ISBN 978-3-8439-3193-9

978-3-8439-3193-9, Reihe Produktentwicklung

Hauke Prüß
Gestaltung und generative Fertigung von Faser-Kunststoff-Verbunden

189 Seiten, Dissertation Technische Universität Braunschweig (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Generative Fertigungsverfahren wurden ursprünglich eingesetzt, um die Produktentwicklung durch die schnelle Herstellung von Anschauungs- und Konzeptmodellen zu unterstützen. Mit zunehmender Anwendung der Verfahren zur Herstellung von Funktionsmodellen für Betriebsmittel und Endprodukte steigen die Anforderungen an deren mechanische Eigenschaften. Dem werden viele Kunststoffmaterialien, die bei den verbreiteten generativen Verfahren eingesetzt werden, nicht gerecht. Als Alternative bieten sich Metallwerkstoffe an, die zwar auch generativ verarbeitbar, aber für viele Anwendungen derzeit noch zu kostenintensiv sind. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hingegen zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften aus, sind aber derzeit kaum generativ verarbeitbar.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist deshalb die Entwicklung eines generativen Fertigungsverfahrens zur Verarbeitung von FKV, das die lokale Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften ermöglicht, sowie einer konstruktionsmethodisch begründeten Vorgehensweise zur gestalterischen Ausnutzung dieser Fertigungsmöglichkeit.

Zunächst werden die gebräuchlichsten generativen Fertigungsverfahren hinsichtlich ihrer Eignung zur Verarbeitung von FKV betrachtet und die Schmelzschichtung als Verfahrensgrundlage ausgewählt. Mit diesem Verfahren werden kurzfaserverstärkte Kunststoffe verarbeitet und der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Bauteilmechanik untersucht. Darauf aufbauend sollen auch endlosfaserverstärkte Kunststoffe verarbeitet werden. Da weder Halbzeuge noch Verfahren zur generativen Verarbeitung solcher Materialien verfügbar sind, wird im Rahmen dieser Arbeit ein solches Verfahren entwickelt und wiederum die Einflussnahme auf die Bauteilmechanik untersucht. Durch Anpassung der Maschinensteuerung werden die Verstärkungsfasern während der Bauteilfertigung belastungsgerecht orientiert. Dadurch kann eine bisher nicht gekannte Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion mit FKV erzielt werden. Um diese Freiheiten auszuschöpfen, werden abschließend angepasste Gestaltungsregeln formuliert. Sowohl dieser Gestaltungs- als auch der Fertigungsprozess auf der Versuchsanlage werden anhand verschiedener Beispielbauteile evaluiert. Das abschließend gefertigte Demonstratorbauteil aus dem Radsport erreicht die Leistungsfähigkeit metallischer Leichtbaukonstruktionen bei sehr geringen Kosten und veranschaulicht so die Wettbewerbsfähigkeit des entwickelten Verfahrens.