Generative Designmethoden und Werkstoffentwicklung
Generative Designmethoden erweitern den Werkzeugkasten von Entwicklern und Wissenschaftlern und helfen komplexe Fragestellungen zu beherrschen. Gerade heterogene Werkstoffe k?nnen ihr Leichtbaupotential erst durch ein lastpfadgerechtes Design voll entfalten. Die dazu notwendigen generativen Fertigungsmethoden, wie z.B. die additive Fertigung und das Tapelegeverfahren er?ffnen dabei neuen Gestaltungsspielraum. Um die Wirkzusammenh?nge zwischen Prozess, Topologie, Material, etc. und die daraus resultierende Komplexit?t zu beschreiben, zu verstehen und zu beherrschen bietet sich der Einsatz generativer Designmethoden an. Damit k?nnen schnell individuelle Auspr?gungen 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 Verst?rkungsfasern oder auch die geometrische Anordnung der Konstituenten hinsichtlich der sp?teren Belastung im Bauteil angepasst werden. In Summe ergibt sich ein gro?er L?sungsraum, der mit den konventionellen L?sungsans?tzen nur mühevoll beschritten werden kann. Generative Designmethoden unterstützen dabei die Exploration des Suchraums beispielweise indem evolution?re 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 Grenzfl?cheneigenschaften zwischen den eingesetzten Fasern und der umgebenden Matrix zu strukturell optimierten Verbundwerkstoffen führen.
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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, 新万博体育下载_万博体育app【投注官网】l und Keramik untersucht werden soll. Für ein lastpfadgerechtes Design ist insbesondere die Orientierung von Verst?rkungsfasern w?hrend des Ablegens des Pultrudats wichtig. Hierbei wird auch die Prozessmodellierung für additive Fertigungsverfahren vorangetrieben, um daraus beispielsweise eine Werkstoffvorqualifizierung zu erm?glichen. 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 k?nnte beispielsweise mit Hilfe des Fiber Patch Placements eine komplexe dreidimensionale Preform strukturoptimiert abgelegt werden. Diese Geometrie müsste in einem n?chsten Schritt gescannt werden, um weitere Verst?rkungsstrukturen mittels additiver Verfahren aufzubringen. Hierbei spielt vor allem der Oberfl?chenscan, als auch die Materialkombination von Preform und Werkstoff eine wichtige Rolle.
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Um die entsprechenden Wirkzusammenh?nge w?hrend der Prozessierung von heterogenen Werkstoffen beschreiben zu k?nnen, ist ein themenfeldübergreifendes Zusammenarbeiten im KI-Produktionsnetzwerk notwendig.
Die Wirkzusammenh?nge 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 k?nnen.
Alle Prozessschritte müssen deshalb digitalisiert und in-situ-Werkstoffcharakterisierungen integriert werden, um digitale Zwillinge erzeugen zu k?nnen. 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 Materialzust?nde und die Prozesssimulation. So ist es m?glich, 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 k?nnen.
Projekte
Ceraheat 4.0 – LCA meets AI
Im Projekt Ceraheat4.0, gef?rdert vom BMWK im Rahmen des Greentech-Calls, erschlie?en die Partner aus Industrie und Forschung Ressourcen- und Energieeffizienzpotentiale für faserverbundkeramische Hochtemperatur-Leichtbausysteme. Zudem digitalisieren sie die Herstellprozesse und vernetzen diese zu einer durchg?ngigen intelligenten Prozesskette.
HotTurb
In einem Teilprojekt von HotTurb ist eine hei?gasstabile Faser-Matrix-Interphase für SiC-SiC Verbundwerkstoffe Gegenstand der Forschung. Hierzu wird unter anderem ein optimaler Herstellungsprozess mittels reaktiver Schmelzinfiltration entwickelt und das Sch?digungsverhalten des resultierenden Verbundwerkstoffes modelliert und simuliert.
R4CMC
Das Projekt R4CMC besch?ftigt sich mit der Reparatur von gesch?digten keramischen Faserverbundwerkstoffen. Nach zerst?rungsfreier 3D-Analyse werden Sch?digungsbereiche gezielt abgetragen und anschlie?end über neuartige Reparaturprozesse mit geeignetem Material verfüllt. So werden Ressourcen geschont und der Ausschuss verringert.
