Fiber Beads: Entwicklung einer numerischen Methode zur Gestaltsynthese faserverstärkter Sickenmuster

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Albert Albers; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431606085

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die gezielte und einstellbare Erhöhung der Steifigkeit versickter Blechbauteile durch eine lokale Einbringung von unidirektional, faserverstärktem Kunststoff (UD-FVK) im Obergurtbereich von Sicken. Hierzu soll eine Methode entwickelt werden, die auf Basis von Hauptbiegespannungstrajektorien und unter Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen die optimale Lage und der dem spezifischen Lastfall angepasste Grad der Verstärkungen (Querschnittsfläche, Position) ermittelt. Damit können aus wirtschaftlicher Sicht mit einem einzigen Umformwerkzeug verschiedene, auf den Lastfall angepasste Bauteilvarianten gefertigt werden. Im Forschungsvorhaben werden Stahl und Aluminium betrachtet. Das Leichtbaupotential von Stahl liegt darin, dass der Steifigkeitsverlust bei einer Reduzierung der Wandstärke durch das Einbringen von versteifenden Fasern kompensiert werden kann. Bei Aluminium liegt es in der geringen spezifischen Dichte des Werkstoffs. Die Validierung erfolgt anhand des Werkstoffes, der das größte Potential zeigt.Um für die Lagen von UD-FVK eine möglichst große Adhäsionsfläche zu schaffen, soll in den Obergurtbereich einer Sicke eine zusätzliche Adhäsionssicke eingebracht werden (je für Stahl- und Aluminiumbleche). Hierfür werden zuerst mögliche Querschnittsformen für solch eine Adhäsionssicke in Abhängigkeit des Restumformvermögens identifiziert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt sowohl in der prinzipiellen als auch der wirtschaftlichen Herstellbarkeit des komplexen Umformteils. Es sollen zwei verschiedene Verstärkungsstufen erarbeitet werden, die je nach Grad der gewünschten Versteifung (Anzahl an UD-FVK-Lagen) eingesetzt werden können. Zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften zwischen den UD-FVK-Lagen und dem Blechbauteil werden geeignete Mikrostrukturierungen untersucht. Des Weiteren erfolgt eine experimentelle Untersuchung der unverstärkten und verstärkten Sickenvarianten für beide Materialien.Parallel dazu erfolgt die Entwicklung einer computergestützten Methode zur numerischen Berechnung der optimalen Lage der Verstärkung und deren Verstärkungsgrad. Hierzu wird die Simulation der Adhäsionssicke mit eingebrachten UD-FVK als Detailmodell durchgeführt, um die Eigenschaften dieser Verstärkungsform numerisch untersuchen zu können. Für eine folgende effiziente Optimierung wird aus den Erkenntnissen des Detailmodells ein Ersatzmodell abgeleitet. Dieses Ersatzmodell soll dabei derart aufgebaut werden, dass die Eigenschaften der Adhäsionssicke inklusive Endlosfaserverstärkung mithilfe angepasster Materialeigenschaften von Shell-Elementen vereinfacht abgebildet werden können. Darauf aufbauend wird eine Parameteroptimierung erstellt, die je nach Lastfall den lokal optimalen Einsatz von Endlosfaserverstärkungen ermittelt.Dadurch ist es möglich, aus nur einem Blechgrundbauteil durch den Einsatz verschiedener Verstärkungsvarianten auf unterschiedliche Einsatzfälle optimierte Bauteilvarianten zu fertigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen