Fiber Beads: Entwicklung einer numerischen Methode zur Gestaltsynthese faserverstärkter Sickenmuster
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
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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A Method for Deriving a Substitution Finite Element Model of Fiber-Reinforced Beaded Sheet Metals, NAFEMS World Congress 2021
Haberkern, P.; Ott, M.; Volk W. & Albers A.
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An approach to validate simulation models for the optimization of fiber-reinforced bead patterns. NAFEMS Deutschland, Österreich, Schweiz GmbH (Hg.): Conference Proceedings NAFEMS Seminar: Integration of Simulation and Test in Product Development
Haberkern, P.; Ott, M.; Volk, W. & Albers, A.
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Load-specific variant generation of bead cross sections in sheet metal components by unidirectional carbon fibre reinforcement. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1157(1), 012093.
Ott, M.; Haberkern, P.; Gruber, M.; Hartmann, C.; Risch, T.; Wunderling, C.; Albers, A. & Volk, W.
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Optimization of fiber-reinforced bead patterns using an evolutionary algorithm. WCSMO-14
Haberkern, P.; Ott, M.; Volk W. & Albers A.
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Einfluss der Variation von Parametern eines evolutionären Algorithmus auf die Optimierung von faserverstärkten Sickenmustern, Munich Symposium on Lightweight Design 2022
Haberkern, P.; Ott, M.; Volk, W. & Albers, A.
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Experimental Investigation of Factors Influencing the Determination of the Onset of Yielding by Temperature Measurement. Key Engineering Materials, 926, 1021-1029.
Vitzthum, Simon; Gruber, Maximilian; Rebelo-Kornmeier, Joana; Hofmann, Michael & Volk, Wolfram
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Numerical and experimental investigation on the applicability of elastomer tooling components for the manufacturing of undercut geometries by sheet metal forming. Materials Research Proceedings, 25, 289-296. Materials Research Forum LLC.
Ott, M.
