In Zusammenarbeit mit Airbus Helicopters hat die Neue Materialien Bayreuth neue Designansätze für additiv gefertigte Sandwich-Kernstrukturen simulativ und experimentell untersucht. Ziel der Arbeiten war es, die Kerne lastgerecht zu optimieren und diese durch direkt integrierte Halterungen, Krafteinleitungen oder Verschraubungen zu funktionalisieren.
Dazu muss man wissen, dass Halterungen und Schraubverbindugen bei Sandwichbauteilen in der Regel mit Inserts realisiert werden, die einen zusätzlichen Arbeitsschrit erfordern und durch Material und Kleber zu einem höheren Bauteilgewicht führen. Mit additiven Fertigungsverfahreln können dagegen die Kernstrukturen maßgeschneidert und anwendungsgerecht ausgelegt werden. So lässt sich die Strukturgeometrie genau dort verstärken, wo später die Befestigungen anzubringen sind und darüber hinaus kann der Sandwichkern dem Prinzip der Funktionsintegration folgend mit Gewinden oder Kanälen ausgestattet werden. Im Ergebnis wird weniger Arbeitsaufwand benötigt und das Bauteil wird leichter.
Im Projekt wurden dazu von den Partnern Simulation und topologische Optimierung kombiniert. In der Software wurde dazu zunächst die Startgeometrie erstellt und die Randbedingungen definiert. Anschließend wurde eine mechanische Simulation durchgeführt, deren Ergebnis mit einer homogenen Wabenstruktur überlagert wurde. Die Wandstärke der Waben sollte dabei proportional zur Spannung zunehmen. Auf Basis dieser Informationen wurde iterativ die optimierte Struktur generiert. Letztlich wurde die so entwickelte, belastungsoptimierte Wabenstruktur auf einem HP Multi Jet Fusion 3D-Drucker aus PA12 als Kunststoffmaterial gedruckt.
Der Projektpartner Airbus Helicopters identifizierte relevante Anwendungen für die gedruckten Kernstrukturen, beispielsweise kleinere Sandwichbauteile in den Leitwerken. Für solche Bereiche mit komplexer Geometrie, vielen Funktionselementen und stark inhomogen verteilten Lasten kann der Kern komplett gedruckt werden. Die belastungsoptimierten Kernstrukturen mit integrierten Halterungen und Schraubverbindungen können in der Herstellung Arbeitszeit und Fertigungsschritte einsparen und ermöglichen, das Gewicht um maximal 20 Prozent bezogen auf die lokale Dichtereduktion durch Substitution der Metallkomponenten.
Bild oben: Additiv gefertigte Wabenstruktur mit lastoptimierter Struktur und integrierten Verschraubungen (Quelle: NMB)
Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, Plastverarbeiter
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