Tailored fiber placement (TFP): Faserplatzierung in Hauptspannungsrichtung

Sie beschäftigen sich mit Bauteilen in Faserverbundbauweise? Sie möchten Fasern so legen, dass Ihre Konstruktion maximal steif und höchste Festigkeit aufweist? Wie lässt sich dieses Ziel erreichen?

Eine Antwort darauf findet sich in natürlichen Faserverbundstrukturen wie zum Beispiel bei Pflanzen, Holz und Knochen. Die Knochenbälkchen (=Kurzfasern) zum Beispiel haben Vorbildcharakter, sie passen sich während ihres Wachstums der Belastungsrichtung an. In dieser Orientierung sind die Knochenbälkchen am wenigsten bruchgefährdet und ihre lokalen Deformationen am geringsten.

Diese Anpassungsfähigkeit biologischer Strukturen ist auf den Konstruktionsprozess zu übertragen. Wird der Knochen als Bauteil betrachtet, so kann der innere Spannungszustand infolge einer äußeren Belastung numerisch berechnet werden. Der Spannungszustand kann auf verschiedene Weise dargestellt werden, jedoch nur eine spezielle Darstellung ist vergleichbar mit der Orientierung der Bälkchen in einem Knochen: der sogenannte Hauptspannungszustand. Die Antwort auf die oben gestellten Fragen lautet also:

Fasern in Verbundstrukturen sind so zu legen, dass sie den Hauptspannungsrichtungen folgen. Der Faserverlauf ist dann optimal und maßgeschneidert (tailored fiber placement).

Die notwendige Voraussetzung zur Berechnung eines optimalen Faserverlaufs ist somit die Berechnung einer Hauptspannungsrichtung. Dies ist praktisch mit allen FEM-Programmen möglich (Abaqus, Ansys, Marc, Nastran etc.). Durch Integration dieser Richtung werden Hauptspannungslinien berechnet, die den optimalen Faserverlauf repräsentieren. Das dafür notwendige Programm wurden im Rahmen eines BMBF-Projekts entwickelt: CAIOShell. Die Programme Abaqus und Ansys haben jedoch Berechnungsoptionen, den Faserverlauf auch ohne Zusatzsoftware direkt zu berechnen. Wenn auf dieser Web-Site von dem Programm CAIOShell die Rede ist, ist damit die CAIO-Methode gemeint, den Faserverlauf ohne Zusatzsoftware zu berechnen.

Am Beispiel einer beliebig gekrümmten Schalenstruktur wird gezeigt, wie Hauptspannungsrichtung und Hauptspannungslinie (=Faserverlauf) zusammenhängen.
Tailored fiber placement entsprechend dem Richtungsfeld der 1. Hauptspannung und den Hauptspannungslinien
Hauptspannungsrichtungen und Hauptspannungslinien, tailored fiber placement
In der Abbildung folgen die extrahierten Einzelfasern (blau) den Richtungspfeilen der 1. Hauptspannung (schwarz). Man erkennt Bereiche mit einem Vorzeichenwechsel der Hauptspannungsrichtung. CAIOShell integriert korrekt über diese Bereiche hinweg. Die folgenden Unterkapitel beleuchten weitere Details und den praktischen Einsatz.
Variabler Fasereinsatz

Es ist wünschenswert, wenn der berechnete Faserverlauf es erlaubt, nachträglich beliebige Flächengewichte je nach Fasereinsatz zu spezifizieren. Entsprechend dieser ... mehr


Design des Faserlayouts

Tailored fiber placement - interaktiv: Die CAIO-Methode liefert die Faserverläufe nicht einzeln, sondern unendlich dicht. Dieses Faserfeld kann nachträglich in Tecplot ... mehr


Wirklich optimal?

Es erhebt sich die Frage, ob die bionisch motivierte Faserplatzierung längs der Hauptspannungsrichtung wirklich die optimale Faserorientierung darstellt. ... mehr


Die Alternative: der Lastpfad (CAIOLoadpath)

Die Lastpfad-Methode von D.W. Kelly unterscheidet sich formal nur durch ein anderes Richtungsfeld, verglichen mit dem Richtungsfeld aus der Hauptspannung. ... mehr


CAIOShell versus CAIOLoadpath

Ähnlichkeiten zwischen dem Richtungsfeld aus dem Lastpfad bzw. aus der Hauptspannungsrichtung. ... mehr


Und der wirtschaftliche Nutzen?

Der wirtschaftliche Nutzen stellt sich immer dann ein, wenn ein Faserverbundbauteil auf Festigkeit und Gewicht optimiert wird. ... mehr