Verfügbarkeit: Ein simulationsbasierter Ansatz zur Auslegung additiv gefertigter FLM-Faserverbundstrukturen

Ein simulationsbasierter Ansatz zur Auslegung additiv gefertigter FLM-Faserverbundstrukturen:

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Völkl, Harald (VerfasserIn)
Format:	Abschlussarbeit Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Erlangen FAU University Press 2022
Schriftenreihe:	FAU Studien aus dem Maschinenbau Band 393
Schlagworte:	Rapid Prototyping Faserverbundbauteil Leichtbau Simulation Produktionstechnik Rapid Prototyping > Fertigung Fused Deposition Modeling Maschinenbau Ingenieurwissenschaften Design for Additive Manufacturing Hochschulschrift
Online-Zugang:	Volltext Volltext Volltext Volltext Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	xx, 204 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 17 cm, 646 g
ISBN:	9783961475230 3961475237 9783961475247
DOI:	10.25593/978-3-96147-524-7

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS FORMELZEICHEN UND ABKUERZUNGSVERZEICHNIS ..................................... IX BILDVERZEICHNIS .................................................................................... XIII TABELLENVERZEICHNIS ............................................................................. XIX 1 EINLEITUNG ............................................................................... I 1.1 MOTIVATION: DESIGN FOR ADDITIVE MANUFACTURING ........................... I 1.2 AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT ............................................................. 3 1.3 EIGENANTEIL AN PUBLIKATIONEN .......................................................... 5 2 STAND DER TECHNIK ................................................................. 7 2.1 ADDITIVE FERTIGUNG: DEFINITION UND MERKMALE ............................ 7 2.1.1 ADDITIVE FERTIGUNGSVERFAHREN .............................................. 8 2.1.1.1 LASERBASIERTE VERFAHREN ..................................................... 8 2.1.1.2 EXTRUSIONSBASIERTE VERFAHREN ............................................ 12 2.1.1.3 WEITERE VERFAHREN ............................................................. 14 2.1.1.4 UEBERBLICK UND GEGENUEBERSTELLUNG ................................... 15 2.1.1.5 EIGNUNG VERSCHIEDENER AM-VERFAHREN FUER DIE HERSTELLUNG VON FASERVERBUNDBAUTEILEN ...................................... 17 2.1.2 DESIGN FOR ADDITIVE MANUFACTURING (DFAM) .................. 20 2.1.2.1 DESIGNBEZOGENE CHANCEN, VORTEILE UND MOEGLICHKEITEN DURCH ADDITIVE FERTIGUNG ............................................................. 22 2.1.2.2 EINSCHRAENKUNGEN DURCH AM UND QUALITAETSERWAEGUNGEN IN DER ADDITIVEN FERTIGUNG ........................................................... 23 2.1.2.3 TYPISCHE ZIELKRITERIEN UND PROZESSATTRIBUTE VON AM ... 25 2.1.3 STANDARDS UND NORMEN ....................................................... 27 2.2 FLM MIT KURZFASERVERSTAERKTEM FILAMENT ..................................... 31 2.2.1 WICHTIGSTE PARAMETER IM PREPROCESSING, PROCESSING UND POSTPROCESSING SOWIE AKTUELLE HERAUSFORDERUNGEN ......... 31 2.2.2 KUNSTSTOFFTECHNISCHE EIGENSCHAFTEN .................................. 32 2.2.2.1 ANFORDERUNGEN AN FASERVERSTAERKTES FLM-MATERIAL ......... 33 2.2.2.2 UEBERBLICK UEBER EIGENSCHAFTEN VON FLM-FKV WERKSTOFFEN .................................................................................... 