Integrierte Methode für Prozessplanung und Strukturentwurf im Faserverbundleichtbau.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena; Professor Dr.-Ing. Peter Horst
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299367589

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Forschungshypothese dieses Vorhabens lautete, dass das frühzeitige Einbeziehen von Fertigungsaspekten in den ersten Phasen des Strukturentwurfs die Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen konstruktiven und fertigungstechnischen Kriterien erlaubt und zur Vermeidung von kostenintensiven Iterationsschleifen im weiteren Entwicklungsprozess beiträgt. Daher zielte das Vorhaben auf die Entwicklung und Untersuchung einer Methode für den automatisierten Entwurf von Struktur und Prozesskette für Hochleistungs-FKV-Strukturen. Die Güte einer Lösung wird dementsprechend über konstruktive Kriterien (Masse) und Fertigungskriterien (Herstellkosten) bewertet. Die Erkenntnisse dieses Forschungsvorhabens konnten aufzeigen, dass in Wechselwirkung stehende Struktur- und Prozessmerkmale starken Einfluss auf das Gewicht und die Kosten eine Faserkunststoffverbundstruktur besitzen. Daher wurde das methodische Vorgehen von Konzept- und Entwurfsphase in einem übergeordneten Vorgehensmodell gemeinsam abgebildet, um eine zeitgleiche Betrachtung der Merkmale gewährleisten zu können. In den Untersuchungen von Ablaufstrategie und Auswahlstrategie wurden fünf Phasen definiert, in die das Vorgehen zur integrierten Entwicklung unterteilt wird: 1) Anforderungsdefinition an ein Basiskonzept, 2) Ableiten von Material- und Geometriealternativen des Basiskonzepts, 3) Erweiterung der Lösungsmenge durch Variationen im Produktstruktur- und Produktionskonzept mit anschließender Konzeptbewertung und sukzessiver Konzeptreduktion 4) bei gleichzeitiger stufenweiser Konkretisierung relevanter Lösung und 5) Abstimmung des Finalkonzepts mit hochwertigen Entwurfs- und Planungsmethoden. Die dafür entworfene Methodik konzentriert sich im Wesentlichen auf die Erzeugung und Bearbeitung großer Lösungsmengen, die im Rahmen der Konzept- und Entwurfsphase durch die Betrachtung von Bauweisen- und Prozesskettenalternativen entstehen. Auf Grundlage von Struktur- und Prozesskatalogen wurden Regeln entworfen, die die Erzeugung gültiger Gesamtlösungen sicherstellen. Um die Vielfallt an entstehenden Struktur- und Prozesskettenalternativen miteinander vergleichen und bewerten zu können, wurde eine Massebewertung auf Basis des Fully-Stressed-Design-Ansatzes mit Optimierung auf analytischen Modellen umgesetzt. Neben der Masse wurden die Produktionskosten auf Basis schnell rechnender analytischer Prozessmodelle bzw. für AFP und ATL Regressionsmodelle als Bewertungskriterium herangezogen. Dabei hat sich gezeigt, dass Qualitätsmerkmale wie der Faservolumenanteil, Ondulationen, Lücken, Poren und Faserwinkelabweichungen entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften haben und als steifigkeitsmindernder Einfluss im weiteren Entwurfsprozess berücksichtigt werden. Das im Rahmend es Vorhabens umgesetzte Vorgehensmodell bietet somit die Möglichkeit, die gegenseitige Beeinflussung von technologiespezifischen Restriktionen und Strukturmerkmalen systematisch zu untersuchen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Systematic Process Chain Creation for CFRP Structures in Early Product Development Stages. Advanced Materials Research, Vol. 1140, pp 328-334, 2016
  Behr, M., Schmidt C.
  
• Systematische Erstellung von Prozessketten in frühen Phasen der Produktentwicklung von CFK-Strukturen, WGP Kongress, 2016
  Denkena, B. Schmidt, C., Behr, M.
  
• Estimation of production cost in an early design stage of CFRP lightweight structures. Proceedings of 10th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering - CIRP ICME, 2017
  Denkena, B., Horst, P., Schmidt, C., Behr, M., Krieglsteiner, J.
  
• Simplified Representation of Complex Components for Finite-Element-Analysis. Proceedings of 18th European Conference on Composite Materials
  Reichert, L., Krieglsteiner, J., Schmidt C., Horst, P.
  
• An Integrated Development Process for Stiffened Shell Lightweight Structures. Proceedings of 7th International Conference on Research Into Design
  Krieglsteiner, J., Horst, P., Schmidt, C.
  
• Definition and Representation of Stiffened Shell Structures in the Context of an Integrated Development Process. Aircraft Engineering and Aerospace Technology 2019
  Krieglsteiner, J., Horst, P., Schmidt C.