DFG-Projekt zur Entwicklung einer Konstruktionsmethode für die ganzheitliche Optimierung von Tragwerken und additiv gefertigten Knoten aus Faser-Kunststoff-Verbunden
Tragwerke besitzen durch ihren modularen Aufbau und Wiederholteile viele Vorteile und ermöglichen eine kostengünstige Fertigung – insbesondere unter Verwendung von Streben aus kürzbaren Profilhalbzeugen. Durch die Tragwerksbauweise und -optimierung können zudem sehr leichte Konstruktionen erzielt werden, indem eine vollständige Materialausnutzung in Festigkeit und Steifigkeit angestrebt wird. Hierfür benötigen Tragwerke an den Verbindungsstellen der Streben jedoch frei gestaltbare Verbindungsknoten, die aus der Optimierung resultierende, beliebige Stoßwinkel der Streben zueinander erlauben. Solche Tragwerksknoten erfordern einen hohen Grad an Individualisierbarkeit und komplizierte Geometrien, ohne dabei eine zu hohe Masse aufzuweisen oder Kompromisse in Festigkeit und Steifigkeit einzugehen.
Knoten aus metallischen Werkstoffen führen hierbei zu hohen Massekonzentrationen an den Verbindungsstellen, wenn diese zwischen Leichtbaustreben eingesetzt werden. Zudem bedingen sie eine hohe Eigenlast des Tragwerks. Deren Fertigung, beispielsweise im Aluminiumdruckgussverfahren, erfordert zudem hohe Maschinenkosten und aufwändige Fertigungsvorbereitung. Hier eignet sich besonders die additive Fertigung, um sowohl eine sehr hohe Individualisierbarkeit bei gleichzeitig geringen Fertigungskosten zu erreichen. Besondere Masseersparnis bei gleichzeitig hoher Festigkeit kann zudem durch den Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) bei den Knoten entstehen.
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll eine Konstruktionsmethode erarbeitet werden, mit der eine ganzheitliche Optimierung von additiv gefertigten Tragwerksknoten aus faserverstärkten Kunststoffen realisiert werden kann. Hierbei sollen insbesondere Fertigungs- und Montagerestriktionen des Gesamttragwerks und der additiven Fertigung der Knoten berücksichtigt werden. Anwendungsfälle finden sich unter anderem im Messtechnikbereich, beispielsweise als Gerüst für örtlich flexible, flächige Satellitenantennen oder für komplizierte Mechanik-Prüfstände welche speziell auf die geforderten Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen hin optimiert werden müssen.