34 2.2.3 PFADGENERIERUNG FUER UNTERSCHIEDLICHE ZIELKRITERIEN ....... 37 2.3 STRUKTURMECHANISCHE SIMULATION VON FLM ...............................40 2.3.1 MATERIALMODELLE AUF DER MIKRO UND MAKROSTRUKTUR EBENE UND IHR EINSATZ IN BERECHNUNGSVERFAHREN ............ 40 2.3.2 EXISTIERENDE BERECHNUNGSVERFAHREN ................................. 44 2.4 STRUKTUROPTIMIERUNG ..................................................................... 46 2.4.1 SIMULATIONSGESTUETZTER OPTIMIERUNGSPROZESS ................... 46 2.4.2 TYPEN DER SIMULATIONSBASIERTEN STRUKTUROPTIMIERUNG... 47 2.4.2.1 DIMENSIONIERUNG (SIZING) ................................................ 47 2.4.2.2 FORMOPTIMIERUNG .............................................................. 47 2.4.2.3 TOPOLOGIEOPTIMIERUNG ..................................................... 48 2.4.3 SPEZIELLE OPTIMIERUNGSVERFAHREN FUER AM ........................ 56 2.4.4 DISKUSSION DER AM-OPTIMIERUNGSVERFAHREN .................... 60 2.5 NUTZENPOTENZIAL UND HANDLUNGSBEDARF. ..................................... 62 2.5.1 ABLEITUNG DER ZIELE UND FORSCHUNGSUMFELD ..................... 62 2.5.2 ERFORSCHUNG .......................................................................... 64 2.5.3 ANFORDERUNGEN UND EVALUIERUNG ....................................... 64 3 ANSATZ ZUR KRAFTFLUSSGERECHTEN AUSLEGUNG VON FLM FASERVERBUNDBAUTEILEN .............................................. 67 3.1 OPTIMIERUNG ................................................................................... 68 3.1.1 BERECHNUNG DER BAURICHTUNG ............................................. 69 3.1.1.1 EINFUEHRUNG DER BAURICHTUNGSORIENTIERUNG ..................... 69 3.1.1.2 DEMONSTRATION AN EINEM EINFACHEN DEMONSTRATOR ..... 72 3.1.2 ERZEUGUNG LASTPFADGERECHTER MATERIALORIENTIERUNG UND MATERIALVERTEILUNG DURCH TOPOLOGIEOPTIMIERUNG MIT ANISOTROPEM MATERIALMODELL .............................................. 76 3.1.2.1 BERECHNUNG DER LOKALEN MATERIALORIENTIERUNG ............... 78 3.1.2.2 BERECHNUNG DER MATERIALVERTEILUNG (PSEUDODICHTEN) ...81 3.1.2.3 FILTER UND PENALISATION ...................................................... 83 3.1.2.4 ABBRUCHKRITERIUM BZW. KONVERGENZKRITERIUM .............. 85 3.1.2.5 EINFLUSS DER PROJEKTION VON HAUPTSPANNUNGSRICHTUNGEN UND STUDIE ZU AUFSTEIGENDEN E-MODULN IN Z-RICHTUNG ............ 86 3.1.3 OPTIMIERUNG EINES 2D-FLM-BAUTEILS ............................... 87 3.1.3.1 BERUECKSICHTIGUNG DER ORTHOTROPIE .................................. 87 3.1.3.2 FILTER UND PENALISATION ..................................................... 89 3.1.4 ERWEITERUNG AUF MEHRLASTFALLOPTIMIERUNG ........................ 92 3.2 PFADGENERIERUNG ............................................................................ 92 3.2.1 KONTURFMDUNG DURCH ALPHA-SHAPES .................................. 93 3.2.1.1 KONTURFINDUNG ................................................................... 93 VI 3.2.1.2 ENTFERNUNG VON SCHLEIFEN BEI DER GENERIERUNG VON MEHRFACHWANDUNGEN .................................................................... 96 3.2.2 INFILL-PFADGENERIERUNG DURCH CLUSTERING, LOKAL LINEARE APPROXIMATION UND B-SPLINES ZUR VERBINDUNG ............... 99 3.2.2.1 CLUSTERING UND EINZELPFADGENERIERUNG ........................... 99 3.2.2.2 ZUORDNUNGSALGORITHMUS FUER EINZELPFADSEGMENTE, B SPLINE-INTERPOLATION ..................................................................... 