Ein simulationsbasierter Ansatz zur Auslegung additiv gefertigter FLM-Faserverbundstrukturen

Abstract

Additive Fertigungsverfahren erlauben große Designfreiheiten, die durch Design for Additive Manufacturing (DfAM) ausgeschöpft werden können. An AM-Leichtbauteile werden besonders hohe Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen gestellt. Hierfür eignen sich besonders Faser-Kunststoff-Verbunde. Mit dem Fused Layer Modelling-(FLM-)Verfahren lässt sich die ausgeprägte Anisotropie der Faser-Kunststoff-Verbunde im Vergleich zu anderen AM-Verfahren sehr zielgerichtet einsetzen. In dieser Dissertation wird daher ein strukturierter DfAM-Ansatz zur Auslegung kurzfaserverstärkter FLM-Leichtbauteile vorgestellt. Dieser berücksichtigt die orthotropen Materialeigenschaften zunächst durch eine Baurichtungsoptimierung, die den Kraftfluss im Bauteil möglichst planar in der Druckplattformebene führt. Anschließend folgt eine Topologieoptimierung mit orthotropem Materialmodell, die sowohl Außengestalt als auch Infill simultan optimiert. Eine Extrusionspfadgenerierung überführt Ergebnisse dann in druckbare Bauteile. Eine strukturmechanische FLM-Simulation erlaubt den Vergleich verschiedener FLM-Bauteile mit verschiedenen Infill-Mustern. Zur Demonstration wird ein Tragwerksknoten unter zwei Lastfällen mit dem neuen Ansatz optimiert. Die entstehende Geometrie; dieselbe Geometrie, jedoch mit anderen Infill-Mustern; und eine konventionell ausgelegte Variante werden mittels FLM-Simulation verglichen. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Steifigkeitsgewinn des neuen Ansatzes gegenüber konventionellen Alternativen, der Produktentwickelnde zudem strukturiert durch den DfAM-Prozess mit seinen herausfordernden Designfreiheiten führt