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Bionische Leichtbauansätze - neue Potenziale durch die additive Fertigung

Vortrag gehalten auf dem 7. Landshuter Leichtbau-Colloquium 2015, Monolithische und hybride Strukturen für den Leichtbau, 25. / 26. Februar 2015, Landshut; LLC 2015
 
: Anstätt, Christine

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Präsentation urn:nbn:de:0011-n-3376578 (1.2 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 0f0e8d787fa03a33f48d430ba0195c78
Erstellt am: 5.5.2015


2015, 23 Folien
Landshuter Leichtbau-Colloquium <7, 2015, Landshut>
Deutsch
Vortrag, Elektronische Publikation
Fraunhofer IWU ()
additive Fertigung; Leichtbau; Bionik

Abstract
Die Verwendung von Leichtbaukomponenten ermöglicht es Masse einzusparen, was vor allem in beschleunigten Systemen zu einer Reduktion des Energiebedarfs im Betrieb führt. Beispielhafte Anwendungsbereiche, bei denen Leichtbaukonstruktionen zu einem besonders hohen Nutzen führen, sind unter anderem in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt oder bei besonders stark beschleunigten Anlagenkomponenten in der Produktionstechnik zu finden.
Problematisch ist hierbei, dass bedingt durch die verwendeten Fertigungstechnologien optimale Leichtbaukonstruktionen meist nicht umgesetzt werden können. Dies ist darin begründet, dass auf verfahrensspezifische Randbedingungen Rücksicht genommen werden muss, weshalb das Potenzial der jeweiligen Leichtbauansätze nur teilweise genutzt werden kann. Abhilfe können hier die additiven Fertigungsverfahren, wie beispielsweise das Laserstrahlschmelzen schaffen. Der generierende Prozessablauf ermöglicht die Fertigung äußerst diffiziler Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit. Hieraus resultiert das Leichtbauansätze meist komplett ohne Einschränkungen umgesetzt und somit deren volles Potenzial ausgeschöpft werden kann. Als besonders geeignet hat sich hierfür, in der Vergangenheit, der Einsatz bionischer Leichtbaustrukturen, wie beispielsweise Waben- oder Gitterstrukturen erwiesen.
Ähnlich zur Technik gehört auch in der Natur das Schaffen funktionaler Strukturen mit geringem Materialaufwand, basierend auf dem Selektionsdruck vieler Lebewesen, zu den zentralen Forderungen. Aus diesem Grund sind in der Natur Leichtbaustrukturen seit Urzeiten zu finden und wurden im Laufe der Evolution ständig weiterentwickelt und optimiert.
Die Verwendung von Gitterstrukturen stellt einen etablierten Ansatz für additiv gefertigte Leichtbaukonstruktionen dar. Sie bieten eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei vergleichsweise geringer Masse. Einen weiteren Ansatz zur Leichtbauoptimierung dieser Struktur stellt die Anpassung des Materialfüllgrads an die auftretenden Belastungen dar. Dieses Prinzip ist ebenfalls beim Knochenaufbau zu finden. Auch hier steht die Knochendichte im Verhältnis zu den auftretenden Belastungen. Im Falle der Gitterstrukturen wird dies erreicht, in dem die Querschnittsflächen der einzelnen Gitterstäbe an die jeweils auftretende Belastung angepasst werden Dadurch ist es möglich eine einheitliche Materialbelastung zu erzielen und somit die Masse der Struktur nochmals annähernd zu halbieren.
Bei Sandwichbauteilen wird ein leichter Kern mit festen, steifen Deckschichten versehen, wodurch sich ein Materialverbund ergibt, welcher deutlich bessere mechanische Eigenschaften aufweist als die Summe der Einzellagen.
Bei der Herstellung von Wabenstrukturen mittels derzeit gängigen Verfahren bestehen jedoch deutliche Einschränkungen in Bezug auf die Ausnutzung des Leichtbaupotenzials. Grund hierfür ist zum einen der regelmäßige Materialfüllgrad der keine belastungsgerechte Optimierung der Struktur ermöglicht. So ist es beispielsweise bei konventionell gefertigten Wabenkernen kaum möglich, an Stellen hoher Belastung mehr Material zu platzieren und in Bereichen niedriger Belastung den Materialfüllgrad zu reduzieren, wie es in der Natur der Fall ist.
Des Weiteren können konventionell gefertigte Waben nur bedingt an eine gekrümmte Freiformfläche angepasst werden. Diese Strukturen sind zwar je nach Material und Aufbau um eine Achse verformbar, eine Verformung um eine weitere Achse ist hier jedoch entweder nicht möglich, oder es resultiert aufgrund der kinematischen Zusammenhänge in der Struktur eine ungewollte Gegenverformung um die senkrecht dazu stehende Achse.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-337657.html