BRIGHT Testing produziert individuelle Prüfstände für Gesamtsysteme (wie Kfz-Motoren). Die Komponenten sind mittelgroß mit flächiger Bauart, hochbelastet und dauerschwingbeansprucht. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CfK) eignet sich ideal für diese Anwendung. BRIGHT wurde in der Vergangenheit bereits von Kunden auf die Fertigung aus CfK angesprochen, da die bewegten Massen bei großen Prüfständen zunehmend an Grenzen stoßen und zu einem nicht nachhaltigen Energiebedarf des Teststands führen. Es kommt immer wieder vor, dass Prüfstandkomponenten aus Metall den Belastungen aufgrund der Anregung der Eigenfrequenzen nicht standhalten. Die geringe Stückzahl rückt die Einzelkosten für Komponenten in den Hintergrund. Allerdings ist die Auslegung und Herstellung von CfK Komponenten deutlich zeit- und kostenaufwändiger als von Metallstrukturen. Diese Mehrkosten werden maßgeblich durch das nötige Formwerkzeug verursacht, welches für die Formgebung nötig ist. Daher muss sowohl ein vereinfachtes Auslegungsverfahren sowie ein bei Stückzahl „eins“ kostengünstiges Herstellungsverfahren gefunden werden, um CfK in dieser Anwendung kosteneffizient einsetzen zu können.Ziel des Projektes ist der Aufbau einer bedienerfreundlichen Umgebung zur Simulation und Optimierung faserverstärkter individueller CfK-Bauteile und einem zugehörigen Herstellungsprozess samt Anlagentechnik. Dazu wird ein Materialkatalog in Form eines „Klick-Tool“ aufgebaut. Dieser ermöglicht es mit CfK unerfahrenem Personal anhand der Lasten und Belastungsarten eine Materialkombination auszuwählen. Der Katalog basiert auf zu erforschenden Materialcharakterisierungen, welche auch als Input für eine Struktursimulation nutzbar gemacht werden. Die Simulation bei BRIGHT basiert auf einer Siemens NX Umgebung. Damit werden derzeit isotrope Materialien in der Konstruktion statisch und dynamisch für die Auslegung simuliert. Diese muss durch eine eigene Subroutinenlösung befähigt werden anisotrope Materialien wie Carbonfasern darstellen zu können. Dafür ist die Materialmodellierung neu aufzubauen und mit entsprechendem Testing zu validieren. Darauf aufbauend ist eine Optimierung zu implementieren. Ziel ist die automatisierte Anpassung der Faserablage an einen gegebenen Lastfall. Dem Endanwender soll durch die entwickelten Algorithmen und Randbedingungen der Großteil der Simulationsaktivität abgenommen werden. Dafür ist eine eigenständige Softwareroutine nötig, welche ähnlich dem „Klick-Tool“ die komplexen Randbedingungen runterbricht und autonom mit der NX-Umgebung interagiert, um eine Optimierung ausführen zu können. Die Herausforderungen sind die Interaktion und der Aufbau einer interaktiven Anwendung zur vereinfachten Auswahl der Randbedingungen. Um die Wertigkeit weiter zu steigern wird eine Modalanalyse integriert. Diese errechnet einen Wertebereich der zu erwartenden Eigenfrequenz des optimierten Bauteils. Auf diese Weise kann das Alleinstellungsmerkmal des CfK Bauteils weiter gesteigert werden.

Die optimierte Faserablage wird anschließend von der Software in ein Stickmuster überführt, um einen individuellen Formling zu generieren.

Die Verarbeitung eines solchen „Sticklings“ zu einem Bauteil erfordert ein formstabiles Werkzeug. Dieses gibt dem Bauteil die Endkontur. Daher muss es für jede Bauteilform einzeln gefertigt werden und verursacht entsprechend hohe Gesamtkosten bei einer Kleinserie. Durch die niedrige Bauteilzahl sind die Werkzeugkosten ein maßgeblicher Faktor und rechtfertigen kein Werkzeug aus Metall oder Verbundmaterialien. In diesem Projekt wird ein Prozess für ein 3d-gedrucktes Werkzeug entwickelt. Um die Kosten entsprechend gering zu halten wird ein kunststoffbasiertes Werkzeug gedruckt. Ziel ist es ein technisches (d.h. günstiges) Polymer als Ausgangsmaterial zu nutzen und eine Druckstrategie samt Austragseinheit zu entwickeln, um eine Nachbearbeitung der Oberfläche überflüssig zu machen. Im Fokus steht zunächst die Auswahl eines geeigneten Materials welches den auftretenden Belastungen (mechanisch, thermisch, chemisch) standhalten kann. Durch den Einsatz von Kurzfaserverstärkungen im Druckmaterial wird sowohl die niedrige Wärmeleitung als auch die mechanische Belastbarkeit von Polymeren verbessert. Diese Verstärkung erhöht jedoch die Porenbildung im Druckprozess. Aus diesem Grund sind Kombinationen mit nicht verstärktem Material für das Oberflächen-Finish zu untersuchen. Da das Finish eine sehr ebene Oberfläche erfordert, soll der klassische Stufeneffekt in gedruckten Bauteilen durch das Drucken gekrümmter Schichten und die Nutzung von variablen Layerhöhen verringert werden. In diesem Kontext ist auch die Düsenaußenform zu untersuchen. Durch die gekrümmten Bahnen und eine zu entwickelnde Düse, welche durch einen breiteren Aufbau das Material beim Ablegen bessert verteilt, ist ein Prozess zu entwickeln, welcher ohne Nachbearbeitung eine ausreichend feines Oberflächen-Finish generiert. Auf diese Weise wird das sonst übliche Überfräsen der gedruckten Werkzeugkavität unnötig gemacht.

Teilnehmer des Forschungsprojektes sind:

• BRIGHT Testing GmbH
• TUM (Technische Universität München)