An optimization method for the design of beads in long fiber reinforced polymer structures including the manufacturing process as an approach to realize methodically identified lightweight potentials = Eine Optimierungsmethode zur Gestaltung von Sicken in langfaserverstärkten Kunststoffstrukturen unter Berücksichtigung des Herstellungsprozesses als Ansatz zur Realisierung methodisch identifizierter Leichtbaupotentiale
Creators: name: Revfi, Sven Michael
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Bead optimization
Extended Target Weighing Approach (ETWA)
Sheet Molding Compound
fiber-adapted design
lightweight design
multi-material design

description: Mobilitätssysteme befinden sich in einer Zeit des Umbruchs, da sich die Randbedingungen aus Politik und Gesellschaft gerade stark verändern. Im Fokus steht dabei, den Energie- und Ressourcenverbrauch sowie die CO2-Emissionen zu senken. Eine Möglichkeit diesen Herausforderungen zu begegnen, stellt der Leichtbau dar. Um die größtmögliche Gewichtsreduzierung erreichen zu können, ist eine konsequente Integration der Leichtbauaktivitäten in den gesamten Produktentstehungsprozess notwendig. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Unterstützung des Produktentwicklers in verschiedenen Aktivitäten des Produktentstehungsprozesses, indem sie sich mit den Fragen „wie können Bauteile aus langfaserverstärkten Kunststoffen fasergerecht gestaltet werden“ und „wo sind diese in einem intelligenten Multi-Material Design (MMD) zielführend einzusetzen“ beschäftigt. Zur Frage „wie“ wird für die initiale Designfindung von versickten, langfaserverstärkten Bauteilen eine rechnergestützte, automatisierte Optimierungsmethode entwickelt. Bei diesem anisotropen Werkstoff ist es entscheidend, dass die aus dem Herstellungsprozess resultierenden Faserorientierungen im Bauteildesign berücksichtigt werden. Deshalb liegt der Optimierungsmethode eine iterative Kopplung von validierten Prozess- und Struktursimulationen zugrunde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Berücksichtigung der lokal anisotropen Materialeigenschaften im Vergleich zu einer isotropen Materialmodellierung zu deutlich unterschiedlichen Designs führt. Um diese last- und fasergerecht designten Bauteile in einem MMD zielführend einsetzen zu können, ist jedoch zusätzlich die Frage nach dem „wo“ zu beantworten. Deshalb beschäftigt sich die Arbeit weiterhin mit der Entwicklung des funktionsbasierten Erweiterten Target Weighing Ansatzes (ETWA) zur komponentenübergreifenden Identifikation und Evaluation von Leichtbaupotentialen. Der ETWA unterstützt den Produktentwickler bei der Konzeptgenerierung in frühen Phasen des Produktentstehungsprozesses, in denen bereits ein Großteil des späteren Produktgewichts festgelegt wird. Dabei werden sowohl in der Analyse als auch in der Synthese die mit dem Gewicht und dessen Reduktion einhergehenden Kosten und CO2-Emissionen gemeinschaftlich betrachtet. Die Ergebnisse der mithilfe des ETWA im Rahmen dieser Arbeit entwickelten MMD eines Automobil-Federbeindoms und -Längsträgers zeigen das Potential der Methode auf. Die Kombination des ETWA und der fasergerechten Gestaltung versickter langfaserverstärkter Bauteile bietet eine methodische Unterstützung bei der Entwicklung von MMD insbesondere in frühen Phasen der Produktentstehung.