Mit der steigenden Nachfrage nach Leichtbaukonstruktionen gewinnen Verbundwerkstoffe mit ihrer hohen erreichbaren Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht zunehmend an Wichtigkeit. Mithilfe der additiven Fertigung (AM) lassen sich Vorteile von Material und Fertigung verbinden. Die Fused Filament Fabrication kombiniert die klassischen Vorteile der AM mit der Möglichkeit, die anisotropen Stränge faserverstärkter Kunststoffe in Richtung des erwarteten Spannungsflusses zu platzieren, um die Effektivität des Materialeinsatzes zu erhöhen.

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. 

Bis heute gibt es 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 Projekts ist die Entwicklung eines durchgängigen Prozesses zur modellinformierten Pfadplanung und strukturellen Optimierung von additiv gefertigten Faserverbundbauteilen. Die Pfadplanung soll prozessinduzierte Fehlerquellen durch Simulation, Regelung und Modellierung der nichtplanaren Fertigung und der Faser-Matrix Kombination antizipieren und ausgleichen. Die entwurfsabhängige, lokale Festigkeit durch einen variierenden Faservolumengehalt sowie Fertigungsrestriktionen sollen in der Optimierung der grundlegenden Struktur sowie der geplanten Pfade 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. Die 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 Gesamtprozess wird durch Fertigungsversuche und strukturmechanische Tests validiert.

• Ansprechpartner: Kai Steltner
• Laufzeit: 01/2025-12/2026
• Gefördert durch: DFG