Verfahrens- und Methodenentwicklung für die generative Fertigung von komplexen Leichtbaustrukturen in Hybridbauweise

Ressourcenschonung als eine Herausforderung unserer Zeit erfordert effiziente Strukturbauweisen, um neben dem Materialeinsatz den Energiebedarf von bewegten Systemen zu reduzieren. Dabei werden lastpfadorientierte Stabtragwerke typischerweise in Profilbauweise gefertigt und besitzen aufgrund der differenziellen Strukturkomposition eine Vielzahl an steifigkeits- und festigkeitsmindernden Fügestellen. Dementsprechend besteht ein Bedarf nach Fertigungsverfahren, die eine bionisch inspirierte, generative Fertigung von hybriden Faserverbundstrukturen ermöglichen. Für eine entsprechende Verfahrensentwicklung werden automobile Betriebsmittelstrukturen wie Robotergreifer und Montagehilfsmittel als Pilotanwendung selektiert. Anhand der beschriebenen Prämissen wird ein neuartiges, generatives Fertigungsverfahren basierend auf einer kernlosen, dreidimensionalen Wickeltechnologie und einer drucklosen Epoxidhärtung entwickelt. Dazu werden Umlenkelemente auf einer Werkzeugplatte fixiert und mithilfe eines robotergestützten Faserablagewerkzeuges mit vorimprägnierten Hochleistungsfasern umwickelt. Als Lasteinleitungselement werden isotrope Knotenpunkte durch Faserschlaufen formschlüssig in die Faserverbundstruktur integriert. Die resultierenden Kraftübertragungsmechanismen, Wickelpfad- und Prozessparametereinflüsse werden anhand von Probekörpern auf mikro- und makrolaminarer Ebene erforscht. Für eine leichtbaugerechte Gestaltung der Wickelstrukturen werden numerische Modellierungsansätze untersucht und an Beispielstrukturen experimentell validiert. Dies stellt die Grundlage für die Entwicklung einer automatisierten, digitalen Auslegungs- und Bahnplanungsmethodik dar. Anhand von Referenzapplikationen aus dem automobilen Betriebsmittelwesen wird abschließend das Potenzial dieser Technologie gegenüber konventionellen Bauweisen erforscht. Dabei zeigt sich, dass dieses Verfahren neuartige, kosteneffiziente Bauweisen mit hohen Leichtbaugraden ermöglicht.