Ein simulationsbasierter Ansatz zur Auslegung additiv gefertigter FLM-Faserverbundstrukturen:
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Erlangen
FAU University Press
2022
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INHALTSVERZEICHNIS
FORMELZEICHEN
UND
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS
.
IX
BILDVERZEICHNIS
.
XIII
TABELLENVERZEICHNIS
.
XIX
1
EINLEITUNG
.
I
1.1
MOTIVATION:
DESIGN
FOR
ADDITIVE
MANUFACTURING
.
I
1.2
AUFBAU
UND
ZIEL
DER
ARBEIT
.
3
1.3
EIGENANTEIL
AN
PUBLIKATIONEN
.
5
2
STAND
DER
TECHNIK
.
7
2.1
ADDITIVE
FERTIGUNG:
DEFINITION
UND
MERKMALE
.
7
2.1.1
ADDITIVE
FERTIGUNGSVERFAHREN
.
8
2.1.1.1
LASERBASIERTE
VERFAHREN
.
8
2.1.1.2
EXTRUSIONSBASIERTE
VERFAHREN
.
12
2.1.1.3
WEITERE
VERFAHREN
.
14
2.1.1.4
UEBERBLICK
UND
GEGENUEBERSTELLUNG
.
15
2.1.1.5
EIGNUNG
VERSCHIEDENER
AM-VERFAHREN
FUER
DIE
HERSTELLUNG
VON
FASERVERBUNDBAUTEILEN
.
17
2.1.2
DESIGN
FOR
ADDITIVE
MANUFACTURING
(DFAM)
.
20
2.1.2.1
DESIGNBEZOGENE
CHANCEN,
VORTEILE
UND
MOEGLICHKEITEN
DURCH
ADDITIVE
FERTIGUNG
.
22
2.1.2.2
EINSCHRAENKUNGEN
DURCH
AM
UND
QUALITAETSERWAEGUNGEN
IN
DER
ADDITIVEN
FERTIGUNG
.
23
2.1.2.3
TYPISCHE
ZIELKRITERIEN
UND
PROZESSATTRIBUTE
VON
AM
.
25
2.1.3
STANDARDS
UND
NORMEN
.
27
2.2
FLM
MIT
KURZFASERVERSTAERKTEM
FILAMENT
.
31
2.2.1
WICHTIGSTE
PARAMETER
IM
PREPROCESSING,
PROCESSING
UND
POSTPROCESSING
SOWIE
AKTUELLE
HERAUSFORDERUNGEN
.
31
2.2.2
KUNSTSTOFFTECHNISCHE
EIGENSCHAFTEN
.
32
2.2.2.1
ANFORDERUNGEN
AN
FASERVERSTAERKTES
FLM-MATERIAL
.
33
2.2.2.2
UEBERBLICK
UEBER
EIGENSCHAFTEN
VON
FLM-FKV
WERKSTOFFEN
.
34
2.2.3
PFADGENERIERUNG
FUER
UNTERSCHIEDLICHE
ZIELKRITERIEN
.
37
2.3
STRUKTURMECHANISCHE
SIMULATION
VON
FLM
.40
2.3.1
MATERIALMODELLE
AUF
DER
MIKRO
UND
MAKROSTRUKTUR
EBENE
UND
IHR
EINSATZ
IN
BERECHNUNGSVERFAHREN
.
40
2.3.2
EXISTIERENDE
BERECHNUNGSVERFAHREN
.
44
2.4
STRUKTUROPTIMIERUNG
.
46
2.4.1
SIMULATIONSGESTUETZTER
OPTIMIERUNGSPROZESS
.
46
2.4.2
TYPEN
DER
SIMULATIONSBASIERTEN
STRUKTUROPTIMIERUNG.
47
2.4.2.1
DIMENSIONIERUNG
(SIZING)
.
47
2.4.2.2
FORMOPTIMIERUNG
.
47
2.4.2.3
TOPOLOGIEOPTIMIERUNG
.
48
2.4.3
SPEZIELLE
OPTIMIERUNGSVERFAHREN
FUER
AM
.
56
2.4.4
DISKUSSION
DER
AM-OPTIMIERUNGSVERFAHREN
.
60
2.5
NUTZENPOTENZIAL
UND
HANDLUNGSBEDARF.
.
62
2.5.1
ABLEITUNG
DER
ZIELE
UND
FORSCHUNGSUMFELD
.
62
2.5.2
ERFORSCHUNG
.
64
2.5.3
ANFORDERUNGEN
UND
EVALUIERUNG
.
64
3
ANSATZ
ZUR
KRAFTFLUSSGERECHTEN
AUSLEGUNG
VON
FLM
FASERVERBUNDBAUTEILEN
.
67
3.1
OPTIMIERUNG
.
68
3.1.1
BERECHNUNG
DER
BAURICHTUNG
.
69
3.1.1.1
EINFUEHRUNG
DER
BAURICHTUNGSORIENTIERUNG
.
69
3.1.1.2
DEMONSTRATION
AN
EINEM
EINFACHEN
DEMONSTRATOR
.
72
3.1.2
ERZEUGUNG
LASTPFADGERECHTER
MATERIALORIENTIERUNG
UND
MATERIALVERTEILUNG
DURCH
TOPOLOGIEOPTIMIERUNG
MIT
ANISOTROPEM
MATERIALMODELL
.
76
3.1.2.1
BERECHNUNG
DER
LOKALEN
MATERIALORIENTIERUNG
.
78
3.1.2.2
BERECHNUNG
DER
MATERIALVERTEILUNG
(PSEUDODICHTEN)
.81
3.1.2.3
FILTER
UND
PENALISATION
.
