Optimierung von vorgespannten faserverstärktem Mineralguss für den Werkzeugmaschinenbau unter Einsatz simulationsbasierter Auslegungsmethoden

Das Forschungsprojekt VFMG 2.0 befasst sich mit der Entwicklung und Optimierung von vorgespanntem faserverstärktem Mineralguss (VFMG) für hochbelastete Strukturkomponenten im Werkzeugmaschinenbau. Aufbauend auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts 1.0 liegt der Schwerpunkt von VFMG 2.0 auf der gezielten Weiterentwicklung der Werkstoffzusammensetzung, zur Analyse der Eigenspannungen bzw. Eigenspannungsfelder, die durch die Vorspannung der Carbonfaser-Rovings entstehen. Hintergrund ist die gezielte Anpassung der Eigenspannungen an die Belastungsanforderungen. Darüber hinaus wird das Fertigungsverfahren systematisch optimiert, um das Zusammenspiel zwischen den Produktionsparametern und den resultierenden mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt hier auf der Entwicklung eines Roving-Legeverfahrens, das es ermöglicht, Carbonfaser-Rovings effizient in die Mineralgussmatrix einzubringen und gleichzeitig vorzuspannen, so dass auch geometrisch komplexe, lastpfadgerechte Bauteile realisierbar werden.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil des Projekts ist die Entwicklung numerischer Simulationsmodelle, die das Verhalten des hybriden Werkstoffs präzise abbilden. Hierbei wird die Interaktion zwischen der Mineralgussmatrix und den eingelagerten Carbonfaser-Rovings berücksichtigt, ebenso wie die durch Vorspannung induzierten Eigenspannungen. Diese Modelle dienen als Grundlage für die belastungsgerechte Auslegung von Strukturkomponenten, die speziell auf die Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen im Werkzeugmaschinenbau abgestimmt sind.

Durch die Kombination aus Materialentwicklung, Prozessoptimierung und Simulation soll es gelingen, leistungsfähige und gleichzeitig ressourceneffiziente Bauteile herzustellen, die in puncto Stabilität und Leichtbau neue Maßstäbe setzen. Als Nachweis dieses Potenzials schließt das Projekt mit einer topologieoptimierten Bauteilkomponente auf Demonstratorniveau ab.

Projektlaufzeit 
März 2025 – Februar 2028

Projektteam
ITFT Institut für Textil- und Fasertechnologien, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Dr.-Ing. Larissa Born, Robert Wegner
IfW Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Möhring, Kim Torben Werkle, Michelle Engert

Förderung
Dieses Forschungsvorhaben wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert – Projektnummer 451783369