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Quo vadis? Optimalen Faserplatzierung in Faser-Kunststoff-Verbunden

  • CAIO - Materialoptimierung im Verbund mit Glas- oder C-Fasern, orientiert in Richtung der Hauptspannungen: tailored fiber placement
  • CAO - Formoptimierung: homogen verteilte, niedrige Spannungen
  • SKO - Topologieoptimierung: hohe Steifigkeit bei minimalem Gewicht


CAIO: Der optimale Faserverlauf in Faser-Kunststoff-Verbunden

Zuerst werden die Hauptspannungsrichtungen der zu optimierenden Struktur unter seiner Belastung ermittelt. Die Integration dieser Hauptspannungsrichtungen führt zu den Hauptspannungs-Linien. Die Referenzen /1/ bis/3/ zeigen, dass diese Integration mit Standard-FE-Programmen für ebene Strukturen und 3D-Schalen über den Umweg einer orthotropen Wärmeleitungsberechnung lösbar ist, sofern das Finite-Element-Programm über entsprechende Berechnungsoptionen verfügt. Dies ist z.B. für ABAQUS und ANSYS der Fall. Die statische Rechnung liefert die Hauptspannungs-Richtungen (1,2), die darauf folgende thermische Analyse (mit der gleichen Elementtopologie) benützt diese Richtungen für die Lokalsysteme der orthotropen Wärmeleitfähigkeiten (k1, k2). Sofern die Wärmeleitfähigkeiten extrem unterschiedlich gewählt werden, sind die gerechneten Isothermen praktisch identisch mit den gesuchten Hauptspannungs-Linien.

Tailored fiber placement: Gelenkträger

Titelblatt2
Abb. 1: Das CAIO-Verfahren ist anwendbar für den ebenen Spannungszustand in Scheiben, Platten und Schalen. Während die variable Faserplatzierung in Kunststoffmatrizen technologisch aufwendig ist, eröffnet die additive Fertigung (added manufacturing, AM) neue kostengünstige Fertigungsmöglichkeiten.
AM1 1
Abb. 2: Ausgewählte HS-Trajektorien aus Abb. 1 ergeben spezielle topologische Muster, die optimierte Lastpfade in Hauptspannungsrichtung darstellen; links: Gesamtansicht, rechts: Detail, s.auch:
Heitkamp, T., Kuschmitz, S., Girnth, S. et al. Stress-adapted fiber orientation along the principal stress directions for continuous fiber-reinforced material extrusion. Prog Addit Manuf 8, 541–559 (2023). https://doi.org/10.1007/s40964-022-00347-x