83
3.1.2.4
ABBRUCHKRITERIUM
BZW.
KONVERGENZKRITERIUM
.
85
3.1.2.5
EINFLUSS
DER
PROJEKTION
VON
HAUPTSPANNUNGSRICHTUNGEN
UND
STUDIE
ZU
AUFSTEIGENDEN
E-MODULN
IN
Z-RICHTUNG
.
86
3.1.3
OPTIMIERUNG
EINES
2D-FLM-BAUTEILS
.
87
3.1.3.1
BERUECKSICHTIGUNG
DER
ORTHOTROPIE
.
87
3.1.3.2
FILTER
UND
PENALISATION
.
89
3.1.4
ERWEITERUNG
AUF
MEHRLASTFALLOPTIMIERUNG
.
92
3.2
PFADGENERIERUNG
.
92
3.2.1
KONTURFMDUNG
DURCH
ALPHA-SHAPES
.
93
3.2.1.1
KONTURFINDUNG
.
93
VI
3.2.1.2
ENTFERNUNG
VON
SCHLEIFEN
BEI
DER
GENERIERUNG
VON
MEHRFACHWANDUNGEN
.
96
3.2.2
INFILL-PFADGENERIERUNG
DURCH
CLUSTERING,
LOKAL
LINEARE
APPROXIMATION
UND
B-SPLINES
ZUR
VERBINDUNG
.
99
3.2.2.1
CLUSTERING
UND
EINZELPFADGENERIERUNG
.
99
3.2.2.2
ZUORDNUNGSALGORITHMUS
FUER
EINZELPFADSEGMENTE,
B
SPLINE-INTERPOLATION
.
102
3.2.23
SORTIERALGORITHMUS
ZUR
TRAVEL-REDUKTION
.
104
3.3
STRUKTURMECHANISCHE
FLM-SIMULATION
.
105
3.3.1
CAD
UND
FE-MODELL
DES
BAUTEILS
.
106
3.3.2
ERZEUGTE
BUILDING
SOURCE
.
107
3.3.3
MAPPING,
SIMULATIONSMODELL
UND
ERGEBNISSE
.
108
3.3.4
VERGLEICH
UNTERSCHIEDLICHER
INFILL-MUSTER
.
110
3.3.5
EINORDNUNG
DES
SIMULATIONSANSATZES
.
IN
3.4
EXPERIMENTELLE
KALIBRIERUNG
UND
VALIDIERUNG
EINES
MATERIALMODELLS
FUER
FLM-FKV
(PETG-CF20)
.
M
3.4.1
VORGEHEN
.
M
3.4.2
ERGEBNISSE
DER
KALIBRIERUNG
.
115
3.4.3
ERGEBNISSE
DER
VALIDIERUNG
.
121
4
DEMONSTRATION
DES
ANSATZES
ANHAND
EINES
TRAGWERKKNOTENS
.
125
4.1
BAURICHTUNGSOPTIMIERUNG
.
126
4.2
TOPOLOGIEOPTIMIERUNG
.
129
4.3
PFADGENERIERUNG
.
130
4.3.1
KONTURGENERIERUNG
.
131
4.3.2
INFILL-PFADGENERIERUNG
.
133
4.3.2.1
ZUWEISUNG
VON
HAUPTSPANNUNGEN
ZU
SCHICHTEN
/
CLUSTERING
.
133
43.2.2
ERSTELLUNG
EINES
RASTERS
ALS
AUSGANGSPUNKT
FUER
DIE
PFADGENERIERUNG
.
137
4.3.23
KRAFTFLUSSGERECHTE
INFILLPFAD-GENERIERUNG
.
138
4.4
VORBEREITUNG
UND
DURCHFUEHRUNG
DES
FLM-DRUCKS
.
141
4.4.1
GENERIERUNG
DER
BUILDING
SOURCE
MIT
STUETZSTRUKTUREN.
141
4.4.2
MODIFIKATIONEN
AM
DRUCKER
UND
DRUCK
.
142
4.5
SIMULATIONSBASIERTE
UNTERSUCHUNG
DES
ERGEBNISSES
.
143
VII
5
DISKUSSION
DER
ERGEBNISSE
.
149
5.1
BAURICHTUNG
.
149
5.2
TOPOLOGIEOPTIMIERUNG
.
150
5.3
SIMULATION
.
151
5.4
PFADGENERIERUNG
.
152
5.5
DRUCK
.
152
5.6
LEICHTBAUPOTENZIAL
.
153
6
ZUSAMMENFASSUNG
UND
AUSBLICK
.
155
6.1
ZUSAMMENFASSUNG
.
155
6.2
AUSBLICK
UND
EINFACHE
KONSTRUKTIONSREGELN
.
157
7
SUMMARY
AND
OUTLOOK.
159
7.1
SUMMARY
.
159
7.2
OUTLOOK
AND
PRACTICAL
DESIGN
RULES
.
161
ANHANG
.
163
ANHANG
1.
GEGENUEBERSTELLUNG
VON
AM-VERFAHREN
.
163
ANHANG
2.
MATERIALEIGENSCHAFTEN
VERSCHIEDENER
FLM-FASER-
MATRIX-KOMBINATIONEN
.
167
ANHANG
3.
DISKUSSION
DER
STEIFIGKEITSOPTIMALITAET
DER
AUSRICHTUNG
NACH
HAUPTNORMALSPANNUNGSTRAJEKTORIEN
BEI
LINEAR
ELASTISCHEM
MATERIAL
.
170
LITERATURVERZEICHNIS
.
175
VIII |
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