Entwicklung und Modellierung konstruktiver Gestaltungs- und Fertigungsrichtlinien für FDM-Strukturen zur partiellen Verstärkung von Hybridstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Forschungsprojekts war die Entwicklung und Modellierung konstruktiver Gestaltungs- und Fertigungsrichtlinien für lastfallgerecht angepasste FDM-Verstärkungsstrukturen. Dabei lag der Fokus der Untersuchungen auf der Festigkeitsoptimierung mittels einer spezifischen Auslegung der FDM-Prozessparameter. Ziel war es, für jeden der fünf Belastungsarten (Zug, Druck, Biegung, Kerbschlagzähigkeit und Torsion) ein mathematisches Modell zur Optimierung und Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von FDM-Verstärkungsstrukturen aufzustellen. Neben der Optimierung der Prozessparameter wurde zusätzlich eine Topologieoptimierung auf Basis einer FEM-Analyse durchgeführt, wobei die erzeugte FDM-Verstärkungsstruktur für einen ressourcenschonenden Einsatz ein möglichst geringes Gewicht aufweisen sollte. Abschließend sollten die Erkenntnisse und Ergebnisse aus den durchgeführten experimentellen Untersuchungen in Form von Gestaltungs- und Fertigungsrichtlinien für die Herstellung von FDM-Verstärkungsstrukturen zusammengefasst werden, um den Anwender der FDM-Technologie bei der frühzeitigen und detaillierten Auslegung des Prozesses und den zugehörigen Bauteilen zu unterstützen. Die Analyse der Fertigungsrandbedingungen hat gezeigt, dass eine Vielzahl an beeinflussbaren Fertigungsparametern und nicht beeinflussbaren Fertigungsrestriktionen berücksichtigt werden müssen. Die nicht beeinflussbaren Fertigungsrestriktionen, wie z. B. minimale Wanddicken, wurden zunächst ermittelt und müssen für die Herstellung von FDM-Bauteilen bedacht werden. Die beeinflussbaren Fertigungsparameter können von dem Anwender variiert werden. Auch diesbezüglich gibt es jedoch Grenzen und insbesondere Wechselwirkungen zwischen den Parametern, die bekannt sein müssen. Andernfalls führt eine falsche Auslegung der FDM-Prozessparameter zu Bauteilfehlern. Durch die Analyse der Fertigungsrandbedingungen wurde die Grundlage für die nachfolgenden reproduzierbaren Untersuchungen und insbesondere das Prozessfenster für die statistische Versuchsplanung erarbeitet. Die Auswertungen der Modellierungs- und Optimierungsergebnisse auf Basis der statistischen Versuchsplanung (Response Surface Methode) lieferten die signifikanten Einflussgrößen auf die mechanischen Eigenschaften der FDM-Verstärkungsstrukturen aus denen anwendbare Fertigungsrichtlinien für die fünf untersuchten Belastungsarten abgeleitet werden konnten. Dabei gelten für alle Lastfälle folgende Erkenntnisse. Die flache Aufbaurichtung liefert die höchsten Festigkeitswerte. Der Strangabstand und die Kombination aus Rasterwinkel und Rasterfolgewinkel sind entscheidend für die mechanischen Eigenschaften sowie die Leichtbaukennzahl der FDM-Verstärkungsstrukturen. Hinsichtlich der weiteren Richtlinien zur Einstellung der Prozessparameter ist festzuhalten, dass diese Parameter die Festigkeit der FDM- Verstärkungsstrukturen in Abhängigkeit der verschiedenen Belastungsarten in unterschiedlichem Maße beeinflussen. Daher muss bei diesen Parametern eine lastfallabhängige Wahl der Parametereinstellung getroffen werden. Die Validierung der mathematischen Modelle hat gezeigt, dass die Einflüsse im Wesentlichen richtig vorhergesagt werden. Die Vorhersage unterliegt jedoch kleinen Abweichungen, da die Einflüsse einiger FDM-Prozessparameter teilweise leicht überschätzt oder auch unterschätzt werden. In weiteren Untersuchungen wurde zusätzlich eine lastfallgerechte Topologieoptimierung auf Basis einer FEM- Simulation durchgeführt. Das Leichtbaupotential von FDM-Verstärkungsstrukturen wurde durch die Anpassung der äußeren Gestalt weiter erhöht. Bezüglich der Modellvalidierung haben die Untersuchungen ergeben, dass mit dem gewählten orthotropen/transversal isotropen Materialmodell für die Zugbelastung realitätsnahe Ergebnisse erzielt werden können. Bei der Biegebelastung kommt es zu Abweichungen von etwa 32 % aufgrund der überproportional instabilen Bereiche bei spitzen Überhangwinkeln. Im Zuge eines erweiterten Festigkeitsnachweises wurden die dynamischen Langzeiteigenschaften von den FDM-Verstärkungsstrukturen untersucht. Ziel war die Ermittlung von Wöhlerkurven zur Abschätzung der Lebensdauer unter Berücksichtigung unterschiedlicher Laststufen. Für die Druckbelastung konnte festgestellt werden, dass ab 60 % der quasistatischen Maximallast ein Parametereinfluss auf die dynamischen Langzeiteigenschaften nachgewiesen werden kann. Bei einer um 90° alternierenden Rasterfolge und einer Strangbreite von 0,5064 mm wurde die höchste Zyklusanzahl von ungefähr 132.000 Zyklen erreicht. Außerdem konnte ein Versagensmechanismus mit drei unterschiedlichen Rissen detektiert und anhand von Schliffbildern erklärt werden. Bei den Biegeuntersuchungen erreichte die Bauvariante mit einem Rasterwinkel von 0° und einem negativen Strangabstand von -0,03 mm die höchste Zyklusanzahl von ungefähr 64.000 Zyklen bei 30 % der quasistatischen Maximallast. Abschließend erfolgte die Herstellung der Hybridstruktur mit einem vollautomatisierten und reproduzierbaren Einlegeprozess. Die Prüfung der Verbundfestigkeit hat ergeben, dass die FDM-Verstärkungsstruktur fest mit dem GITBlow-Grundträger verbunden ist. Die mechanischen Eigenschaften der Hybridstruktur zeigen eine deutliche Verbesserung der Festigkeit gegenüber den unverstärkten Probekörpern. Dieser Effekt ist auch unter Berücksichtigung der Leichtbaukennzahl zu erkennen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Entwicklung lastfallgerechter Fertigungsrichtlinien für FDM-Strukturen zur Verstärkung von Hybridbauteilen. Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V., 2. Tagung des Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen, Berlin, Deutschland (2017)
Moritzer, E.; Hirsch, A.; Bürenhaus, F.
- Dauerschwinguntersuchungen an FDM-Verstärkungsstrukturen. Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V., 3. Tagung des DVM- Arbeitskreises Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen, Berlin, Deutschland (2018)
Moritzer, E.; Hirsch, A.; Paulus, S.
- Development and Modeling of Design and Process Guidelines for FDM Structures for the Partial Reinforcement of Hybrid Structures. 34th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS), Taipei, Taiwan (2018)
Moritzer, E.; Hirsch, A.; Bürenhaus, F.
