Page 16 - ILK Forschungsbericht 2020

Promotionen

Promotion Dr.-Ing. Roman Koschichow

Zur Auslegung von Faserverbund-Bauteilen unter
Berücksichtigung des variablen Faservolumengehaltes

Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude

Die stetig steigenden Ansprüche gefertigtes Bauteil Dickenprofil Lagenkonturen Verteilung des FVG
an Maschinenbaukomponenten Vorgabe neuartige
in Hinblick auf einen ressourcen- Methode
schonenden Umgang mit den
verwendeten Werkstoffen und Vorderkante Hinterkante
einen energetisch effizienten Ein-
satz dieser Komponenten führen
zur verstärkten Verwendung von
Hochleistungswerkstoffen mit
hohem Leichtbaupotential, wie
etwa von Faserverbundwerk-
stoffen. Die Erschließung der
vollen Leistungsfähigkeit dieser
Werkstoffklasse erfordert be-
reits im Entwicklungsprozess die
Nutzung geeigneter Auslegungs-
werkzeuge. Innovative Methoden zur Steigerung der er- somit Defizite existierender Ansätze gezielt adressiert
reichbaren Güte einer FE-Analyse können dazu beitragen, und behebt. Insbesondere der Faservolumengehalt, der
die Entwicklungszeiten dieser Bauteile signifikant zu redu- als Schlüsselparameter jedes FKV-Bauteils agiert, nimmt
zieren. Dabei müssen jedoch zuverlässige Modellierungs- in der erarbeiteten Methode einen zentralen Punkt ein.
methoden in die numerisch gestützten Strukturanalysen
integriert werden, um die gewünschte Vergleichbarkeit Am Beispiel einer FKV-Turbinenschaufel konnte unter
zwischen virtuellem und realem Strukturverhalten von Fa- Nutzung der neuartigen Methode gezeigt werden, dass
ser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen zu gewährleisten. die Berücksichtigung der nicht konstanten Verteilung des
Faservolumengehalts die Ergebnisgüte einer numerisch
Insbesondere für FKV-Bauteile mit variierender Bauteil- gestützten Eigenfrequenzanalyse deutlich steigert. Durch
dicke und komplexer Geometrie können und dürfen die physikalisch begründete Annahme der lokal veränder-
relevante werkstoffspezifische Parameter, wie etwa Faser- lichen Steifigkeitskennwerte in der untersuchten Struktur
und Matrixeigenschaften, lokaler Faservolumengehalt konnte die prozentuale Abweichung von durchschnittlich
(FVG) und Kompaktierbarkeit der textilen Halbzeuge nicht 12,7 % mit einer Streuung von 3 % auf lediglich 5,2 % mit
vernachlässigt werden. Gleiches gilt für fertigungstech- einer Streuung von 0,63 % bezogen auf das Experiment
nische Einflussfaktoren im Preformingprozess, wie etwa verbessert werden.
Lagengestaltung, Kompaktierung und Faservolumenge-
haltsänderung. Viele dieser Parameter beeinflussen sich Die erzielten Ergebnisse der numerischen und der expe-
gegenseitig und stehen oft in Wechselwirkung zueinander. rimentellen Analysen zeigen eindrucksvoll, dass die ent-
wickelte Methodik eine signifikante Verbesserung des
Im Rahmen der Arbeit wurde eine neuartige Methode Auslegungsprozesses von FKV-Bauteilen ermöglicht. Hin-
zur Auslegung von FKV-Bauteilen erarbeitet, die die Ein- sichtlich der Genauigkeit sowie der Effizienz numerisch
beziehung werkstoffspezifischer und fertigungstechni- gestützter Bauteilanalysen weist dieser Ansatz eine große
scher Aspekte in den Auslegungsprozess ermöglicht und praktische Relevanz auf.

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