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Simulation Leichtbaustrukturen aus dem 3D-Drucker

Autor / Redakteur: Gerd Witt, Markus Schneider und Fabian Klein / Stefanie Michel

Weniger Gewicht spart in der Automobilindustrie oder in der Luft- und Raumfahrt Ressourcen, doch entsprechende Strukturen müssen herstellbar sein. Mit AM sind solche Leichtbaustrukturen möglich. Wie sie Belastungen Stand halten, lässt sich simulieren.

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Mit additiven Verfahren lassen sich unterschiedliche Leichtbaustrukturen umsetzen. Das eröffnet Potenziale, die noch lange nicht ausgeschöpft sind.
Mit additiven Verfahren lassen sich unterschiedliche Leichtbaustrukturen umsetzen. Das eröffnet Potenziale, die noch lange nicht ausgeschöpft sind.
(Bild: ©pressmaster - stock.adobe.com)

Der Fokus auf Leichtbau hat meist einen guten Grund: Oft geht es um das Einsparen von Ressourcen im Betrieb. Deshalb sind Leichtbaustrukturen insbesondere in der Raum- und Luftfahrt, der Automobilindustrie oder bei sonstigen Transportmitteln zu finden. Doch darüber hinaus steigt die Bedeutung von Leichtbau in vielen anderen Bereichen wie der Fertigung, der Medizintechnik oder im Bauwesen.

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Begrenzt werden die Leichtbaustrategien häufig durch das jeweilige Fertigungsverfahren. Die effiziente Nutzung konventioneller Fertigungsverfahren liegt insbesondere in der Bestrebung einer fertigungsgerechten Konstruktion und Entwicklung. Im Gegensatz hierzu ist die Additive Fertigung unter anderem durch eine hohe Geometriefreiheit gekennzeichnet, was viele Vorteile für den Leichtbau bietet. Die Möglichkeiten, die aus der Additiven Fertigung von Leichtbaustrukturen (zum Beispiel Mesostrukturen) resultieren, gewinnen zunehmend an Bedeutung [1, 2, 3]. Sowohl in der Natur als auch in der Mathematik existieren Mesostrukturen – sowohl deterministische als auch stochastische. Zu den deterministischen Strukturen zählen beispielsweise Waben- oder Sphärenstrukturen.

In Natur und Mathematik sind häufig sogenannte Mesostrukturen zu finden.
In Natur und Mathematik sind häufig sogenannte Mesostrukturen zu finden.
(Bild: Hochschule Ruhr West)

Einsatz von Topologieoptimierung

Die Topologieoptimierung nutzt häufig empirische und mathematische Verfahren zur Optimierung von Bauteilen. Der empirische Ansatz verfolgt das Ziel, auf Basis der in der Natur existierenden Strukturen Lösungen für mechanische Problemstellungen abzuleiten. Bekannte Beispiele, die aus der Natur nachgeahmt wurden, sind der Klettverschluss oder der Lotuseffekt. Darüber hinaus sind im Leichtbau Strukturen von Holz beziehungsweise Pflanzen, Honigwaben oder Knochen in Faserverbundwerkstoffen, Sandwichstrukturen oder Metallschäumen zu finden [5]. Sowohl in der Additiven als auch in der konventionellen Fertigung finden poröse Strukturen zunehmend Anwendung. Aus diesem Grund werden durch unterschiedliche Ansätze poröse Strukturen additiv gefertigt und deren Einsatzmöglichkeiten hier aufgezeigt [6].

Die Ergebnisse in der Simulation liefert erste Anhaltspunkte

Eine erste Abschätzung zur praktischen Umsetzung der digitalen Modelle kann durch eine Simulation im Umfeld von FEM erfolgen. Der Einfluss des gewählten additiven Fertigungsverfahrens ist dabei nicht zu vernachlässigen. Die stochastischen Strukturen lassen sich heutzutage mit Anlagen für das Fused-Layer-Modeling (FLM) umsetzen. Der Nachteil von FLM-Bauteilen sind die stark richtungsabhängigen, mechanischen Eigenschaften. Diese Anisotropie führt dazu, dass die Theorie auch mit praxisnahen Informationen angereichert werden muss.

