Simulationsgestützte Entwicklung von belastungs-, werkstoff- und prozessgerechten Lasteinleitungselementen für thermoplastische Faserverbundwerkstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408132410

Die Gestaltung und Dimensionierung der Verbindungszonen stellt häufig einen Schlüsselaspekt bei der erfolgreichen Entwicklung hybrider Leichtbauweisen im Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau dar. In vielen Bereichen des Leichtbaus hat sich dabei die Nutzung metallischer Lasteinleitungselemente als zuverlässige und effiziente Verbindungstechnik für Faser-Kunststoff-Verbunde etabliert. Bisher müssen derartige Inserts aber entweder mit hohem Aufwand bei der Bauteilherstellung oder in einem separaten nachgeschalteten Arbeitsschritt eingebracht werden. Mittels eines neuartigen automatisierten Verfahrens können Inserts erstmals warmumformtechnisch bereits während des Bauteil-Fertigungsprozesses in thermoplastische Faserverbundwerkstoffe integriert werden. Dabei werden die Verstärkungsfasern mittels eines Dornes anforderungsgerecht umorientiert, was zu einer skalenübergreifend komplexen Werkstoffstruktur mit örtlich variierenden Faserorientierungen und Faservolumengehalten führt. Für die realitätsnahe Beschreibung des Tragverhaltens derartiger Verbindungen muss die Werkstoffstruktur der Lasteinleitungszone in den Auslegungsprozess einbezogen werden. Eine durchgängige skalenübergreifende Prozess- und Struktursimulation ist bisher nicht möglich und die rein experimentelle Herangehensweise geht mit einem inadäquat hohen Versuchsaufwand einher.Im Rahmen des Vorhabens soll daher eine neuartige Methodik zur experimentell gestützten virtuellen Charakterisierung von Lasteinleitungszonen entwickelt werden, welche erstmals einen effizienten systematischen Entwicklungsprozess warmumformtechnisch eingebetteter Inserts ermöglicht. Hierzu wird der Ansatz verfolgt, je Gestaltungsvariante eine repräsentative Lasteinleitungszone prototypisch herzustellen. Anschließend sollen mit Hilfe der Computertomographie die lokalen Faserorientierungen und Faservolumengehalte in der Lasteinleitungszone auf Mikroskala erfasst werden. Aus diesen ortsbezogenen Informationen zur Werkstoffstruktur sind die lokalen werkstoffmechanischen Eigenschaften abzuleiten und in ein Finite-Elemente-Modell zu überführen. Dies ermöglicht, das Deformations- und Schädigungsverhaltens der Lasteinleitungszone für die auslegungsrelevanten Belastungen zukünftig realitätsnah numerisch zu beschreiben. Auf dieser Basis wird eine Gestaltungssystematik für Lasteinleitungselemente unter Berücksichtigung von werkstoff- und prozesstechnischen Gesichtspunkten erarbeitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Robert Kupfer