Bionische Entwicklung einer additiv gefertigten A-Säulen-Verstärkung

Generative Fertigungsverfahren sind aufgrund der großen Gestaltungsfreiheit und der Möglichkeit zur Bauteilintegration insbesondere für den bionischen Leichtbau bedeutsam. Entscheidend ist dafür zu Beginn die systematische Auswahl eines geeigneten Bauteils oder Anwendungsbereichs. Am Volkswagen Standort Osnabrück wird dafür ein systematischer Auswahlprozesses durchgeführt, aus dem der A-Säulen-Bereich von Cabriolets zur Entwicklung eines generativen Bauteils hervorgeht. Als Designraum wird der Bereich der oberen Türscharnieranbindung bis zur Mitte der oberen A-Säule gewählt. Zu Beginn erfolgen die Definition eines reduzierten linear-statischen FEErsatzmodells, das u.a. den Hauptlastfall der Dacheindrückung nach FMVSS 216a aus dem Crash-Setup des Gesamtfahrzeugmodells berücksichtigt sowie eine FE-Analyse des Referenzbauteils. Grundlage für die Neuentwicklung ist die Interpretation der Lastpfade mit Hilfe einer Topologieoptimierung auf Basis der Multi-Model-Optimierung (MMO). Durch den MMO-Ansatz können unterschiedliche Deformationsschritte des ursprünglichen Crash-Lastfalls der Dacheindrückung berücksichtigt werden, indem der zeitabhängige Lastfall in eine Abfolge statischer Lastfälle unterschiedlicher Bauraumverformungen eingeteilt wird. Das Endergebnis berücksichtigt so die Lasteinwirkungen aller Verformungsschritte. Im Anschluss erfolgt die Bauteilkonstruktion als Interpretation des Ergebnisses der MMO. Ein weiterer Entwicklungsschritt ist die Einbringung von bionischen Wirkprinzipien nach dem ELiSE-Produktentstehungsprozess als alternativer Lösungsansatz. Kern des ELiSE-Verfahrens ist die Umsetzung von bionischen Leichtbauprinzipien durch adaptive Konstruktionsalgorithmen, die auf den evolutionär voroptimierten Leichtbaustrukturen von Planktonorganismen (Diatomeen und Radiolarien) als biologische Vorbilder basieren. Nach der konstruktiven Umsetzung der Wirkprinzipien folgt die parametrische Optimierung. Während der Konstruktion und der Anpassungen durch die Optimierung wird kontinuierlich die Aufbaurichtung des späteren Druckprozesses berücksichtigt. Die Validierung erfolgt durch die Auswertung des Dacheindrücktests im Gesamtmodell des Fahrzeugs anhand eines Kraft-Weg- Diagramms. Aus der Ergebnisinterpretation der MMO-Topologieoptimierung kann eine Gewichtsreduktion um 62 % im Vergleich zum Serienstand erzielt werden. Das finale Konzept entspricht einer Gewichtsreduzierung zum Serienstand von 74 %. Im Rahmen der Funktionsintegration kann die Anzahl der Bauteile von sechs auf drei bzw. zwei reduziert werden. Insgesamt bieten sowohl die ELiSE- wie auch die MMOKonstruktion eine beachtliche Gewichtsreduzierung im Vergleich zu den Serienstand- Bauteilen und tragen somit zu einer relevanten Verminderung der Fahrzeugmasse bei ähnlicher A-Säulen-Steifigkeit bei.