102 3.2.23 SORTIERALGORITHMUS ZUR TRAVEL-REDUKTION ..................... 104 3.3 STRUKTURMECHANISCHE FLM-SIMULATION ..................................... 105 3.3.1 CAD UND FE-MODELL DES BAUTEILS ................................... 106 3.3.2 ERZEUGTE BUILDING SOURCE .................................................. 107 3.3.3 MAPPING, SIMULATIONSMODELL UND ERGEBNISSE ................ 108 3.3.4 VERGLEICH UNTERSCHIEDLICHER INFILL-MUSTER ........................ 110 3.3.5 EINORDNUNG DES SIMULATIONSANSATZES ................................ IN 3.4 EXPERIMENTELLE KALIBRIERUNG UND VALIDIERUNG EINES MATERIALMODELLS FUER FLM-FKV (PETG-CF20) .............................. M 3.4.1 VORGEHEN ............................................................................... M 3.4.2 ERGEBNISSE DER KALIBRIERUNG .............................................. 115 3.4.3 ERGEBNISSE DER VALIDIERUNG ................................................ 121 4 DEMONSTRATION DES ANSATZES ANHAND EINES TRAGWERKKNOTENS ............................................................... 125 4.1 BAURICHTUNGSOPTIMIERUNG ........................................................... 126 4.2 TOPOLOGIEOPTIMIERUNG ................................................................. 129 4.3 PFADGENERIERUNG ........................................................................... 130 4.3.1 KONTURGENERIERUNG ............................................................. 131 4.3.2 INFILL-PFADGENERIERUNG ........................................................ 133 4.3.2.1 ZUWEISUNG VON HAUPTSPANNUNGEN ZU SCHICHTEN / CLUSTERING ....................................................................................... 133 43.2.2 ERSTELLUNG EINES RASTERS ALS AUSGANGSPUNKT FUER DIE PFADGENERIERUNG ........................................................................... 137 4.3.23 KRAFTFLUSSGERECHTE INFILLPFAD-GENERIERUNG .................... 138 4.4 VORBEREITUNG UND DURCHFUEHRUNG DES FLM-DRUCKS .................. 141 4.4.1 GENERIERUNG DER BUILDING SOURCE MIT STUETZSTRUKTUREN... 141 4.4.2 MODIFIKATIONEN AM DRUCKER UND DRUCK .......................... 142 4.5 SIMULATIONSBASIERTE UNTERSUCHUNG DES ERGEBNISSES ............... 143 VII 5 DISKUSSION DER ERGEBNISSE ................................................ 149 5.1 BAURICHTUNG .................................................................................. 149 5.2 TOPOLOGIEOPTIMIERUNG ................................................................. 150 5.3 SIMULATION ...................................................................................... 151 5.4 PFADGENERIERUNG ........................................................................... 152 5.5 DRUCK ............................................................................................. 152 5.6 LEICHTBAUPOTENZIAL ....................................................................... 153 6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ..................................... 155 6.1 ZUSAMMENFASSUNG ........................................................................ 155 6.2 AUSBLICK UND EINFACHE KONSTRUKTIONSREGELN ............................. 157 7 SUMMARY AND OUTLOOK....................................................... 159 7.1 SUMMARY ........................................................................................ 