Laufende Projekte

Ausgangslage

Die additive Fertigung, insbesondere LPBF, besitzt enorme Wachstumspotenziale. Aktuell stehen einem flächendeckenden Transfer der LPBF-Technologie jedoch noch eine Reihe unbeantworteter Fragestellungen in den Bereichen Konstruktion, Prozessführung und Betriebsfestigkeit entgegen.

Fragestellungen bezüglich der Konstruktion betreffen das Fehlen von angepassten Konstruktionsregeln und -prinzipien. Verglichen mit konventionellen Fertigungsverfahren, fehlt es den meisten Konstrukteur_innen an Erfahrung bei der Auslegung und Gestaltung von Leichtbau-komponenten, was in einem unwirtschaftlichen Einsatz der Technologie und einer geringen Ausnutzung der Leichtbaupotenziale resultiert. Durch eine lokal angepasste Prozessführung bietet das LPBF-Verfahren das Potenzial, auf Mesoebene Gitterstrukturen zu erzeugen. Diese weisen großes Potential für eine materialarme sowie wirtschaftliche Fertigung auf. Deren zuverlässige Fertigung mittels LPBF sowie die resultierenden mechanischen Eigenschaften sind in hohem Maße abhängig von der Prozessführung. Diese angepasste Prozessführung wurde bereits in ersten Forschungsarbeiten entwickelt, muss jedoch zur Serienreife weiterentwickelt und methodisch unterstützt in eine breite Industrieanwendung transferiert werden. Ebenso fehlt es an einer Datenbasis hinsichtlich der Betriebsfestigkeit, wodurch erhebliche Unsicherheiten bei der Zuverlässigkeitsbewertung von additiv gefertigten Leichtbaukomponenten hinsichtlich Ermüdungsbelastung und Formkonformität entstehen.

Zielsetzung

Ziel des Vorhabens ist der Nachweis der Erreichung industrieller Einsetzbarkeit von topologisch optimierter Konstruktion und strukturintegrative Verwendung von Gitterstrukturen in quasi-statischen, dynamisch und zyklisch belasteten Bauteilen unter Verwendung der L-PBF-Technologie. Grundlage hierfür ist die reproduzierbare, automatisierte Erzeugung von Gitterstrukturen und eine Ermittlung abgesicherter Materialkenngrößen für spezifische Leichtbaustrukturen. Zentraler Lösungsansatz in beiden Bereichen ist die Verbindung von physikalisch-basierten Modellen (White-Box) mit daten-basierten Methoden des Maschinellen Lernens (Black-Box) in nahezu echtzeitfähige Grey-Box-Modelle zur Umsetzung innovativer zielgerichteter Fertigungs- und Dimensionierungskonzepte. Entscheidend ist, lokales Werkstoff- und Bauteilverhalten, erzeugt durch Eigenheiten des Additiven Fertigungsprozesses vorhersagen zu können und im Design bzw. der Konstruktion und Berechnung zu berücksichtigen. Der Fokus hinsichtlich der Belastungsform soll hierbei auf dem zyklischen Werkstoffverhalten liegen. Je nach Einsatzgebiet des Bauteils müssen aber auch die statische Gestaltfestigkeit und das plastische Deformations- und Versagensverhalten bei Misuse- und Crashlastfällen betrachtet werden. Nur eine umfassende Bewertung der Belastungen eines Bauteils mit CAE-Methoden erlauben eine effektive und zielgerichtete Optimierung. Zur Entwicklung und Erprobung der Methode werden Untersuchungen an Leichtbaustrukturen aus verschiedenen Aluminiumlegierungen durchgeführt. Als Ergebnis werden Design- und Fertigungskonzepte einen Beitrag zum Abbau von Markteintrittsbarrieren leisten und sowohl durch Einfluss in die Normung als auch in Workshops zur praktischen Anwendung weitervermittelt.

Vorgehensweise

Beginnend mit der Auswahl von Bauteilen oder Baugruppen durch methodische Bewertung des Leichtbau-Potentials werden Leichtbaustrukturdesigns für die entsprechenden Bauteile entwickelt. Das Projekt unterteilt sich in die zwei parallelen Stränge der Gitterstrukturen und der topologieoptimierten Designs. Für jedes dieser zwei Konzepte werden Prozessstrategien entwickelt, die homogene Bauteileigenschaften (Oberfläche, Mikrostruktur) für eine bewertbare zyklische Festigkeit erzeugen. Durch Prozessüberwachungssysteme werden zudem charakteristische Kenngrößen zur Korrelation des Prozesses mit den resultierenden Eigenschaften bereitgestellt. Die Bewertung der zyklischen Festigkeitseigenschaften erfolgt durch Betrachtung des Schädigungsverhaltens und Materialmodelle sowie Kombination dieser in innovativen Grey-Box-Modellen. Abschließend werden aus dieser Bewertung in Kombination mit dem Design Konstruktions- und Dimensionierungsrichtlinien abgeleitet.