Fertigungsgerechte Bauteilauslegung

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Das kommende Beispiel basiert auf einen gegebenen Bauraum, in dem zwei Lasten und zwei Befestigungszonen gegeben sind, (Bild 3a). In diesem Bauraum kann eine Topologieoptimierung mit einem isotropen Material durchgeführt werden um die Zonen zu finden in denen Material benötigt wird. Nach einer Anpassung diese Geometrie an die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen muss der Lagenaufbau des Bauteils optimiert werden.

Dazu werden sechs balkenartige Zonen definiert, in denen jeweils der Lagenaufbau aus UD-Lagen optimiert wird, (Bild 3b). Bei zehn jeweils symmetrischen Lagen mit variabler Lagendicke und Faserorientierung ergibt dies 60 Optimierungsvariablen. Der Optimierungsalgorithmus kann mit zwei zusätzlichen Variablen eine Lage aus einem Kurzfasermaterial mit variabler Dicke hinzufügen. Diese Lage umschließt das gesamte Bauteil inklusive der Freiflächen zwischen den Balken umschließt. Das Kurzfasermaterial hat mechanisch schlechtere Eigenschaften als das UD-Material, besitzt aber bessere Flusseigenschaften. Es können nun zwei Optimierungsansätze verglichen werden:

• Eine reine Gewichtsoptimierung mit Berücksichtigung mechanischer Randbedingungen

• Eine Gewichtsoptimierung mit Berücksichtigung mechanischer Randbedingungen und zusätzlicher Füllzeitoptimierung

Die mechanischen Lastfälle werden mithilfe der Finite-Element-Methode berechnet werde. Dazu wird das Bauteil mit 40.754 Quad-4-Elementen vernetzt. Das selbe Netz wird vom Prozess-Estimator verwendet um die Füllzeit zu berechnen. Dies benötigt pro Berechnung ungefähr eine Minute Rechenzeit auf einem Standardcomputer. Der optimale Lagenaufbau in jedem Balken unterscheidet sich je nach Optimierungsansatz. Der Hauptunterschied besteht in der Verwendung des Kurzfasermaterials. So beinhaltet das optimale Bauteil im zweiten Fall eine Lage Kurzfasermaterial, im ersten jedoch nicht. Zwar ist das zweite optimale Bauteil um 2 % schwerer als das erste, aber dafür reduziert sich die Injektionszeit um 87 %.

Prozess-Estimatoren erlauben wirtschaftlichere Produktion

Zusätzlich zur Injektionszeitreduzierung ergibt sich auch ein anderes Füllmuster für beide Bauteile. Im ersten Fall treffen Harzströme an mehreren Stellen aufeinander (Bild 4a). An diesen Stellen besteht eine erhöhte Fehlerwahrscheinlichkeit, durch die die mechanischen Eigenschaften vermindert werden und aufgrund derer solche Phänomene vermieden werden sollten.

Eine Füllzeitverminderung von 87 % durch kleine Veränderungen im Lagenaufbau bei minimaler Gewichtszunahme zeigt eindeutig, wie wichtig es ist, das Herstellverfahren bei der Bauteiloptimierung zu berücksichtigen. Die Prozess-Estimatoren sind dazu sehr gut geeignet, da die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der Fertigung schnell und ohne intensive Rechenkapazitäten erfolgt. Somit werden sie dazu beitragen, dass Faserverbundwerkstoffe künftig vermehrt im Automobilbau verwendet werden.

* Benedikt Eck ist Doktorand am Faurecia Composites Chair, GeM Laboratory an der Ecole Centrale de Nantes in 44321 Nantes/Frankreich, Tel. (+33) 6 52 63 44 61, benedikt.eck@ec-nantes.fr, Christophe Aufrère ist Vize-Präsident für Technologie und Strategie bei Faurecia in 92000 Nanterre/Frankreich

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