[HyTo3D] Verfahren zur hybriden Herstellung und Topologieoptimierung von umspritzten 3D-Wickelstrukturen für leichtbaugerechte, kostensensitive Strukturbauteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ingolf Mueller; Dr.-Ing. Sebastian Schmeer
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550248900

Im Forschungsprojekt HyTo3D soll ein neuartiges Konzept für effiziente und lastgerechte Strukturen entwickelt werden, die aus der Hybridisierung aus kurzfaserverstärktem Thermoplast mit lokaler, duroplastischer Endlosfaserverstärkung entstehen. Interagierend wird eine spezielle Methode zur Auslegung dieser Strukturen auf der Basis eines erweiterten Ansatzes zur Topologieoptimierung entwickelt, so dass Strukturbauteile mit höchster Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringster Masse sowie Kosteneffizienz und Großserientauglichkeit ermöglicht werden. Zunächst muss zur Herstellung der Endlosfaserverstärkungen ein automatisiertes, roboterbasiertes 3D-Wickelverfahren für Strukturen entwickelt bzw. deutlich erweitert werden, um komplexe, lastpfadgerechte Strukturen mit variabler Stranganzahl und einer hohen Leichtbaugüte fertigen zu können. Durch das nachträgliche Umspritzen mit kurzfaserverstärkten Kunststoffen soll die Drucksteifigkeit/-stabilität sowie die Oberflächenqualität erhöht und Funktionsflächen geschaffen werden. Es sollen bewusst duropl. Endlosfaserstrukturen thermopl. umspritzt werden, um die im bekannten rein thermopl. Prozess bestehenden Verfahrens- und Geometriegrenzen zu erweitern. Die werkstoffbedingt hohen Steifigkeiten der duropl. Einleger erlauben es bspw. sehr feingliedrige Geometrien zu fertigen, die sich während den hohen Temperaturen des Spritzgussprozesses deutlich weniger verformen als thermopl. Einleger. Zudem sind auch die späteren Bauteileigenschaften durch die duropl. Einleger weniger beeinflusst von den typischen bei Thermoplasten kritischen Einflussgrößen im Betrieb z.B. Temperatur, Feuchte, etc..Die Möglichkeiten, die die Werkstoffkombination und das Fertigungsverfahren bieten, sollen simulativ beschrieben und in einer auf das Fertigungsverfahren angepassten Topologieoptimierung integriert werden. Der Optimierungsalgorithmus soll die Anisotropie des Verstärkungswerkstoffs (endlosfaserverstärkter Kunststoff) und die Steifigkeit des Basiswerkstoffs (kurzfaserverstärkter Kunststoff) berücksichtigen, die Interface-Festigkeit zwischen den Werkstoffen einbeziehen und auch entscheiden können, wo vollständig auf Werkstoff verzichtet werden kann. So soll das Potential der Werkstoffkombination möglichst vollständig ausgeschöpft werden. Zur Weiterentwicklung des Fertigungsprozesses und des Topologieoptimierers werden im Laufe des Projektes verschiedene Demonstratoren gefertigt (2D- und 3D-Demonstratoren). Mit der Erhöhung der Komplexität der Probekörper und Demonstratoren wird neben dem Fertigungsverfahren auch die Topologieoptimierung validiert und stetig über die Projektlaufzeit weiterentwickelt. Die Referenz zur Bewertung der Entwicklungen stellen Demonstratoren dar, die basierend auf den kommerziell verfügbaren Topologieoptimierern (isotrop und einphasig) verstärkt wurden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen