HyTop: Entwicklung einer gekoppelten Topologieoptimierungsmethode für spritzgegossene, kurzfaserverstärkte Thermoplast-Metall-Hybridverbunde zur Unterstützung des Produktentwicklers in der Gestaltsynthese

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Albert Albers
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442072701

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Topologieoptimierungsmethode zur Optimierung von kurzfaserverstärkte Thermoplast (KFT)-Metall-Hybridstrukturen unter Berücksichtigung von thermisch induzierter Schwindung, daraus resultierenden Eigenspannungen und lokaler, anisotroper Materialeigenschaften aus dem Spritzgießprozess. Da für die Auslegung der Hybridstruktur die Maximalkraft bei Versagen entscheidend ist, soll diese in der Optimierung maximiert werden. Wie in vorangegangenen Arbeiten gezeigt werden konnte, ist die Form des Metalleinlegers bei gegebener Polymermatrix und vorausgesetztem Adhäsionsverhalten maßgeblich für das Kraft-Weg-Verhalten des Polymer-Metall-Hybridverbundes bestimmend. Daher soll die zu erforschende Topologieoptimierungsmethode die Geometrie des Metalleinlegers optimieren und dabei die folgenden Aspekte berücksichtigen: 1) Die sich ergebende Geometrie des Einlegers sowie 2) das Auffüllen der hierbei entstehenden Hohlräume im Einleger mit der KFT-Komponente iterativ abbilden. Weiterhin soll die Topologieoptimierungsmethode die Materialeigenschaften des Metalls sowie der KFT-Matrix in den Iterationen berücksichtigen. Hierzu sollen in der Literatur beschriebene Modelle zur simulativen Abbildung des thermischen und mechanischen Verhaltens integriert werden. Neben den lastabhängigen Dehnungen und Spannungen sollen dadurch auch Eigenspannungen in der KFT-Struktur berücksichtigt werden. Stellvertretend für die beiden Werkstoffe der betrachteten Hybridstruktur werden der Stahleinleger entsprechend dem Werkstoff HC420LA und die umgebende KFT-Matrix entsprechend dem Thermoplast Polypropylen mit variablem Glasfaserverstärkungsanteil von 20, 40 und 60 Volumen-% modelliert.Für die Entwicklung der Topologieoptimierungsmethode zur Gestaltfindung von KFT-Metall-Hybridstrukturen lassen sich folgende Teilziele ableiten:• Untersuchung von geeigneten Modellierungsansätzen für die simulative Abbildung der mechanischen und thermischen Eigenschaften der KFT-Matrix im Strukturmodell für die Topologieoptimierung• Untersuchung verschiedener Modellierungsansätze der Kohäsivzone zwischen Metalleinleger und KFT-Matrix in der Topologieoptimierungsmethode• Erforschen einer Methode zum automatischen Aufbau des Strukturmodells für die Topologieoptimierung, inklusive des Auffüllens der Lücken im Metalleinleger mit dem Komplementärmaterial• Untersuchung verschiedener Ansätze für die Anpassung des sensitivitätsbasierten Topologieoptimierungsprozesses zur Optimierung der KFT-Metall-Hybridstrukturen in der Gestaltfindung• Ableitung von Gestaltungshinweisen und Implementierung von entsprechenden Randbedingungen in die Topologieoptimierungsmethode (z.B. minimale Radien, minimale Hohlraumgröße)

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen