Jan-Peter BrüggemannOptimierungsstrategien für Strukturbauteile mittels additiver Fertigungsverfahren | |||||||
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ISBN: | 978-3-8440-6773-6 | ||||||
Reihe: | Forschungsberichte des Direct Manufacturing Research Centers Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Iris Gräßler, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Koch, Prof. Dr.-Ing. habil. Hans Albert Richard, Prof. Dr. Hans-Joachim Schmid, Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner, Prof. Dr. rer. nat. Thomas Tröster, Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer, Prof. Dr.-Ing. habil. Mirko Schaper und Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer Paderborn | ||||||
Band: | 14 | ||||||
Schlagwörter: | Additive Fertigung; Strukturoptimierung; Optimierungsstrategie; Leichtbau; Hochfeste Werkstoffe | ||||||
Publikationsart: | Dissertation | ||||||
Sprache: | Deutsch | ||||||
Seiten: | 134 Seiten | ||||||
Abbildungen: | 81 Abbildungen | ||||||
Gewicht: | 191 g | ||||||
Format: | 21 x 14,8 cm | ||||||
Bindung: | Paperback | ||||||
Preis: | 45,80 € | ||||||
Erscheinungsdatum: | Juli 2019 | ||||||
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Zusammenfassung: | Ein zunehmendes Umweltbewusstsein in der Bevölkerung führt zu strengeren Vorgaben bei der Entwicklung von Strukturbauteilen. Zudem werden aufgrund der technischen Weiterentwicklung Bauteile mit steigender Komplexität zur Erfüllung der Anforderungen benötigt. Dieses führt zu der Notwendigkeit der Strukturoptimierung. Verschiedene Ansätze können in diesem Zusammenhang für die Umsetzung verfolgt werden. Beispielsweise sind die Verwendung von hochfesten Leichtbauwerkstoffen mit geringer Dichte, die stringente Anwendung von Leichtbauprinzipien und die Ausnutzung numerischer Methoden zu nennen. Mit dem Ziel leichtbau- und lebensdauerorientierte Strukturbauteile zu generieren, ist der gesamte Produktentstehungsprozess „Von der Idee zum Bauteil“ in die Strukturoptimierung miteinzubeziehen. Durch diesen Optimierungsprozess können Strukturen mit nahezu beliebiger Komplexität und Geometrie entstehen, so dass ein Herstellungsverfahren mit einem hohen Grad an gestalterischer Freiheit erforderlich ist. Die moderne Technologie der additiven Fertigung erfüllt diese Voraussetzungen durch den schichtweisen Aufbau der Bauteile. Im Speziellen der Laserstrahlschmelzprozess ermöglicht die Generierung von filigranen, hochfesten sowie steifen Strukturen.
Inwieweit eine Optimierung von Strukturbauteilen unter Ausnutzung des Zusammenspiels verschiedener Herangehensweisen auf Grundlage der Technischen Mechanik mit den Vorteilen der additiven Fertigung realisierbar ist, wurde in dieser Dissertation untersucht. In diesem Zusammenhang wurde auf in der Literatur zur Verfügung stehendende Werkstoffkennwerte für die additiv verarbeiteten Materialien bei der Bauteilauslegung zurückgegriffen. Da bei dem modernen Herstellungsverfahren Additive Fertigung die Materialentwicklung und Prozessierbarkeit weiter andauert, ist die Übertragbarkeit der an Normproben aufgenommenen Kennwerte auf industrielle Strukturen zu untersuchen. Der Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit knüpft deshalb an dieser Stelle an. Darauf basierend wurden die Einflussfaktoren auf die einzelnen Schritte des Produktentstehungsprozesses analysiert und Möglichkeiten der Optimierung untersucht, um schlussendlich industrielle, lasergeschmolzene Leichtbaustrukturkomponenten betriebssicher auslegen zu können. Der Prozess beginnt mit der Definition der von der Struktur zu erfüllenden Funktion, so dass daraufhin die grundlegenden Anforderungen definiert werden. Darin eingeschlossen sind beispielsweise die zu ertragenden Belastungen, die normativ oder anderweitig vorgegeben sind. Mit dem Ziel strukturmechanisch funktionsfähige Komponenten zu generieren, ist in diesem Zusammenhang die Kenntnis von Konzepten zur Auslegung von Bauteilen bei statischer und zyklischer Belastung essentiell. Diese wurden deshalb in einem ersten Schritt analysiert, um die notwendigen theoretischen Kenntnisse zu erlangen. Die Auswahl des Laserstrahlschmelzprozesses für die Fertigung der optimierten Strukturbauteile bedingt die Analyse möglicher verwendbarer Werkstoffe. Ein Baustein zur Produktoptimierung ist die Verwendung von Leichtbauwerkstoffen. Da die Werkstoffauswahl für den SLM-Prozess noch beschränkt ist, wurde die hochfeste Aluminiumlegierung EN AW-7075 als ein geeigneter, aber noch nicht prozessierbarer Leichtbauwerkstoff detektiert. Deshalb wurden Maßnahmen zur Ermöglichung der Prozessierbarkeit erforscht. Die Erhöhung der Bauplattformheizung in Verbindung mit der Zugabe von AlSi10Mg erwiesen sich als geeignet, um diese neu entstandene Mischlegierung additiv verarbeiten zu können. Die anschließende Kennwertermittlung verdeutlichte die mit konventionellen Werkstoffkennwerten vergleichbaren bruchmechanischen Parameter. Allerdings wurde auch das für einen Leichtbauwerkstoff ungenügende Festigkeits- und Dauerfestigkeitsverhalten deutlich. Für die Optimierung der Strukturbauteile wurde deshalb auf die prozesssicher verarbeitbare TiAl6V4-Legierung zurückgegriffen. Für den Optimierungsprozess wurden Herangehensweisen, die auf die Kenntnisse der Technischen Mechanik zurückgreifen, genutzt. Darauf aufbauend wurden drei Optimierungsstrategien entwickelt und deren Leichtbaupotential an verschiedenen Anwendungsbeispielen mit unterschiedlichen Belastungssituationen aufgezeigt. Die Anwendung dieser Strategien sowohl einzeln als auch kombiniert erfolgte unter Ausnutzung numerischer Methoden. Auf diese Art und Weise konnten Strukturen entwickelt werden, die auch im Vergleich mit dem Geometrievorschlag einer Topologieoptimierungssoftware besser abschneiden. Somit liefern die Ansätze zur Optimierung von Strukturbauteilen, die auf den Einsatz von Topologieoptimierungssoftwares verzichten, möglicherweise eine kosteneffiziente Alternative. Die ingenieurmäßige Betrachtung der verschiedenen Problemstellungen nimmt im Vergleich zur Softwarelösung einen deutlich größeren Detaillierungsgrad an, so dass Strukturen mit einer geringeren Masse bei annähernd gleichem Zeitaufwand generiert werden. Bei der Auslegung der Leichtbaukomponenten wurden die an Normproben ermittelten Werkstoffkennwerte verwendet. Um die betriebssichere Auslegung validieren zu können, sind zum Abschluss des Produktentstehungsprozesses experimentelle Bauteilprüfungen durchgeführt worden. Dazu wurde in dieser Arbeit eine Prüfmaschine für die Bauteilprüfung entwickelt, mit der die normativ vorgegebenen statischen und zyklischen Prüfungen durchgeführt werden können. Zur Prüfung der Strukturkomponenten wurden individuelle Prüfaufnahmen entwickelt und die vorgeschriebenen Prüfungen durchgeführt. Die optimierten Strukturkomponenten hielten den geforderten Belastungen stand, so dass die Einsatzsicherheit validiert ist. Auch die Analyse und der Vergleich des numerisch vorhergesagten und des experimentell ermittelten Bauteilversagens zeigten eine gute Übereinstimmung. Einzig der Einfluss der ?-case Schicht in Bezug auf die beschleunigte Rissinitiierungsphase bedarf in Zukunft noch weiterer Untersuchungen. Der Vergleich mit handelsüblichen Produkten bestätigte eine aus Leichtbausicht bessere Leistungsfähigkeit der entwickelten Strukturbauteile und damit die Anwendbarkeit der entwickelten Optimierungsstrategien. |