159 7.2 OUTLOOK AND PRACTICAL DESIGN RULES ............................................. 161 ANHANG .......................................................................................... 163 ANHANG 1. GEGENUEBERSTELLUNG VON AM-VERFAHREN ..................... 163 ANHANG 2. MATERIALEIGENSCHAFTEN VERSCHIEDENER FLM-FASER- MATRIX-KOMBINATIONEN ....................................................... 167 ANHANG 3. DISKUSSION DER STEIFIGKEITSOPTIMALITAET DER AUSRICHTUNG NACH HAUPTNORMALSPANNUNGSTRAJEKTORIEN BEI LINEAR ELASTISCHEM MATERIAL ................................................ 170 LITERATURVERZEICHNIS .................................................................. 175 VIII
adam_txt	INHALTSVERZEICHNIS FORMELZEICHEN UND ABKUERZUNGSVERZEICHNIS . IX BILDVERZEICHNIS . XIII TABELLENVERZEICHNIS . XIX 1 EINLEITUNG . I 1.1 MOTIVATION: DESIGN FOR ADDITIVE MANUFACTURING . I 1.2 AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT . 3 1.3 EIGENANTEIL AN PUBLIKATIONEN . 5 2 STAND DER TECHNIK . 7 2.1 ADDITIVE FERTIGUNG: DEFINITION UND MERKMALE . 7 2.1.1 ADDITIVE FERTIGUNGSVERFAHREN . 8 2.1.1.1 LASERBASIERTE VERFAHREN . 8 2.1.1.2 EXTRUSIONSBASIERTE VERFAHREN . 12 2.1.1.3 WEITERE VERFAHREN . 14 2.1.1.4 UEBERBLICK UND GEGENUEBERSTELLUNG . 15 2.1.1.5 EIGNUNG VERSCHIEDENER AM-VERFAHREN FUER DIE HERSTELLUNG VON FASERVERBUNDBAUTEILEN . 17 2.1.2 DESIGN FOR ADDITIVE MANUFACTURING (DFAM) . 20 2.1.2.1 DESIGNBEZOGENE CHANCEN, VORTEILE UND MOEGLICHKEITEN DURCH ADDITIVE FERTIGUNG . 22 2.1.2.2 EINSCHRAENKUNGEN DURCH AM UND QUALITAETSERWAEGUNGEN IN DER ADDITIVEN FERTIGUNG . 23 2.1.2.3 TYPISCHE ZIELKRITERIEN UND PROZESSATTRIBUTE VON AM . 25 2.1.3 STANDARDS UND NORMEN . 27 2.2 FLM MIT KURZFASERVERSTAERKTEM FILAMENT . 31 2.2.1 WICHTIGSTE PARAMETER IM PREPROCESSING, PROCESSING UND POSTPROCESSING SOWIE AKTUELLE HERAUSFORDERUNGEN . 31 2.2.2 KUNSTSTOFFTECHNISCHE EIGENSCHAFTEN . 32 2.2.2.1 ANFORDERUNGEN AN FASERVERSTAERKTES FLM-MATERIAL . 33 2.2.2.2 UEBERBLICK UEBER EIGENSCHAFTEN VON FLM-FKV WERKSTOFFEN . 34 2.2.3 PFADGENERIERUNG FUER UNTERSCHIEDLICHE ZIELKRITERIEN . 37 2.3 STRUKTURMECHANISCHE SIMULATION VON FLM .40 2.3.1 MATERIALMODELLE AUF DER MIKRO UND MAKROSTRUKTUR EBENE UND IHR EINSATZ IN BERECHNUNGSVERFAHREN . 40 2.3.2 EXISTIERENDE BERECHNUNGSVERFAHREN . 44 2.4 STRUKTUROPTIMIERUNG . 46 2.4.1 SIMULATIONSGESTUETZTER OPTIMIERUNGSPROZESS . 46 2.4.2 TYPEN DER SIMULATIONSBASIERTEN STRUKTUROPTIMIERUNG. 47 2.4.2.1 DIMENSIONIERUNG (SIZING) . 47 2.4.2.2 FORMOPTIMIERUNG . 47 2.4.2.3 TOPOLOGIEOPTIMIERUNG . 48 2.4.3 SPEZIELLE OPTIMIERUNGSVERFAHREN FUER AM . 56 2.4.4 DISKUSSION DER AM-OPTIMIERUNGSVERFAHREN . 60 2.5 NUTZENPOTENZIAL UND HANDLUNGSBEDARF. . 62 2.5.1 ABLEITUNG DER ZIELE UND FORSCHUNGSUMFELD . 62 2.5.2 ERFORSCHUNG . 64 2.5.3 ANFORDERUNGEN UND EVALUIERUNG . 64 3 ANSATZ ZUR KRAFTFLUSSGERECHTEN AUSLEGUNG VON FLM FASERVERBUNDBAUTEILEN . 67 3.1 OPTIMIERUNG . 68 3.1.1 BERECHNUNG DER BAURICHTUNG . 69 3.1.1.1 EINFUEHRUNG DER BAURICHTUNGSORIENTIERUNG . 69 3.1.1.2 DEMONSTRATION AN EINEM EINFACHEN DEMONSTRATOR . 72 3.1.2 ERZEUGUNG LASTPFADGERECHTER MATERIALORIENTIERUNG UND MATERIALVERTEILUNG DURCH TOPOLOGIEOPTIMIERUNG MIT ANISOTROPEM MATERIALMODELL . 76 3.1.2.1 BERECHNUNG DER LOKALEN MATERIALORIENTIERUNG . 78 3.1.2.2 BERECHNUNG DER MATERIALVERTEILUNG (PSEUDODICHTEN) .81 3.1.2.3 FILTER UND PENALISATION . 83 3.1.2.4 ABBRUCHKRITERIUM BZW. 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