An optimization method for the design of beads in long fiber reinforced polymer structures including the manufacturing process as an approach to realize methodically identified lightweight potentials = Eine Optimierungsmethode zur Gestaltung von Sicken in langfaserverstärkten Kunststoffstrukturen unter Berücksichtigung des Herstellungsprozesses als Ansatz zur Realisierung methodisch identifizierter Leichtbaupotentiale

Mobilitätssysteme befinden sich in einer Zeit des Umbruchs, da sich die Randbedingungen aus Politik und Gesellschaft gerade stark verändern. Im Fokus steht dabei, den Energie- und Ressourcenverbrauch sowie die CO2-Emissionen zu senken. Eine Möglichkeit diesen Herausforderungen zu begegnen, stellt der Leichtbau dar. Um die größtmögliche Gewichtsreduzierung erreichen zu können, ist eine konsequente Integration der Leichtbauaktivitäten in den gesamten Produktentstehungsprozess notwendig.
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Unterstützung des Produktentwicklers in verschiedenen Aktivitäten des Produktentstehungsprozesses, indem sie sich mit den Fragen „wie können Bauteile aus langfaserverstärkten Kunststoffen fasergerecht gestaltet werden“ und „wo sind diese in einem intelligenten Multi-Material Design (MMD) zielführend einzusetzen“ beschäftigt. ... mehrZur Frage „wie“ wird für die initiale Designfindung von versickten, langfaserverstärkten Bauteilen eine rechnergestützte, automatisierte Optimierungsmethode entwickelt. Bei diesem anisotropen Werkstoff ist es entscheidend, dass die aus dem Herstellungsprozess resultierenden Faserorientierungen im Bauteildesign berücksichtigt werden. Deshalb liegt der Optimierungsmethode eine iterative Kopplung von validierten Prozess- und Struktursimulationen zugrunde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Berücksichtigung der lokal anisotropen Materialeigenschaften im Vergleich zu einer isotropen Materialmodellierung zu deutlich unterschiedlichen Designs führt.
Um diese last- und fasergerecht designten Bauteile in einem MMD zielführend einsetzen zu können, ist jedoch zusätzlich die Frage nach dem „wo“ zu beantworten. Deshalb beschäftigt sich die Arbeit weiterhin mit der Entwicklung des funktionsbasierten Erweiterten Target Weighing Ansatzes (ETWA) zur komponentenübergreifenden Identifikation und Evaluation von Leichtbaupotentialen. Der ETWA unterstützt den Produktentwickler bei der Konzeptgenerierung in frühen Phasen des Produktentstehungsprozesses, in denen bereits ein Großteil des späteren Produktgewichts festgelegt wird. Dabei werden sowohl in der Analyse als auch in der Synthese die mit dem Gewicht und dessen Reduktion einhergehenden Kosten und CO2-Emissionen gemeinschaftlich betrachtet. Die Ergebnisse der mithilfe des ETWA im Rahmen dieser Arbeit entwickelten MMD eines Automobil-Federbeindoms und -Längsträgers zeigen das Potential der Methode auf.
Die Kombination des ETWA und der fasergerechten Gestaltung versickter langfaserverstärkter Bauteile bietet eine methodische Unterstützung bei der Entwicklung von MMD insbesondere in frühen Phasen der Produktentstehung.

Mobility systems are in times of upheaval, as the requirements from politics and society are currently undergoing major changes. The focus is on reducing energy and resource consumption as well as CO2 emissions. One way to face these challenges is lightweight design. In order to achieve the greatest possible mass reduction, it is necessary to consistently integrate lightweight design into the entire product engineering process.
The present work contributes to various activities of the product engineering process. It supports the product developer by addressing the questions of “how parts made of long fiber reinforced polymers can be designed fiber-adapted” and “where they can be used purposefully in an intelligent multi-material design (MMD)”. ... mehrTo answer the question of “how”, a computer-aided, automated optimization method for the initial design of beaded long fiber reinforced parts is developed. For this anisotropic material, it is crucial that the fiber orientations resulting from the manufacturing process are taken into account in the part design. Therefore, the optimization method is based on an iterative coupling of validated process and structural simulations. The results show that the consideration of locally anisotropic material properties leads to significantly different designs compared to an isotropic material modeling.
To be able to use these load- and fiber-adapted designed components successfully in an MMD, it is necessary to answer additionally the question of “where”. Therefore, this work further deals with the development of the function-based Extended Target Weighing Approach (ETWA) for the cross-component identification and evaluation of lightweight design potentials. The ETWA supports the product developer in concept generation in early phases of the product engineering process, where most of the later product mass is already determined. In the method, the costs and CO2 emissions associated with the mass and its reduction are considered together in both the analysis and the synthesis. In this work, the results of applying the ETWA for the development of an MMD for an automotive strut tower and rail show the potential of the method.
The combination of the ETWA and the fiber-adapted design of beaded long fiber reinforced parts provides methodological support for the development of MMD, especially in early phases of product engineering.