Bionische Bauteilversteifungen additiv fertigen

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Automatisierte Wabenerstellung

Der Konstruktionsalgorithmus führt zu unterschiedlich ausgeformten Waben. So sind z. B. die Wabenhöhe, der Wabendurchmesser und die Wandstärken parametrisch aufgebaut und veränderlich. Zugleich kann auch der Wabenquerschnitt verschiedene Formen annehmen und sowohl entformbare, als auch mit Hinterschnitten konstruierte Strukturen erzeugen. Aufgabe des Ingenieurs ist es, Materialparameter, Lastfälle und Randbedingungen wie Steifigkeitsvorgaben oder maximal zugelassene Materialspannungen zu definieren. Ein Optimierungsalgorithmus ändert im Rahmen eines iterativen Prozesses die Parameterwerte solange, bis eine Konstruktionsweise mit minimalem Gewicht gefunden wurde, die alle definierten Grenzen und Randbedingungen erfüllt. Auf diese Weise wird eine unregelmäßige, belastungsgerechte Wabenkonstruktion generiert.

Um auf Grund von Fertigungsrestriktionen bestimmte Geometrien aus der Optimierung auszuschließen, werden Parametergrenzen definiert. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass für den Kunststoff-Spritzguss keine ungewollten Hinterschnitte oder nicht fertigbare Wandstärken entstehen. Für eine weniger restriktive Fertigung – zum Beispiel mit additiven Verfahren – lassen sich die Parametergrenzen freier einstellen.

Belastungsgerechte Versteifung

Ein aktuelles Projektbeispiel ist die in Kooperation mit Volkswagen Osnabrück durchgeführte bionische Entwicklung einer additiv gefertigten A-Säulen-Verstärkung für ein Golf Cabriolet. Nach der Analyse der Lastpfade durch eine Topologieoptimierung ergaben sich zwei markante Strukturbereiche. Im oberen Bereich ist das Bauteil stark auf Biegung beansprucht. Hier wirkt ein Konstruktionsalgorithmus für adaptive Wabenversteifungen als Schubschicht des Biegebalkens. Eine Variante findet zudem Einfluss im unteren Bereich der A-Säulen-Verstärkung zur Übertragung von Schubkräften. Im unteren Bereich ist zudem eine räumliche Auffächerung zur Übertragung von Druckkräften von den innen- zu den außenliegenden Karosserieblechen essentiell. Hier wirkt ein Konstruktionsalgorithmus für adaptive, sich verzweigende Hohlstrukturen. Adaptive Kantenversteifungen unterstützen die Anbindungspunkte im Bereich des Türscharniers.

Nach Optimierung und Crash-Validierung entsprach die Kraftaufnahme der Neuentwicklung dem Verlauf der Kraft-Weg-Kurve des Serienstandes gemäß dem Dacheindrücktest nach FMVSS 216a bis zu dem im Gesetzestext geforderten Eindrückweg von 127 mm. Dies konnte auch durch einen anschließenden Realversuch der additiv gefertigten Bauteile in einem Teilaufbau der A-Säule experimentell belegt werden. Bei ähnlicher A-Säulensteifigkeit wurden eine Gewichtreduktion von 74 % und eine Bauteilreduktion von 67 % im Vergleich zum Serienstand erzielt. (qui)

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* Sebastian Möller (M.Sc.), Projektingenieur, Alfred-Wegener-Institut, Bremerhaven

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