Abschlussarbeit: Optimierung

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit 76 Institute und Forschungseinrichtungen und ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Rund 30 000 Mitarbeitende erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 2,9 Milliarden Euro.

Der granulatbasierte Extruder-3D-Druck (FGF) eignet sich hervorragend für die werkzeuglose Fertigung großformatiger Bauteile mit komplexer Geometrie, womit insbesondere Kleinserien wirtschaftlich herstellbar sind. Durch den vollständigen Einsatz wiederverwendbarer Ausgangsmaterialien auf Basis aufschmelzbarer Thermoplastwerkstoffe lassen sich großformatige Strukturbauteile nachhaltig herstellen. Allerdings ist diese Technologie derzeit noch von markthemmenden Defiziten geprägt. So führt der schichtweise Materialaufbau zu einer starken Anisotropie mit einer verringerten Festigkeit senkrecht zur Druckebene. Die strukturelle Performance infolge der Anisotropie und die gängige Verwendung von unverstärkten bzw. kurzfaserverstärkten Kunststoffen ist für hochbelastete Bauteile nicht ausreichend. Trotz des hohen Potentials ist daher die Herstellung hochbelastbarer Strukturen derzeit noch nicht im FGF-Verfahren realisierbar.

Die Steigerung der Traglast und des Leichtbaugrades additiv gefertigter Kunststoffstrukturen stehen daher im Fokus von Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IWU. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Erreichung einer belastungsgerechten Endlosfaserverstärkung mittels automatisiertem Tapelegen (ATL).

Neben der prozess
- und anlagentechnischen Realisierung ist eine zielführende Methode für die strukturelle Auslegung und Optimierung zu entwickeln. Die allgemeinen FEM-Systeme sind darauf angelegt, Spannungen in Modellen zu visualisieren, doch die Modelle selbst nicht zu modifizieren. Hauptspannungen können zwar bestimmt werden, deren optimale Ausrichtung ist jedoch nicht vorgesehen. Für eine Anwendung von Endlosfasern ist zudem die Unterscheidung der Hauptspannung hinsichtlich der Belastungsrichtung (Zug/Druck) relevant.

Es soll ein Berechnungswerkzeug entwickelt werden, welches für vorab definierte Randbedingungen eine Optimierung der Topologie der Modelle vornimmt und visualisiert. In diesen Modellen sollen anschließend Bereiche identifiziert werden, die mithilfe von Endlosfasern versteift werden können. Der optimale Verlauf der Endlosfasern soll visualisiert und in einem 3D-Druckmodell untergebracht werden können.

**Was Sie bei uns tun**

Im Rahmen einer Abschlussarbeit (Bachelor-, Master
- oder Diplomarbeit) soll ein numerisches Werkzeug zur Strukturoptimierung von endlosfaserfaserverstärkten FGF-Strukturen anhand folgender Teilaufgaben entwickelt werden:

- Ermittlung des Standes der Wissenschaft und Technik zu numerischen Methoden der Topologieoptimierung und Ermittlung/Visualisierung von Hauptspannungslinien,
- Entwicklung eines Konzeptes zur Strukturoptimierung von endlosfaserfaserverstärkten FGF-Strukturen für ein vorgegebenes Bauteil:

- Modellaufbereitung und -vereinfachung,
- Vernetzung und Definition der Randbedingungen,
- Optimierung der Bauteilstruktur (iterative Topologieoptimierungen und Ermittlung der Hauptspannungslinien an den topologieoptierten Strukturen)
- Bewertung der Ergebnisse und Ermittlung der Vorzugsvariante für Grundstruktur (FGF-3D-Druck) und unidirektionaler Faserverstärkung (ATL),
- Extraktion der Koordinaten aus den Hauptspannungstrajektorien,
- Überführung der Vorzugsvariante in ein fertigungsgerechtes CAD-Modell.
- Dokumentation der Arbeiten.

**Was Sie mitbringen**
- Studentin/Student der Studienrichtung Maschinenwesen, Mechatronik oder artverwandte Fachrichtung,
- Einen erfolgreichen Studienverlauf, hohe Leistungsbereitschaft und eine selbstständige, strukturierte Arbeitsweise,
- Sehr gute Deutschkenntnisse in Wort und Schrift.

**Was Sie erwarten können**
- Flexible, standortunabhängige Projektbearbeitung,
- Möglichkeit zur Arbeit im Homeoffice,
- Mitwirkung an einem spannenden Forschungsprojekt,
- Ein interessantes Umfeld mit wissenschaftlicher Arbeit in der anwendungsorientierten Forschung,
- Enge Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern und Technikern,
- Dauer mind. 6 Monate.

Zu dieser Aufgabenstellung ist auch eine Beschäftigung als wissenschaftliche Hilfskraft möglich (Stellennr.: 66183).

Wir wertschätzen und fördern die Vielfalt der Kompetenzen unserer Mitarbeitenden und begrüßen daher alle Bewerbungen - unabhängig von Alter, Geschlecht, Nationalität, ethnischer und sozialer Herkunft, Religion, Weltanschauung, Behinderung sowie sexueller Orientierung und Identität. Schwerbehinderte Menschen werden bei gleicher Eignung bevorzugt eingestellt.

Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzell