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Verbundwerkstoffe Faserverbundbauteile lokal durch individuelle Verstärkungstextilien optimieren

Autor / Redakteur: Sebastian Stein, M.Sc. Dr.-Ing. Jonathan Sprehe / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Durch Verknüpfung von Modellen aus der Strukturmechanik, Materialoptimierung und Fertigungsplanung untereinander und mit einer Parameterdatenbank können lokal verstärkte Faserverbundbauteile innerhalb kürzester Zeit für eine Serienanwendung konzeptioniert und wirtschaftlich bewertet werden.

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Ein ganzheitlicher Produktentstehungsprozess für lokal optimierte FVK-Bauteile macht das Einsparpotenzial durch individuell verstärkte textile Halbzeuge industriell nutzbar.
Ein ganzheitlicher Produktentstehungsprozess für lokal optimierte FVK-Bauteile macht das Einsparpotenzial durch individuell verstärkte textile Halbzeuge industriell nutzbar.
(Bild: RWTH Aachen)

Durch ihre spezifischen Eigenschaften zeichnen sich faserverstärkte Kunststoffe (FVK) gegenüber klassischen isotropen Werkstoffen auf der einen Seite für eine Vielzahl von technischen Anwendungsmöglichkeiten aus, auf der anderen Seite stellen sie neue Herausforderungen an Wirtschaftlichkeit und Fertigung. Bei FVK-Strukturen muss, anders als bei isotropen Werkstoffen, neben der Bauteilgeometrie auch der Werkstoff selbst, sprich der innere Faserverlauf definiert werden. Technische Vorteile wie die exakte Ausrichtung der Fasern auf die Beanspruchung, bedingen oftmals komplexe Auslegungs- und Fertigungsmethoden und haben folglich negative Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit des späteren Produkts. Insbesondere eine Skalierung, analog zu isotropen Werkstoffen wie bspw. Metallen, ist daher ökonomisch meist nicht sinnvoll. Dies gilt insbesondere für Tailored Textiles, Textilien mit lokal optimierten Verstärkungen. Sie besitzen großes Potenzial, Kosten und Gewicht um bis zu 30 % bzw. 26 % gegenüber konventionellen Bauteilen aus FVK zu reduzieren, da eine Überdimensionierung vermieden und der Verschnitt des Materials signifikant reduziert werden kann.

Ein breiter industrieller Einsatz wird bisher jedoch durch fehlende Kenntnisse hinsichtlich des tatsächlichen Einsparpotenzials im späteren Produkt und dem Mangel an geeigneten Konstruktionsvorschriften verhindert. Im Rahmen des Forschungsprojektes Tailored Composites wurde daher ein ganzheitlicher Produktentstehungsprozess (PEP) für lokal optimierte FVK-Bauteile ausgearbeitet und ange­wendet, um das tatsächliche Einsparpotential von Tailored Textiles zu ermitteln und industriell nutzbar zu machen.

Ganzheitliche Betrachtung nötig

Die ganzheitliche Betrachtung im PEP ist unerlässlich, da die Verstärkungselemente direkten Einfluss sowohl auf die strukturelle Integrität des Bauteils, als auch auf die Fertigung und die damit einhergehenden Kosten haben. Die Modellierung dieser Zusammenhänge bildet folglich das Schüsselelement, um das Potential von Tailored Textiles für die Serienanwendung nutzbar zu machen.

Für eine effiziente Produktentwicklung ist eine frühzeitige Festlegung der Fertigungstechnologie in der Konzeptphase des PEPs unabdingbar. So wurde eine Methode entwickelt, verschiedene Technologien hinsichtlich ihrer Eignung für den individuellen Anwendungsfall zu bewerten. Die Me­thode ist in die vier Teilschritte „technologieneutraler Vorentwurf“, „Prozessketten-Simulation“, „wirtschaftlich-technische Bewertung“ und „Gegenüberstellung & Entscheidung“ unterteilt. Um die Einsparpotentiale von Tailored Textiles voll auszunutzen, werden aus einem technologieneutralen Vorentwurf des Produkts fertigungsgerechte Konzepte erstellt. Diese werden direkt mit den wichtigsten Restriktionen und einflussreichsten Kostentreibern der jeweiligen Fertigungstechnologie verknüpft und in Echtzeit bewertet.

Der technologieneutrale Vorentwurf des Produkts bildet hierbei das Rückgrat der Methode. Basierend auf einer initialen isotropen Finite-Elemente-Analyse werden zu verstärkende Bereiche ermittelt. Diese Bereiche werden anhand des Betrages und der Orientierung der lokalen Hauptspannungen definiert, sodass die resultierenden Verstärkungen die Steifigkeit und Festigkeit des Produkts signifikant verbessern und gleichzeitig den benötigten Materialbedarf im Sinne des Leichtbaus auf ein Minimum reduzieren.

Fertigungstechnologien bewerten

Die Gegenüberstellung der Fertigungstechnologien erfolgt hinsichtlich wirtschaftlicher und technologischer Aspekte und bildet somit die Grundlage für die strategische Technologieauswahl in der Produktplanung. Diese Aspekte, allen voran Fertigungskosten und -restriktionen, resultieren dabei aus der vereinfachten Simulation von verschiedenen Produktionsketten, die eine Abschätzungen über den Ressourcenverbrauch der betrachteten Technologien zulassen. Die fertigungstechnisch bedingten Abweichungen zum strukturmechanischen Optimum werden in Form eines Qualitätsparameters bewertbar gemacht und kontinuierlich im Entwicklungsprozess aktualisiert. Hierzu wird, basierend auf der Überlagerung des mechanisch optimalen Modells und der betrachteten Fertigungskonzepte, unter Berücksichtigung der lokalen Standardabweichung zum mechanischen Optimum eine Kennzahl abgeleitet.

Parameter werden zwischen den unterschiedlichen Modellen im Prozess verknüpft, sodass Änderungen unmittelbar im Gesamtsystem verarbeitet und nachvollzogen werden können. Innerhalb dieses digitalen Systems sind die Input-Parameter Lastfall und Geometrie direkt mit den einzelnen Auslegungsmodellen verknüpft, wodurch eine simultane Betrachtung von Struktur-, Materialoptimierung und fertigungstechnischer Konzeptionierung ermöglicht wird. Durch diesen Ansatz wird die hohe Anzahl an Freiheitsgraden in der frühen Konzeptphase bewertbar und die damit einhergehende Unschärfe und Komplexität minimiert. Dabei werden die Auswirkungen von Änderungen einzelner Input-Parameter, Entwicklungsparameter und weiterer Randbedingungen auf das Ergebnis in Form von Bauteilgewicht und -kosten direkt sichtbar. Durch die automatische Berechnung mit einem breiten Feld an Input-Parametern kann somit eine vergleichende Abschätzung zwischen den Fertigungstechnologien für eine Reihe von Produktvarianten in kürzester Zeit erzeugt werden.

Konstruktionsrichtlinie als Ziel

Im weiteren Verlauf wird die Methode in ein PDM-System integriert, um somit eine eindeutige Daten- und Rollenzuweisung zu den einzelnen Prozessschritten zu erhalten. Anschließend soll dieser Ansatz gemeinsam mit Industriepartnern an ausgewählten Produkten aus den Bereichen Maschinenbau, Automotive und Luftfahrt verifiziert werden. Die Ergebnisse werden final in Form einer Konstruk­tionsrichtlinie und eines Softwaretools umgesetzt und für eine industrielle Anwendung zugänglich gemacht. (qui )

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* Sebastian Stein, M.Sc. Dr.-Ing. Jonathan Sprehe; Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung der RWTH Aachen

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