Generative Designmethoden erweitern den Werkzeugkasten von Entwicklern und Wissenschaftlern und helfen komplexe Fragestellungen zu beherrschen. Gerade heterogene Werkstoffe können ihr Leichtbaupotential erst durch ein lastpfadgerechtes Design voll entfalten. Die dazu notwendigen generativen Fertigungsmethoden, wie z.B. die additive Fertigung und das Tapelegeverfahren eröffnen dabei neuen Gestaltungsspielraum. Um die Wirkzusammenhänge zwischen Prozess, Topologie, Material, etc. und die daraus resultierende Komplexität zu beschreiben, zu verstehen und zu beherrschen bietet sich der Einsatz generativer Designmethoden an. Damit können schnell individuelle Ausprägungen erzeugt und umfangreiche Trendanalysen auf diesen Daten und Modellen ausgeführt werden.

 

Heterogene Werkstoffe, wie Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde sind in der Lage, bei optimaler Auslegung und unter Ausnutzung des Multi-Material-Designs, ein hohes Leichtbaupotenzial zu entfalten. Hierzu muss die Topologie hinsichtlich der optimalen Lage und Gehalt von Verstärkungsfasern oder auch die geometrische Anordnung der Konstituenten hinsichtlich der späteren Belastung im Bauteil angepasst werden. In Summe ergibt sich ein großer Lösungsraum, der mit den konventionellen Lösungsansätzen nur mühevoll beschritten werden kann. Generative Designmethoden unterstützen dabei die Exploration des Suchraums beispielweise indem evolutionäre Algorithmen zur Topologieoptimierung eingesetzt werden.

Lastpfadgerechtes Design ist wirtschaftlich mit generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren zu erzielen. Ein zentraler Aspekt bei der Herstellung von Faserverbundstrukturen ist die Verarbeitung von Kurz- oder Endlosfasern zu Preformen, die unter Berücksichtigung von Grenzflächeneigenschaften zwischen den eingesetzten Fasern und der umgebenden Matrix zu strukturell optimierten Verbundwerkstoffen führen.

 

Im Forschungsschwerpunkt „Generative Designmethoden und Werkstoffentwicklung“ sollen unterschiedliche generative Designmethoden erforscht und auf generative Fertigungsverfahren angewandt werden. Ein Beispiel dafür stellt die additive Fertigung dar, die für unterschiedliche Materialsysteme, wie z.B. für Zement, Polymer, Metall und Keramik untersucht werden soll. Für ein lastpfadgerechtes Design ist insbesondere die Orientierung von Verstärkungsfasern während des Ablegens des Pultrudats wichtig. Hierbei wird auch die Prozessmodellierung für additive Fertigungsverfahren vorangetrieben, um daraus beispielsweise eine Werkstoffvorqualifizierung zu ermöglichen. Zudem werden auch weitere additive Verfahren wie Stereolithografie untersucht, hier spielt die Entwicklung der zu verarbeitenden Suspensionen eine wichtige Rolle. Die Herausforderungen sind die Beherrschung der Materialvielfalt und deren Auswirkung auf die lastpfadgerechte Gestaltung.

Ein weiterer Schwerpunkt bei der Verarbeitung von Lang- und Endlosfasern sind Fertigungsverfahren wie das Tapelegeverfahren oder das Fiber Patch Placement. Auch eine Kombination aus unterschiedlichen generativen Fertigungsverfahren ist geplant. So könnte beispielsweise mit Hilfe des Fiber Patch Placements eine komplexe dreidimensionale Preform strukturoptimiert abgelegt werden. Diese Geometrie müsste in einem nächsten Schritt gescannt werden, um weitere Verstärkungsstrukturen mittels additiver Verfahren aufzubringen. Hierbei spielt vor allem der Oberflächenscan, als auch die Materialkombination von Preform und Werkstoff eine wichtige Rolle.

 

Um die entsprechenden Wirkzusammenhänge während der Prozessierung von heterogenen Werkstoffen beschreiben zu können, ist ein themenfeldübergreifendes Zusammenarbeiten im KI-Produktionsnetzwerk notwendig.

Die Wirkzusammenhänge sind physikalisch schwer zu beschreiben, so dass sie mit Hilfe einer Basis von Prozess- und Charakterisierungsdaten und Prozess-Eigenschafts-Beziehungen praktikabel nur mit Hilfe von Methoden der künstlichen Intelligenz beschrieben werden können.

Alle Prozessschritte müssen deshalb digitalisiert und in-situ-Werkstoffcharakterisierungen integriert werden, um digitale Zwillinge erzeugen zu können. Des Weiteren ist es erforderlich, auch die resultierenden Bauteileigenschaften modellhaft zu beschreiben. Für den einzelnen Prozess müssen dazu drei Informationsebenen zusammengeführt werden: die Prozessparameter, die resultierenden realen Materialzustände und die Prozesssimulation. So ist es möglich, je nach gewünschten Bauteileigenschaften, die entsprechenden Prozessparameter optimal zu beeinflussen, was kombiniert mit der in-situ-Werkstoffcharakterisierung bis hin zu einer selbstoptimierten Werkstoffprozessierung führen soll. Das Ziel ist es, durch die Kombination von Werkstoff- und Prozessentwicklung Bauteile herzustellen, die unter anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt und am Ende der Nutzungsdauer einem geeigneten Wiederverwertungsverfahren zugeführt werden können.

© Universität Augsburg

Einblick in die Forschung

29. Oktober 2021

Es wird heiß: Forschen bei 2000°C

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Augsburg forschen im Rahmen des KI-Produktionsnetzwerks im Bereich „Generative Designmethoden und Werkstoffentwicklung“, wie keramische Verbundwerkstoffe entstehen und verbessern sie. Seit kurzem ergänzt ein besonderer Hochtemperaturofen die Laborausstattung. Er ermöglicht einzigartige Einblicke in die Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe.

Aktuelle Projekte

R4CMC

Das Projekt R4CMC beschäftigt sich mit der Reparatur von geschädigten keramischen Faserverbundwerkstoffen. Nach zerstörungsfreier 3D-Analyse werden Schädigungsbereiche gezielt abgetragen und anschließend über neuartige Reparaturprozesse mit geeignetem Material verfüllt. So werden Ressourcen geschont und der Ausschuss verringert.

Ansprechpartner Forschungsschwerpunkt

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Materials Engineering
  • Telefon: 0821 598-69224
  • E-Mail:
  • Raum 3016 (Gebäude W)

Koordinator Werkstoff & Produktionstechnologie

Gruppenleiter "Prozesse"
Hybride Werkstoffe
  • Telefon: + 49 821 598 - 69163
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  • Raum 2011 (Gebäude W)

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