Wissenschaftliche Hilfskraft: Optimierung endlosfaserverstärkter, 3D-gedruckter Strukturen

Der granulatbasierte Extruder-3D-Druck (FGF) eignet sich hervorragend für die werkzeuglose Fertigung großformatiger Bauteile mit komplexer Geometrie, womit insbesondere Kleinserien wirtschaftlich herstellbar sind. Durch den vollständigen Einsatz wiederverwendbarer Ausgangsmaterialien auf Basis aufschmelzbarer Thermoplastwerkstoffe lassen sich großformatige Strukturbauteile nachhaltig herstellen. Allerdings ist diese Technologie derzeit noch von markthemmenden Defiziten geprägt. So führt der schichtweise Materialaufbau zu einer starken Anisotropie mit einer verringerten Festigkeit senkrecht zur Druckebene. Die strukturelle Performance infolge der Anisotropie und die gängige Verwendung von unverstärkten bzw. kurzfaserverstärkten Kunststoffen ist für hochbelastete Bauteile nicht ausreichend. Trotz des hohen Potentials ist daher die Herstellung hochbelastbarer Strukturen derzeit noch nicht im FGF-Verfahren realisierbar. 

Die Steigerung der Traglast und des Leichtbaugrades additiv gefertigter Kunststoffstrukturen stehen daher im Fokus von Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IWU. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Erreichung einer belastungsgerechten Endlosfaserverstärkung mittels automatisiertem Tapelegen (ATL). 

Neben der prozess- und anlagentechnischen Realisierung ist eine zielführende Methode für die strukturelle Auslegung und Optimierung zu entwickeln. Die allgemeinen FEM-Systeme sind darauf angelegt, Spannungen in Modellen zu visualisieren, doch die Modelle selbst nicht zu modifizieren. Hauptspannungen können zwar bestimmt werden, deren optimale Ausrichtung ist jedoch nicht vorgesehen. Für eine Anwendung von Endlosfasern ist zudem die Unterscheidung der Hauptspannung hinsichtlich der Belastungsrichtung (Zug/Druck) relevant. 

Es soll ein Berechnungswerkzeug entwickelt werden, welches für vorab definierte Randbedingungen eine Optimierung der Topologie der Modelle vornimmt und visualisiert. In diesen Modellen sollen anschließend Bereiche identifiziert werden, die mithilfe von Endlosfasern versteift werden können. Der optimale Verlauf der Endlosfasern soll visualisiert und in einem 3D-Druckmodell untergebracht werden können.