Lastpfadgerechte Strukturoptimierung für Faserablagetechnologien

Faserablageverfahren wie Tailored Fiber Placement (TFP) sind sehr gut geeignet um kleinere und komplexe Geometrien zu fertigen. Zur Entwicklung und Auslegung von Strukturen mit einem hohen Leichtbaugrad bietet sich eine Topologieoptimierung zur Designfindung an. Bisherige Algorithmen beziehen sich hierbei auf isotrope Materialien, während die Berücksichtigung der Anisotropie gegenwärtig noch Teil der Forschung ist. Gerade Designs für mehrere Lastfälle können mit bisherigen Methoden, bspw. Hauptspannungen nicht mehr ausgelegt werden.

Anisotrope Topologieoptimierung:

Für diese komplexen Materialbeziehungen sind effizient zu wählende Laminate essentiell. Die Materialverteilung und -orientierung spielen zudem zwei große Rollen. Zum einen haben die Orientierungen einen großen Einfluss auf die sich ausbildende Topologie, zum anderen sind die Vektoren zur Generierung des Maschinenpfads bspw. für TFP erforderlich.

Der am IFB entwickelte Algorithmus berücksichtigt mittels eines parametrisierten, zwei-dimensionalen Material-Designraumes nicht nur unidirektionale Materialausprägungen, sondern nimmt ebenso Bezug auf die biaxialen Spannungszustände in den Kreuzungspunkten der anisotropen Topologie.

TFP-Zusatzeffekte:

Zusatzeffekte wie lokale Faservolumengehälter und Steifigkeiten von Stickgründen berücksichtigt werden.

• Durch übereinander verlaufende, sich kreuzende Faserbahnen entstehen lokal unterschiedliche Dicken, welche einen Einfluss auf das strukturelle Bauteilverhalten haben kann. Als Variable ist hierbei der Faservolumengehalt wichtig, welcher während der Optimierung lokal angepasst wird.
• Der Stickgrund kann aus verschiedensten Materialien bestehen. Er kann Teil einer übergeordneten Struktur in Form eines Laminates sein, aber auch Folien, Papier, etc. umfassen. Diese zusätzlichen Steifigkeiten können in die Optimierung als konstant integriert, aber auch optimiert werden, bspw. für das Dry-Fiber-Placement.