Entwicklung einer biologisch inspirierten Methode zur belastungsgerechten Endlosfaserverstärkung additiv gefertigter Tragwerke (AM_Reinforce)

Problemstellung
Im heutigen Leichtbau besteht die Herausforderung, den geforderten Materialbelastungen durch teure und spezielle Metalllegierungen zu begegnen. Diese sind jedoch komplex sowie umständlich in der Handhabung. Nach dem biologischen Vorbild der Würgefeige, die Bäume und Häuser „umschlingt“ und dadurch verstärkt, soll der 3D-Kunststoffdruck so weiterentwickelt werden, dass es zukünftig möglich ist, auf Metalle zur Verstärkung von belastungsintensiven Tragwerken zu verzichten. Hierdurch könnten zum Beispiel günstigere Industrieroboter entstehen, da die Tragwerke für die Flächengreifersysteme viel leichter ausfallen und somit die gesamte Traglast für den Roboter verringert wird. Durch ein neuartiges, dreidimensionales Schlingprinzip sollen Kräfte unabhängig von der Aufbaurichtung besser gehalten werden, sodass der Leichtbaubranche ein weiterer Impuls zur ressourceneffizienten Fertigung gegeben werden kann.

Ziel
Ziel des Forschungsprojekts AM_Reinforce ist die Entwicklung einer additiven Fertigungstechnik von Faserverbundwerkstoffen, bei der die Faserausrichtung entlang der Hauptbelastungspfade der Tragstruktur ausgelegt werden. Dies bedingt bei mehrachsigen Belastungen, dass die Endlosfasern unabhängig der Aufbaurichtung des additiven Fertigungsprozesses in das Bauteil einzubringen sind.

Vorgehensweise
Hierzu wird ein Produktionsverfahren entwickelt, durch das Endlosfasern entlang der Hauptbelastungspfade in additiv gefertigte Bauteile eingefügt werden können. Diese Fertigungstechnik soll so konzipiert werden, dass sie auf eine Vielzahl von Anwendungen adaptierbar ist. Dafür wird mit sogenannten FEM-Berechnungen (der Finite-Elemente-Methode) nach biologischem Vorbild die belastungsgerechte Orientierung der Fasern innerhalb der 3D-gedruckten Kunststoffstruktur bestimmt. Zudem wird neben der Optimierung der Material-kombination auch die Gestaltungsweise der Verstärkungskanäle durch Computer Simulationen verbessert, wodurch die Endlosfasern (teil-)automatisiert integriert werden können. Dies führt zu einer Verdoppelung der Traglast der Kunststoffbauteile und zu einer 30 % geringeren Masse dieser. Weiterhin ist mit einer Reduzierung der Fertigungszeit um 50 % zu rechnen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Mit der Entwicklung der neuartigen Methode steht eine Technologie zur Verfügung, mit der individuelle Tragwerke mit einer großen Belastbarkeit sowie einem hohen Leichtbaugrad wirtschaftlich hergestellt werden können. Es ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum, wie beispielsweise für die Herstellung von Flächengreifsystemen für Industrieroboter, die in sämtlichen Industriezweigen eingesetzt werden können. Aber auch die direkte, werkzeuglose Produktherstellung kann mit Hilfe des neuartigen Fertigungsverfahrens realisiert werden. Hiervon profitieren beispielsweise Branchen, in denen individuelle, ergonomisch angepasste Produkte, wie Sportgerätehersteller, Medizin-/Orthopädieunternehmen, hergestellt werden.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Hochschule Bremen
• J. Schmalz GmbH