Integrierte Strukturoptimierung und modellinformierte Pfadplanung von additiv gefertigten, endlosfaserverstärkten Kunststoffen unter Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen und entwurfsabhängiger Festigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Benedikt Kriegesmann; Professor Dr.-Ing. Thorsten Schüppstuhl
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552286673

Für Strukturen mit komplexer Faserarchitektur ist insbesondere die Übertragung einer Faserverbundkonstruktion in die Pfadplanung eines additiven Fertigungsverfahrens bisher ein weitestgehend manueller Prozess. So liegt beispielsweise das Ergebnis der Optimierung einer Faserverbundstruktur in Form eines Vektorfeldes lokaler Materialorientierungen vor. Mittels manueller Pfadplanung wird dann versucht ein Bauteil umzusetzen, dass diesem Entwurf nahekommt. Es gibt heute keinen Ansatz, um additiv gefertigte Verbundbauteile aus Endlosfasern so zu optimieren, dass ein fertigbarer Entwurf entsteht und gleichzeitig sein volles Leichtbaupotential ausgenutzt wird. Die Schwachstelle ist dabei der Übergang zwischen strukturmechanischem Modell, Pfadplanung und dem Fertigungsprozess, weshalb eine durchgängige Entwurfskette nur in enger Kooperation zwischen Strukturoptimierung und Fertigungstechnik entwickelt werden kann. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Antrags ist daher die Entwicklung eines durchgängigen Prozesses zur modellinformierten Pfadplanung und strukturellen Optimierung von additiv gefertigten Faserverbundbauteilen. Dabei soll die Pfadplanung prozessinduzierte Fehlerquellen durch Simulation, Regelung und Modellierung der nichtplanaren Fertigung und der Faser-Matrix Kombination antizipieren und ausgleichen. Außerdem sollen die entwurfsabhängige, lokale Festigkeit sowie Fertigungsrestriktionen in der Optimierung berücksichtigt werden. Dafür wird eine Methode zur fehlerkompensierenden Pfadplanung mit modellbasierten Prozessparametern entwickelt und ein Fused Filament Fabrication Prozess für die nichtplanare additive Fertigung von Faserkunststoffverbunden darauf angepasst. Diese so bestimmten Pfade sind Eingang für eine zu entwickelnde Methode zur Strukturoptimierung von Faserpfaden unter Beibehaltung der Fertigbarkeit und Berücksichtigung entwurfsabhängiger Festigkeiten und Steifigkeiten. Dieser Gesamtprozesses soll durch Fertigungsversuche und strukturmechanische Tests validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen