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Fiber Beads: Entwicklung einer numerischen Methode zur Gestaltsynthese faserverstärkter Sickenmuster

Fachliche Zuordnung Leichtbau, Textiltechnik
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Förderung Förderung von 2019 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431606085
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im DFG-Forschungsprojekt "Fiber Beads" wurde die Integration von Sicken in Hybridmaterialbauweise in Blechschalenkomponenten als Konstruktionsmethode für Leichtbauanwendungen untersucht. Diese erfolgte durch eine lokale Einbringung von unidirektional, kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (UD-CFVK) in den Obergurtbereich der Sicken. Zielsetzung gegenüber bereits etablierten Strategien zur Sickeneinbringung waren eine weitere Erhöhung der Bauteilsteifigkeit in Relation zur Bauteilmasse sowie eine Vergrößerung der Flexibilität in der Fertigung. Dazu wurde für eine Demonstratorkomponente eine mehrstufige Fertigungsprozesskette ausgelegt und experimentell umgesetzt. Ergänzend wurde ein numerisches Optimierungstool für die Bauteilauslegung entwickelt. Der Fokus bei der Auslegung der Fertigungsprozesskette lag auf der Umsetzbarkeit im industriellen Umfeld. Sie beinhaltet die Schritte Blechumformung, Oberflächenvorbehandlung und -strukturierung sowie das Aufbringen und Aushärten der UD-CFVK-Verstärkung. Zum Umformen angepasster Sickenquerschnitte wurde die Eignung von additiv gefertigten Werkzeugaktivelementen aus Elastomerwerkstoffen untersucht. Als Oberflächenstrukturierungsverfahren mit kurzen Prozesszeiten wurden eine Laserstrukturierung und Sandstrahlen umgesetzt. Mit dem roboterbasierten Automated Fiber Placement (AFP)-Verfahren wurde eine für große Stückzahlen geeignete Methode mit hohem erreichbaren Automatisierungsgrad zur Aufbringung der Verstärkungsstrukturen gewählt. Zur Unterstützung im Produktentwicklungsprozess wurde eine rechnergestützte Optimierungsmethode entwickelt, mit welcher lastfallspezifisch die optimale Lage sowie der lokale Grad der Verstärkung zur Steifigkeitsmaximierung ermittelt werden kann. Hierfür wurde für eine robuste Optimierung auf Basis eines Detailmodells aus einer Tiefziehsimulation ein Ersatzmodell entwickelt, welches mittels Materialparametersätzen verschiedene Verstärkungsgrade abbildet. Dadurch kann ein hinreichend ähnliches strukturmechanisches Verhalten abgebildet werden. Mit dem implementierten Algorithmus kann iterativ die Zuweisung der Parametersätze angepasst werden, um ein steifigkeitsoptimiertes Verstärkungsmuster zu ermitteln. In einer Erweiterung der Optimierungsmethode wurde ein Verfahren zur Ermittlung eines Grundbauteils mit lastfallspezifischen Varianten entwickelt. Durch die Platzierung im Obergurtbereich der Sicken kann mit einer geringen Menge an UD-CFVK eine signifikante Erhöhung des Flächenträgheitsmoments und damit der Biegesteifigkeit erzielt werden. Zudem können durch die unidirektionale Faserausrichtung die anisotropen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs genutzt werden. Dadurch wird eine wirtschaftliche Anwendung des Werkstoffs UD-CFVK für eine flexible Fertigung von lastangepassten Produktvarianten ermöglicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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