Gestaltung von Bauteilen für die additive Fertigung aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen

Die additive Fertigung metallischer und polymerer Werkstoffe hat durch unterschiedlichste Forschungsaktivitäten und die Verfügbarkeit kommerzieller Drucksysteme in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Einerseits ermöglicht dieses Verfahren eine sehr kurzfristige Fertigung von Ersatzteilen und bietet damit im Sinne einer effizienten Logistik geringe Lagerhaltung und schnelle (just in time) Ersatzteilverfügbarkeit. Gerade im Hinblick auf die logistischen Herausforderungen bei den bestehenden Waffensystemen können sich dadurch neue Chancen ergeben. Andererseits bieten sich aber auch für die Entwicklung neuer Bauteile wesentlich größere Gestaltungsmöglichkeiten, da die additive Fertigung zumeist deutlich geringeren Fertigungseinschränkungen unterliegt.

Während die additive Fertigung von Metallen sowie unverstärkten oder kurz-bzw. langfaserverstärkten Kunststoffen gut erschlossen ist, liegen für endlosfaserverstärkte Kunststoffe bisher kaum verwertbare Erkenntnisse vor. Zwar existieren bereits einige kleinere Unternehmen, die an der Entwicklung entsprechender Drucksysteme arbeiten, kommerzielle Lösungen sind jedoch noch nicht verfügbar. Zudem basieren einige dieser Lösungen nach wie vor auf einem lagenweisen Prozess, so dass die Fertigung echter dreidimensional verstärkter Strukturen nicht möglich ist. Um die Vorteile faserverstärkter Strukturen voll nutzen zu können, ist dieser Aspekt jedoch von zentraler Bedeutung.

Um diese Probleme anzugehen, entwickeln wir einen Ansatz, der sowohl die optimale Topologie als auch die Faserpfade für eine gegebene Struktur entwirft. Ziel ist es, in 3D optimierte Strukturbauteile zu konstruieren und zu drucken und letztlich den Ansatz auf mehrachsige Robotersysteme zu erweitern.

Entwicklung eines Optimierungsrahmens

• Verwendung von Level-Set-Methoden zur Optimierung der Topologie und Faserpfade von FRC-Strukturen
• Einbeziehung von Herstellungsbeschränkungen im Zusammenhang mit dem 3D-Druck von Verbundwerkstoffen
• Generierung eines G-Codes für den einfachen 3D-Druck optimierter Teile

3D-Druck und experimentelle Prüfungen

• 3D Druck der Demonstratorteile
• Experimentelle Charakterisierung der Materialeigenschaften von 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen
• Kopplung der experimentellen und numerischen Daten für eine genaue Materialreaktion
• Vergleich der experimentellen und numerischen Leistungsverbesserungen aufgrund der Optimierung

Erweiterung auf Roboter-3D-Drucker

• Erweiterung des Frameworks und der Kenntnisse auf mehrachsige Systeme
• Optimierung von Bauteilen mit zylindrischen Oberflächen
• 3D-Druck der optimierten Komponenten

Diese Forschung hat das Potenzial, die Leistung von AM hergestellten FVK-Komponenten zu optimieren und neue Anwendungen dieser Materialien in der Fertigungsindustrie zu ermöglichen. Mit diesem Projekt versuchen wir, einen reibungslosen Prozess vom Entwurf bis zum Druck strukturell informierter FVK-Komponenten zu schaffen und dabei den Einsatz von Slicing-Software zu vermeiden, die ihre Funktionalität beeinträchtigt. Auf diese Weise werden sich die vorgeschlagenen Techniken als geeignet erweisen, funktionsorientierte Designs zu realisieren und das Potenzial von AM-Teilen als kritische Endverbrauchskomponenten zu erhöhen.

Projektlaufzeit: September 2022 bis August 2025

Fördervolumen für die Universität der Bundeswehr: ca. 273.000€

Das Projekt wird gefördert durch das Wehrwissenschaftliche Institut für Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB).