing of composite structures made by Tailored Fiber Placement, 14th Japan International Sampe Symposium and Exhibition, 6.-9. Dezember 2015, Kanazawa, Japan
Axel Spickenheuer, Lars Bittrich, Kai Uhlig, Emauel Richter, Gert Heinrich
- Kerbfestigkeitsanalyse nietgefügter Faserverbund- und Metallkomponenten unter Berücksichtigung richtungsabhängiger lokaler Versagensmechanismen, Dissertationsschrift TU Chemnitz, München: Verlag Dr. Hut, 2016. - ISBN 978-3-8439-2867-0
Müller, Sascha
- Meso-scaled finite element analysis of fiber reinforced plastics made by tailored fiber placement, Composite Structures 143 (2016) 53-62
Uhlig, K. ; Tosch, M. ; Bittrich, L. ; Leipprand, A. ; Dey, S. ; Spickenheuer, A. ; Heinrich, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.01.049)
