Methodisches Konstruieren für die additive Fertigung von endlosfaserverstärkten Kompositbauteilen

Die additive Fertigung umfasst eine Reihe generativer Fertigungsverfahren, die sich durch das schichtweise Aufbauen eines Bauteils auszeichnen. Dieses Fertigungsprinzip bietet dem Anwender neuartige gestalterische Freiheiten bei der Entwicklung von innovativen Produkten. Eines der am weitesten verbreiteten additiven Fertigungsverfahren ist die Materialextrusion, bei der Bauteile durch schichtweises Extrudieren eines geschmolzenen thermoplastischen Strangs aufgebaut werden. Geringen Anlagen- und Materialkosten und einer einfachen Handhabung stehen dabei vergleichsweise schlechte Materialeigenschaften gegenüber, sodass die Materialextrusion bei der Wahl geeigneter Fertigungsverfahren für mechanisch stark beanspruchte Bauteile häufig ausgeschlossen wird. Um diesem Mangel entgegenzuwirken, hat sich eine Weiterentwicklung der Materialextrusion etabliert, welche die Einbettung von Endlosfasern in die extrudierbaren Thermoplaststränge vorsieht. Die Endlosfasereinbettung geht dabei nicht nur mit einer signifikanten Steigerung der mechanischen Eigenschaften einher, sondern bietet auch zahlreiche Potenziale für die Integration von zusätzlichen Funktionen. Gleichwohl bleiben diese Potenziale aufgrund mangelnder Kenntnisse und einer unzureichenden methodischen Unterstützung während des Produktentwicklungsprozesses häufig ungenutzt. In der vorliegenden Arbeit wird daher verfahrensspezifisches opportunistisches und restriktives Gestaltungswissen systematisch erarbeitet, gesammelt und anwendergerecht aufbereitet. Um eine ganzheitliche Betrachtung der gebotenen Potenziale über den gesamten Produktentwicklungsprozess sicherzustellen, wird eine methodische Zugriffssystematik entwickelt, die einen anwendergerechten Zugriff auf das opportunistische Wissen, aufbereitet in Form von Gestaltungsprinzipien, ermöglicht. Die umfassende Berücksichtigung der Potenziale wird auch durch die Verknüpfung der gesammelten Prinzipien über eine Synergie- und Konfliktmatrix unterstützt. Restriktives Gestaltungswissen wird in Form eines umfangreichen Konstruktionskatalogs kodifiziert und zur Verfügung gestellt. Zudem werden ausgewählte Gestaltungsprinzipien anhand von experimentellen Untersuchungen validiert und der Einfluss bislang unerforschter Einflussfaktoren ermittelt. Diese Untersuchungen schließen Optimierungsansätze zur belastungsgerechten Faserausrichtung, die Hybridisierung additiv gefertigter Komposite zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften und die Ermittlung von Einflussfaktoren auf die Piezoresistivität von integrierten Sensoren ein. Zur methodischen Unterstützung des Produktentwicklungsprozesses wird eine angepasste Methodik für die Entwicklung und Gestaltung von additiv gefertigten Kompositbauteilen vorgeschlagen. Neben der Einbettung des erarbeiteten Gestaltungswissens werden in die Methodik zusätzliche verfahrensspezifische Hilfsprozesse implementiert.