Adaptive Integration von Krafteinleitungselementen auf bestehende Strukturen

27.04.2021
Von: Anna Afanasev, Dr. Andreas Kastenmeier

Im Mai 2021 startet das Forschungsprojekt "InPrinT" des Labors Faserverbundtechnik, das sich mit der Zukunft des 3D-Drucks befasst.

Abstrahierte Referenzgeometrie: Primärstruktur mit konkaver Krümmung, ebener Fläche und konvexer Krümmung sowie Krafteinleitungselementen.

Abstrahierte Referenzgeometrie: Primärstruktur mit konkaver Krümmung, ebener Fläche und konvexer Krümmung sowie Krafteinleitungselementen.

Überführung des Prozesses in ein roboterbasiertes 3D-Drucksystem.

Überführung des Prozesses in ein roboterbasiertes 3D-Drucksystem. Grafiken: OTH Regensburg/Anna Afanasev.

Aufgrund des steigenden Leistungspotentials von technischen Produkten und ressourceneffizientem Leichtbau werden metallische Strukturen immer mehr durch aufwendig konzipierte Kunststoffbauteile mit und ohne Faserverstärkung substituiert. In Bezug auf die mechanischen Materialeigenschaften zeigen sich bisher faserverstärkte, duroplastische Kunststoffe (FVK), wie sie häufig in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden, am geeignetsten, weisen jedoch neben anderen Nachteilen vor allem kosten- und zeitintensive Fertigungsverfahren auf. Aus diesem Grund existiert in den letzten Jahren eine starke Fokussierung auf der Entwicklung von thermoplastischen FVK und deren Herstellungsmethoden, siehe z. B. Organobleche und -tapes.

Für flächige Bauteile und -gruppen setzt sich ein kombiniertes Verfahren aus Blechumformung zur Erzeugung flächiger Strukturen mit nachträglicher Anbringung von Sekundärstrukturen und Krafteinleitungselementen (Laschen, Schnapphaken usw.) über Spritzguss oder klassische nachträgliche Verbindungstechnologie durch. Somit sind diverse Prozessschritte mit sehr kostenintensiven Auslegungsprozessen und Werkzeugen verbunden. Zudem lassen sich Änderungen oder Individualisierungen der Bauteile nur aufwendig realisieren und die mögliche Geometrie ist aufgrund der sicherzustellenden Entformung eingeschränkt.

Das Forschungsprojekt “InPrinT” zielt auf die Entwicklung eines adaptiv-integrativen Fertigungsverfahrens auf Basis der Additiven Fertigung (3D-Druck) ab, welches die oben genannten Nachteile umgeht und eine freiere Gestaltung von Sekundärstrukturen erlaubt. Die Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH Regensburg) arbeitet an der Fakultät Maschinenbau unter der Leitung von Prof. Dr. Ingo Ehrlich (Technologie-Campus Neustadt a. d. Donau, Labor Faserverbundtechnik) zusammen mit der Firma thinkTEC 3D GmbH an diesem Thema.

Herausforderung Prozesstechnik, Verbindungsgestaltung und Anhaftungsqualität

Das Augenmerk wird vor allem auf die Erzeugung sowie kraft- und verbindungsgerechte Gestaltung des stoffschlüssigen Übergangs zwischen der Primärstruktur und dem adaptiv-integrativ gedruckten Element gerichtet. Die flächige Primärstruktur übernimmt dabei die hauptsächlichen Bauteillasten und die adaptiv-integrativ aufgebrachten Bauteile dienen zur Erfüllung von Sekundäraufgaben wie Befestigungen. Der Prozess wird zunächst an ebenen thermoplastischen FVK-Primärstrukturen erarbeitet, auf gekrümmte Strukturen erweitert und schließlich bei der Firma thinkTEC 3D GmbH in ein Robotersystem überführt.

Die Zielgrößen sind neben dem generellen Fertigungsprozess, die Anhaftungsqualität sowie Verbindungssteifigkeit und -festigkeit. Neben der konstruktiven Gestaltung des Übergangsbereiches zählen die Adaption von Druckwerkstoff und Trägermaterial, das Aufnehmen der Grundstruktur, beispielsweise mittels 3D-Scan, sowie die Betrachtung der Schälkräfte des Krafteinleitungselements, die beispielsweise aus dem Fertigungsverfahren resultieren, zu den Herausforderungen bei der Entwicklung des beschriebenen Verfahrens. Des Weiteren soll die komplette Prozesskette von der Aufnahme der Grundgeometrie, über den 3D-Druckvorgang zur Anbringung der Krafteinleitungselemente mittels Fused-Filament-Fabrication-Verfahren (FFF), bis hin zur Prüfung und Auswertung der Verbindungsstelle dargestellt werden.

Anwendung in der Kunststoff- und Automobilindustrie

Das Verfahren wird zusammen mit der Firma thinkTEC 3D aus Grafenau entwickelt. Das Unternehmen wird den Prozess zukünftig als Dienstleistung für die Bearbeitung komplexer, individueller Strukturen einsetzen. Dabei soll das erlangte Wissen die Wettbewerbsfähigkeit und die Innovationskraft des jungen Unternehmens nachhaltig stärken. Das am abstrahierten Beispiel entwickelte adaptiv-integrative Fertigungsverfahren kann nach der Erarbeitung der grundlegenden Vorgehensweise auf andere Anwendungsbereiche übertragen werden. Dazu gehören Verkleidungsteile, beispielsweise mit komplexen Aufbauten, die aufwendig zu befestigen sind oder eine komplexe Formgebung haben und in speziell ausgestatteten Nutzfahrzeugen verbaut werden. Im Bereich des Wohnmobilbaus kommen neben der äußeren Hülle des Fahrzeugs ebenfalls Teile im Interior, beispielsweise Halterung für Möbel, dazu. Auch die Anfertigung ergonomischer Sitzkonstruktionen, etwa für einen behindertengerechten Umbau von Fahrzeugen, wird in der Zukunft angestrebt. Der Einsatz des adaptiv-integrativen Fertigungsverfahrens kann in diesem Bereich einen signifikanten Vorteil bieten, da für viele Varianten und individuelle Kleinserien schnell Bauteile mit adaptiven Sekundärstrukturen gefertigt werden können.

 

Über den Technologie-Campus Neustadt an der Donau

Die Tradierung von generiertem Wissen in Wirtschaft und Forschung, um Neuentwicklungen anzustoßen und den Stand der Technik in den spezifischen Forschungsfeldern Leichtbau und Werkstoffsimulation auf ein neues Niveau zu heben, ist eine der Grundaufgaben des Technologie-Campus Neustadt an der Donau. Das zweijährige Projekt "InPrinT" wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programms Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) an der OTH Regensburg mit einer Summe von ca. 183.000 Euro gefördert.

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