Mesoskopischer Leichtbau durch additiv gefertigte Sechseckwaben

IGCV Fraunhofer

Das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) hat ein Softwaretool entwickelt, das Daten für die additive Fertigung von Wabenstrukturen auf Freiformflächen generiert.

Leichtbau spielt in der Luftfahrt- und Automobilindustrie eine wichtige Rolle, um den Energiebedarf im Betrieb zu senken oder die Performance des Gesamtsystems zu erhöhen. Darüber hinaus werden Leichtbauprinzipien in allen Industriesektoren eingesetzt damit ein ökologischer und ökonomischer Umgang mit Rohstoffen erreicht werden kann. Allerdings können optimale Leichtbaukonstruktionen oft nicht umgesetzt werden, weil entsprechende Fertigungstechnologien zur Materialisierung nicht zur Verfügung stehen. Abhilfe können hier additive Fertigungsverfahren, wie das Laserstrahlschmelzen (LBM) schaffen. Der Prozessablauf ermöglicht dabei die Fertigung geometrisch komplexer Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit.

Das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) befasst sich mit der Optimierung von Gitter- und Wabenstrukturen für Sandwichbauteile. Bei Sandwichbauteilen wird ein leichter Kern mit festen, steifen Deckschichten versehen, wodurch sich ein Materialverbund ergibt, der deutlich bessere mechanische Eigenschaften aufweist als die Summe der Einzellagen. Dabei eignen sich Wabenstrukturen besonders gut als Kernmaterial für hochfeste Leichtbaukonstruktionen, da durch die hexagonale Geometrie höchste Kompressionsbelastungen bei minimalem Kerngewicht aufgenommen werden können. Bei der Herstellung von Wabenstrukturen mittels konventionellen Verfahren bestehen jedoch deutliche Einschränkungen in Bezug auf die Ausnutzung des Leichtbau-potenzials. Grund hierfür ist zum einen der sich durch den Einsatz konventioneller, z. B. umformender, Fertigungsverfahren ergebende regelmäßige Materialfüllgrad, der keine belastungsgerechte Optimierung der Struktur ermöglicht. So besteht bei konventionell gefertigten Wabenstrukturen kaum die Möglichkeit, an Stellen hoher Belastung mehr Material zu platzieren und an Stellen niedriger Belastung die Materialdicke der Wabenwände zu reduzieren. Außerdem sind konventionelle Verfahren nur eingeschränkt dazu geeignet, die Wabenstrukturen an die Freiformflächen anzupassen. Unter Verwendung der additiven Fertigung können Wabenstrukturen hingegen an komplexe Geometrien angepasst werden (siehe Abbildung Freiform-Wabe).

Dazu wurde am Fraunhofer IGCV ein Softwaretool für das CAD-Programm Siemens NX entwickelt, das die Ausrichtung der Waben an eine gegebene Freiformfläche vornimmt und die einzelnen Segmente der Wabe belastungsgerecht dimensioniert. Darüber hinaus können Inserts vorgesehen werden, um z. B. auch Gewinde in den Sandwichverbund einzubringen (siehe Abbildung lastoptimierte Wabe). Mittels pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren werden die so erzeugten Wabenstrukturen sowohl in Kunststoff als auch in Metall generiert. Weiteres Potenzial zur Reduzierung des Gewichts und Erhöhung der Steifigkeit liegt in der Kombination der additiv gefertigten Wabenstrukturen mit einer Deckschicht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.

(M.Sc. Matthias Schmitt, M.Sc. Matthias Illgner, Dr.-Ing. Christian Seidel, Fraunhofer IGCV)

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