Additiv gefertigte Sandwichstrukturen mit oberflächenbasierten Latticekernen: Analyse, Simulation und Experiment

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Mittelstedt
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535913617

Dieses Projekt befasst sich mit der Analyse, Simulation und Prüfung von additiv gefertigten Sandwichstrukturen aus AlSi10Mg unter mechanischer Belastung, wobei der Kern aus oberflächenbasierten Lattices besteht. Bei den zu betrachtenden oberflächenbasierten Lattice-Sandwichkernen werden Effekte sichtbar, die von isotropen Strukturen nicht bekannt sind und die bei der Modellierung und Analyse berücksichtigt werden müssen. Insbesondere sind hier die transversalen Spannungen und Koppeleffekte durch funktional gradierte Kerne zu nennen, was die Anwendung einer Sandwichtheorie höherer Ordnung erfordert. Diese neu entwickelte Theorie wird so implementiert und aufbereitet, dass sie von Ingenieuren in der Praxis direkt angewendet werden kann. Der Stand der Forschung zeigt, dass zwar eine beträchtliche Anzahl von Veröffentlichungen vorliegt, die sich mit Sandwichtheorien höherer Ordnung befassen, dass aber die Zahl der Untersuchungen mit strebenbasierten Gitterkernen im Vergleich dazu erstaunlich gering ist, umso mehr bei flächenbasierten Gittern, so dass in diesem Bereich ein erheblicher Forschungsbedarf besteht. Es ist zu erwarten, dass die Modellierung im Rahmen einer Sandwichtheorie höherer Ordnung um Größenordnungen geringere Rechenzeiten aufweist als vergleichbare Simulationen mit kommerziellen FEM-Softwaresystemen, was eine detaillierte Betrachtung rechtfertigt. Neben der statischen Analyse muss auch das Beulverhalten berücksichtigt werden. Eine Sichtung der Literatur zeigt, dass insbesondere zu Phänomenen wie dem Plattenbeulen, aber auch zum Beulen der Deckschichten bei Vorhandensein von flächigen Gitterkernen, keine Erkenntnisse vorliegen, so dass auch hier ein sehr deutlicher Forschungsbedarf besteht. Neben einfachen Fällen wie dem Beulen von Plattenstreifen, die sich aus der entwickelten Sandwichtheorie leicht ableiten lassen, muss dem Deckschichtbeulen für verschiedene Arten von Randbedingungen und Lastfällen Aufmerksamkeit geschenkt werden. Es ist absehbar, dass analytische Lösungen hier nur für sehr elementare Arten von Randbedingungen möglich sind, so dass man stattdessen auf energiebasierte Näherungsmethoden mit geeigneten Reihenentwicklungen für die Zustandsgrößen zurückgreifen muss. Besonders wichtig ist es, auch das Beulen der Deckschichten, das z.B. im Sinne der Modellierung einer elastisch gebetteten Platte behandelt werden kann, detailliert zu untersuchen und einer Analyse zugänglich zu machen. Die theoretischen Erkenntnisse dieses Projekts sollen durch entsprechende Versuche validiert werden. Zu diesem Zweck muss der Versuchsaufbau definiert und ein Versuchsprogramm entwickelt werden. Auf der am Institut des Antragstellers vorhandenen additiven Fertigungsanlage werden Probekörper hergestellt und statische Prüfungen an Kernproben sowie an Sandwichproben durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen