Neue Designmethode reduziert Carbonfaser-Gewicht für leichtere Flugzeuge und Fahrzeuge

Forscher der Tokyo University of Science (TUS, Japan) haben eine neue Designmethode übernommen, die sowohl Carbonfaser-Dicke als auch -Orientierung optimiert, wodurch Gewichtsreduktion in faserverstärkten Composites erreicht wird und Türen zu leichteren Flugzeugen und Automobilfahrzeugen geöffnet werden.

TUS verweist auf carbonfaserverstärkte Polymere (CFK), die kontinuierlich untersucht werden, um Festigkeit zu verbessern. Die meisten dieser Studien, so TUS, fokussierten sich auf eine Technik namens „Faser-geführtes Design“, die Faserorientierung zur Festigkeitssteigerung optimiert.

Der Faser-geführte Designansatz hat jedoch Nachteile. „Faser-geführtes Design optimiert nur die Orientierung und hält die Faser-Dicke fix, was die volle Ausnutzung der mechanischen Eigenschaften von CFK verhindert. Ein Gewichtsreduktionsansatz, der auch die Optimierung der Faser-Dicke erlaubt, wurde selten betrachtet“, erklärt Dr. Ryosuke Matsuzaki von TUS, dessen Forschung auf Composite-Materialien fokussiert.

Vor diesem Hintergrund schlugen Dr. Matsuzaki und seine Kollegen Yuto Mori und Naoya Kumekawa eine neue Designmethode vor, die Faserorientierung und -dicke gleichzeitig standortabhängig in der Composite-Struktur optimiert, was eine Gewichtsreduktion des CFK im Vergleich zu einem konstanten-Dicke-Linearlaminat-Modell ermöglichte, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen. Die Ergebnisse sind in einer neuen Studie in Composite Structures veröffentlicht.

Die Methode bestand aus drei Schritten: Vorbereitungs-, Iterations- und Modifikationsprozess. Im Vorbereitungsprozess wurde eine initiale Analyse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, um die Anzahl der Lagen zu bestimmen, was eine qualitative Gewichtsbewertung durch ein lineares Laminatmodell und ein Faser-geführtes Design mit Dickenvariationsmodell ermöglichte. Der Iterationsprozess diente zur Bestimmung der Faserorientierung nach Hauptspannungsrichtung und iterativer Dickenberechnung mittels „Maximum Stress Theory“. Schließlich wurde im Modifikationsprozess die Fertigbarkeit berücksichtigt, indem zunächst ein Referenz-„Basis-Faserbündel“ in einem Bereich geschaffen wurde, der Festigkeitsverbesserung bedarf, und dann die finale Orientierung und Dicke durch Anordnung der Faserbündel bestimmt wurde, sodass sie sich auf beiden Seiten des Referenzbündels ausbreiten.

Die simultane Optimierung führte zu einer Gewichtsreduktion von über 5 % bei gleichzeitig höherer Lasteintragungseffizienz als bei reiner Faserorientierungsoptimierung.

Die Forscher zeigen sich begeistert von den Ergebnissen und blicken auf künftige Implementierung ihrer Methode für weitere Gewichtsreduktion konventioneller CFK-Teile. „Unsere Designmethode geht über die konventionelle Weisheit des Composite-Designs hinaus und ermöglicht leichtere Flugzeuge und Automobile, was zu Energieeinsparung und CO₂-Reduktion beitragen kann“, beobachtet Dr. Matsuzaki.