Simulationsbasierte Wickelprozesse für die automatisierte Herstellung belastungsoptimierter CFK-Knotenelemente für den Einsatz in ultraleichten Fachwerkskonstruktionen (WICKNOT)

Problemstellung:
Bauteile aus Karbonfaserverbundwerkstoffen (CFK) bieten durch ihr geringes Eigengewicht und die Möglichkeit, über die Faserausrichtung die Belastungs- und Schwingungseigen-schaften gezielt einstellen zu können, ein riesiges Einsatzpotenzial. Dies gilt insbesondere für daraus aufgebaute Fachwerkkonstruktionen, wie z. B für Maschinengestelle. Dennoch werden bis heute weitestgehend händische Spezialanfertigungen eingesetzt, was vor allem an den Verbindungsknoten mit komplexen Geometrien liegt. Diese lassen sich, im Gegensatz zu den zylindrischen Streben eines Fachwerks, bisher nicht maschinell herstellen, wenn, wie in den meisten Fällen, gleichzeitig die Belastungseigenschaften genau vorgegeben sind. Vor diesem Hintergrund werden Knotenelemente heute als massive Metallkomponenten oder aufwändig herzustellende Knotenbleche in Mischbauweise realisiert, wodurch die gesamte Fachwerkkonstruktion ihrer primär überzeugenden mechanischen Eigenschaften und Gewichtsvorteile beraubt bzw. angesichts der Kosten uninteressant wird.

Zielstellung:
Um die Potenziale von CFK-Werkstoffen zukünftig auch für die in vielen Anwendungen hochinteressanten Fachwerkkonstruktionen erschließen zu können, verfolgt das KMU-innovativ Projekt WICKNOT das Ziel eines automatisierten Fertigungsprozesses zur Herstellung ultra-leichter Knotenelemente aus CFK. Auf dieser Grundlage wird es erstmals möglich sein, fes-tigkeitsoptimierte Knotenelemente auf reiner CFK-Basis mit reproduzierbar hoher Qualität, deutlich schneller und zu wettbewerbsfähigen Kosten herzustellen.

Vorgehensweise:
Dabei soll u.a. eine Simulationssoftware entwickelt werden, mit der für komplexe Knoten-strukturen die optimalen räumlichen, d. h. belastungs- und fertigungsgerechten, Wickelver-läufe berechnet werden. Diese sollen auf einer neuartigen Knotenwickelmaschine über eine komplexe dreidimensionale Ablage der Endlosfasern abgebildet, anhand exemplarischer Knotengeometrien experimentell erprobt und dann mit der Simulation abgeglichen werden.

Anwendungspotenzial und erwartetete Ergebnisse:
Gelingt dies, können die technischen Vorzüge von CFK-Knoten erstmals mit den wirtschaftlichen Vorteilen einer automatisierten Fertigung kombiniert werden. Trotz der großen Varian-tenzahl können die Knoten so als Serienbauteile mit exakt auf den Einsatzzweck abgestimm-ter Qualität wirtschaftlich hergestellt werden. Dadurch wird großes Marktpotenzial eröffnet, z. B. in der Landtechnik, Architektur, dem Fahrzeug- und Maschinenbau, das sich deutsche Leichtbauunternehmen dann aus führender Position erschließen können.

• CarboFibretec GmbH
• LASSO Ingenieurgesellschaft mbH
• ONTEC Automation GmbH