BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM (B-I-C)
BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM
(B-I-C)
am_rEINFORCE
Entwicklung eines Numerik-Tools zur lastgerechten Orientierung von Endlosfasern in additiv gefertigten Strukturen
In dem Projekt AM_Reinforce ging es um die Entwicklung einer biologisch inspirierten Methode zur belastungsgerechten Endlosfaserverstärkung additiv gefertigter Tragwerke. Das B-I-C unterstützte hierbei mit der Entwicklung eines Numerik-Tools zur lastgerechten Orientierung von Endlosfasern in additiv gefertigten Strukturen nach biologischem Vorbild.
Additive Fertigungsverfahren -wie der 3D-Druck- haben sich für die Herstellung individueller Einzelstücke und Kleinstserien etabliert, da sie die werkzeuglose und daher wirtschaftliche Fertigung von Kunststoffbauteilen erlauben. Problem der additiven Fertigung ist die geringe Struktursteifig- und -festigkeit, die die Traglast einschränken. Eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften kann durch die Integration von Faserverstärkungen erreicht werden. Bisherige Verfahren, z.B. das Fused Deposition Modeling (FDM) sahen das schichtweise Einbringen der Fasern entlang der Druckpfade vor. Geschickter und Ziel des Projektes AM_Reinforce war es, eine Methode zu entwickeln, bei der die Fasern entlang der Hauptbelastungspfaden der Tragstruktur ausgerichtet werden.
In Zusammenarbeit mit der J. Schmalz GmbH und dem Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik wurde die Methode an einem Kragarm für ein ergonomisches Handhabungssystem – wie es z.B. als Exoskelett zum Anheben von Waren von einer Person verwendet werden kann – getestet.
Bauraum des Kragarmes für ein Exoskelett, der Kragarm wird links und rechts über der Schulter positioniert (Quelle: B-I-C)
Das B-I-C entwickelte ein an den Bauraum angepasstes und mit Hilfe von SKO optimiertes CAD-Modell. In einem weiteren Schritt wurde aus diesem mit Hilfe von CAIO die optimale Ausrichtung der Verstärkungsfasern bestimmt. Die errechneten Pfade wurden in ein CAD-Modell überführt, so dass nach der additiven Fertigung die Fasern in die entsprechenden Kanäle eingebracht werden können. Dies erfolgt von den abstrahierten Hauptlastpfaden in Form von Drahtmodellen, welche zu einer Kanalstruktur aufgedickt und abschließend mit Matrixmaterial umhüllt wurden.
In dem zur Verfügung stehendem Bauraum wurde mit Hilfe von SKO ein auf Leichtbauweise optimiertes CAD-Modell errechnet (oben), in dem mit Hilfe von CAIO die Hauptlastpfade ermittelt wurden (unten). (Quelle: B-I-C)
(A)
(B)
(C)
Darstellung des weiteren Entwicklungsprozess: (A) Ein Drahtmodell zur belastungsgerechten Anordnung der Faserverstärkung, (B) die Erstellung der Kanalstruktur und (C) das CAD-Modell für die Bauteilstruktur. (Quelle: B-I-C)
Ergebnisse der FEM-Simulation und anhand des vom Fraunhofer Instituts gefertigten Prototypens zeigen, dass mit Hilfe der neuen Methode das Zug-E-Modul im Vergleich zu einer unverstärkten Struktur verzehnfacht und die Zugfestigkeit verdreifacht werden konnte.
Hauptnormalspannungen am Modell (links) und an den Faserkanälen (rechts): Rottöne zeigen die Zugspannungen, Blautöne zeigen die Druckspannungen. (Quelle: B-I-C)
Additiv gefertigter Prototyp (Quelle: Fraunhofer IWU)
Das Forschungsprojekt AM_Reinforce wurde wurde im Rahmen des „Ideenwettbewerbs Biologisierung der Technik“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Leitung und Mitarbeitende am B-I-C
Prof. Dr. aNTONIA b. Kesel
Prof. Dr. SusannA Labisch
Hauke ISermann (B. Sc.)