Entwicklung multiaxial belasteter Strukturelemente für Werkzeugmaschinen aus herstellungs- und belastungsgerechtem vorgespanntem faserverstärkten Mineralguss unter Einsatz simulationsbasierter Auslegungsmethoden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Götz T. Gresser; Professor Dr.-Ing. Hans Christian Möhring
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451783369

Im vorangegangenen Forschungsprojekt mit dem Titel „Verbesserung des Strukturverhaltens von Mineralguss-Bauteilen für den Einsatz im Werkzeugmaschinenbau durch optimierte Vorspannungsauslegung“ wurde empirisch nachgewiesen, dass die Integration vorgespannter Carbonfaserrovings eine signifikante Verbesserung der Eigenschaften von Mineralguss ermöglicht, insbesondere in Bezug auf Festigkeit und Steifigkeit. Weiterhin besteht jedoch ein erheblicher Forschungsbedarf hinsichtlich der simulationsgestützten Auslegung und Gestaltung von Komponenten aus vorgespanntem faserverstärktem Mineralguss (VFMG). Einerseits ist das im Material aufgebaute Eigenspannungsfeld nicht charakterisiert und kann somit bei der Auslegung eines Bauteils nicht berücksichtigt werden. Andererseits sind die Abhängigkeiten zwischen Werkstoffzusammensetzung und mechanischen Eigenschaften bisher unerforscht. Eine Auslegung mit Materialabweichungen zu den bisher untersuchten ist somit nicht möglich. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung fundierter Erkenntnisse, die als Basis für die Auslegung und Entwicklung von Strukturkomponenten aus VFMG dienen. Dies beinhaltet die Anpassung und Parametrierung des Herstellungsprozesses auf Basis der entwickelten Simulationsmodelle für anspruchsvolle, geometrisch komplexe Strukturen wie beispielsweise topologieoptimierte Tragwerksstrukturen oder Verrippungen. Gleichzeitig beinhaltet es ebenso die Untersuchung des Eigenspannungsfeldes und der Korrelation zwischen Werkstoffzusammensetzung und mechanischen Eigenschaften mit dem Ziel mechanische Eigenschaften für eine fundierte Auslegung von Strukturkomponenten prognostizieren zu können. Im ersten Teil des Projektes erfolgt hierzu zunächst eine Analyse des, durch die Integration der vorgespannten Carbonfasern entstehenden, Eigenspannungsfeldes sowie seines Aufbaus. Die Erkenntnisse werden in Kombination mit dem Aufbau einer Vorrichtung zur reproduzierbaren Vorspannungsaufbringung genutzt, um eine wiederholbare Herstellung der Teststrukturen zu ermöglichen. Weiterhin werden empirische Versuche zur Umsetzung einer lastoptimierten Werkstoffzusammensetzung durchgeführt. Die Werkstoffeigenschaften, die in den Versuchen ermittelt wurden, werden zusammen mit den Ergebnissen aus dem Vorgängerprojekt verwendet, um ein numerisches Modell zur Auslegung von Komponenten aus VFMG aufzubauen. Abschließend werden die Ergebnisse bei der Entwicklung, Auslegung, Herstellung und Prüfung einer Strukturkomponente aus VFMG validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen