Nicht immer münden die Ergebnisse bionischer Betrachtung, der Topologieoptimierung oder Machbarkeit in der Fertigung in derselben Geometrie – genau genommen sogar eher selten. Im DFG-Projekt OptiFee forscht das IFW der Uni Hannover in Kooperation mit dem Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der TU Braunschweig an einer integrierten Methode, um eine Layout-Topologieoptimierung mit der Bewertung der Herstellbarkeit im Vorentwurf zu kombinieren.
Diese Bewertungsmethode im Flugzeug-Vorentwurf könnte nochmals hohe Gewichtseinsparungen mit sich bringen. Warum? Weil sie die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Gewicht, Herstellkosten und Herstellbarkeit der Versteifungslayouts aufklärt und so eine Konstruktion erlaubt, die die Grenzen besser ausschöpfen kann.
Die Rumpfhülle, die die Forschenden betrachten, ist mit vielen Quer- und Längsversteifungen verstärkt, um die wirkenden Kräfte aufzunehmen. Deren Anordnung habe sich mit der Weiterentwicklung der Bauteile und dem Materialwechsel von Aluminium auf CFK bisher kaum gewandelt.
„Ziel unseres Projektes ist, unter Zuhilfenahme eines computerbasierten Verfahrens eine belastungsgerechte Bauweise zu entwickeln. Wir werden mit Methoden der Topologieoptimierung das Versteifungslayout anpassen. Normalerweise würden daran anschließend die Herstellbarkeit geprüft, ein Fertigungsverfahren ausgwählt und die Kosten kalkuliert. Dadurch kommt es zu großen Unterschieden zwischen dem strukturell optimalen und dem effektiv herstellbaren Entwurf.“
Tim Tiemann, IFW Uni Hannover
Das Vorhaben OptiFee – so Tiemann in seinem Blogbeitrag – folgt der Forschungshypothese, dass unkonventionell versteifte Strukturen auch ohne eine detaillierte konstruktive Ausgestaltung hinsichtlich Masse, Herstellkosten und Herstellbarkeit bewertbar sind.
„Erstmals soll damit der Einsatz einer Layout-Topologieoptimierung im Flugzeug-Vorentwurf möglich werden.“
Tim Tiemann, IFW Uni Hannover
Die Projektpartner arbeiten dafür an einer zweistufigen Methode, die verschiedene Versteifungslayouts parallel vergleichend bewertet, wobei Anforderungsdefinition, Konzeptentwicklung, strukturmechanische Auslegung, Prozesskettenentwurf und Kostenbewertungen auf diese Weise in einer Gesamtmethode integriert werden sollen.
„Voraussetzung für eine präzise Herstellbarkeitsanalyse ist ein genaues Verständnis der Möglichkeiten und Prozessgrenzen der untersuchten Fertigungstechnologien“, sagt Projektmitarbeiter Tiemann. “Wir erarbeiten daher eine globale Bewertungsmethode für die Herstellung von Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff.“
Tim Tiemann, IFW Uni Hannover
Um die Methode auch in der Praxis zu validieren, nutzt das IFW die am Standort Stade verfügbaren, additiven Fertigungstechnologien des Automated Fiber Placements (AFP) und des kontinuierlichen Nassdrapierens (CWD). Im weiteren Verlauf des Projekts wird dann der Fertigungsprozess für die verbleibenden Versteifungslayouts definiert, wobei die Forschenden Qualitätsparamter, Prozesszeiten und -kosten für jedes Layout bestimmen, um die wirtschaftlichste Prozesskette herauszuarbeiten.
Letzlich sollen dann die verschiedenen Versteifungslayouts im Hinblick auf ihre Strukturmasse, die Herstellkosten und -zeiten sowie Qualitätsparameter verglichen werden können. Die Erkenntnisse sollen außerdem helfen, die Zusammenhänge bei der Auslegung und Auswahl von FVK-Strukturen besser zu verstehen und weitere Optimierungspotenziale aufzudecken.
Bild oben: Fertigungssimulation eines unkonventionell versteiften Flugzeugrumpfes im Automated Fiber Placement Prozess (Quelle: IFW)
Quelle und weitere Infos: Blogbeitrag, Pressemitteilung
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