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April 2016
Matthias Schulitz
Beitrag zur konstruktiven Gestaltung hochbelastbarer Strukturknoten aus Faser-Thermoplast-Verbunden
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung faserverbundgerechter Knoten-Bauweisen unter besonderer Berücksichtigung thermoplastgeeigneter Verarbeitungsverfahren. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf biegebelasteten T-Knotenverbindungen. Im Bereich der Kraftflussumlenkung entsteht hier bei FKV-Strukturen eine versagenskritische Aufziehbeanspruchung, die besondere konstruktive Maßnahmen erfordert.
Basierend auf zwei großseriengeeigneten Thermoplast-Verfahren – Spritzgießen und Fließpressen – wurde jeweils eine FKV-gerechte Knotenstruktur entwickelt. Beide Knoten-Bauweisen beruhen auf einer gezielten Verstärkung der Hauptlastpfade durch unidirektionale, straff ausgerichtete Endlosfaserstränge. Geometrisch komplexe Bereiche, wie beispielsweise Rippen, werden durch kostengünstige Spritzguss- bzw. Pressmasse abgebildet. Die Strukturen wurden numerisch und experimentell analysiert sowie abschließend Konstruktionsempfehlungen abgeleitet.
Es konnte gezeigt werden, dass durch eine lastpfadgerechte FKV-Konstruktion auch für eine komplex dreidimensional beanspruchte Knotenstruktur eine hohe Leichtbaugüte erreicht werden kann. Obwohl teure Endlosfasern nur lokal eingesetzt wurden, konnte gegenüber Aluminium ein rechnerischer Leichtbauvorteil von etwa 23 bis 35 % erreicht werden.
Basierend auf zwei großseriengeeigneten Thermoplast-Verfahren – Spritzgießen und Fließpressen – wurde jeweils eine FKV-gerechte Knotenstruktur entwickelt. Beide Knoten-Bauweisen beruhen auf einer gezielten Verstärkung der Hauptlastpfade durch unidirektionale, straff ausgerichtete Endlosfaserstränge. Geometrisch komplexe Bereiche, wie beispielsweise Rippen, werden durch kostengünstige Spritzguss- bzw. Pressmasse abgebildet. Die Strukturen wurden numerisch und experimentell analysiert sowie abschließend Konstruktionsempfehlungen abgeleitet.
Es konnte gezeigt werden, dass durch eine lastpfadgerechte FKV-Konstruktion auch für eine komplex dreidimensional beanspruchte Knotenstruktur eine hohe Leichtbaugüte erreicht werden kann. Obwohl teure Endlosfasern nur lokal eingesetzt wurden, konnte gegenüber Aluminium ein rechnerischer Leichtbauvorteil von etwa 23 bis 35 % erreicht werden.
Keywords: Knoten; Rahmenwerk; Leichtbau; FKV; Thermoplast; Bauweise; Serienfertigung; Konstruktion; Karosserie; Schweißen; Gestaltungshinweise
Schriftenreihe Konstruktiver Leichtbau mit Faser-Kunststoff-Verbunden
Edited by Prof. Dr.-Ing. Helmut Schürmann, Darmstadt
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