TU Berlin: Verfahrenstechnische Weiterentwicklung des Fused Layer Manufacturing zur Reduzierung der Anisotropie im Bauteil

In den hier initial durchgeführten Simulationen wird deutlich, dass bei den stochastischen Prüfkörpern (Bauteile A bis E, siehe Bild) die Spannung mit der Größe der Poren zunimmt. Besonders auffällig ist dies bei Bauteil E mit einer Porosität von 40 %. Eine hohe Spannung resultiert aus einer hohen Belastung durch eine Kraft auf einen geringen Flächenquerschnitt, der hier durch den Querschnitt des Steges zwischen den Poren gegeben ist. An diesen Stellen kann eine plastische Verformung auftreten, die zum Versagen des Bauteils führt. Für das Bauteil E beträgt die Verformung 0,0139 mm. Die Spannungen sind hierbei bereits kritisch hoch. Deshalb kann eine FEM-Analyse nicht ausschließlich aus dem Parameter der Verformung bestehen, um ein bevorstehendes Versagen der Strukturen abzuleiten.

Am Beispiel der deterministischen Prüfkörper, in denen die Poren anisotrop verteilt sind, können Bauteile mit vergleichsweise guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, wie bei dem Prüfkörper „Sphären im Würfel“.

Berechnete Gesamtverformung und Spannung im Verhältnis zur Porosität.
Berechnete Gesamtverformung und Spannung im Verhältnis zur Porosität.
(Bild: Hochschule Ruhr West)

Die Wabenstruktur mit einer Masse von fast 40 g weist Spannungen auf, vergleichbar mit dem stochastischen Bauteil B. Allerdings ist die Gesamtverformung erheblich größer, was aber noch keinen Rückschluss auf die plastische Verformung beziehungsweise auf das Versagen des Bauteils zulässt.

Allgemein können in der Theorie gewonnene Daten darauf hinweisen, dass steigende Werte in der Vergleichsspannung und in der Verformung eine sinkende Festigkeit bedeuten. Zusätzlich kann angenommen werden, dass bei den stochastischen Strukturen die Festigkeit mit zunehmender Porosität abnimmt. Das reale Verhalten der Proben lässt sich erst durch eine experimentelle Versuchsreihe bestimmen.

Druckprüfung additiv gefertigter poröser Strukturen

Jeder bereits simulierte Prüfkörper wird auf Druck in X-Y-Richtung und in Z-Richtung geprüft. Durch Belastungen in unterschiedliche Richtungen treten abweichende Festigkeiten, Spannungen und Verformungen in der Praxis auf. Im Rahmen der Druckprüfungen wird ebenfalls deutlich, dass ein Wabenmuster ein gutes Verhältnis aus tragbarer Last und der eigenen Masse erzielt. Diese Struktur liegt in der Belastungsrichtung Z auf ähnlichem Niveau wie Bauteil C. Die Masse der Wabe ist dabei um etwa ein Drittel geringer. Entgegen der Aufbaurichtung, also in X-Y-Richtung, hält die Wabe noch der gleichen Kraft stand wie das Teil E. Die Gewichtsersparnis beträgt etwa 20 %.

Durch die experimentell ermittelten Werte wird deutlich, dass die gewählten Strukturen, die entgegen der Aufbaurichtung mit Druck belastet werden, teilweise genauso viel oder sogar mehr Kraft standhalten. Dies ist ebenfalls abhängig von der gewählten Mesostruktur. Die Adhäsion der aufgetragenen Schichten hat bedingt Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Wird eine hohe Beanspruchung bis zur Druckfestigkeit gefordert, muss im Einzelfall entschieden werden, welche Struktur verwendet wird und wie diese einzubauen ist. Anhand der Auswertung wird deutlich, dass bei dem Fertigungsverfahren und den gewählten porösen Strukturen eine hohe Reproduzierbarkeit, unabhängig von der Aufbaurichtung, vorliegt. Darüber hinaus zeigen die Versuche, dass sich die stochastischen Kunststoffproben (PLA) unter Druckbelastung qualitativ ähnlich zu aufgeschäumten Metallen verhalten.

Umdenken bei Gestaltung von Bauteilen

Nach dem Vorbild poröser oder geschäumter Strukturen und bekannter Systeme, wie drs Fachwerks und Metallschaums sowie natürlicher Abbilder, wurden digitale CAD-Modelle erstellt, simuliert, gefertigt und abschließend validiert. Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren für die Herstellung poröser Strukturen erfordert ein Umdenken hinsichtlich der Auslegung und Gestaltung solcher Bauteile. Die additive Fertigungstechnik sollte nicht vorrangig mit dem Ziel eingesetzt werden, die Erzeugnisse konventioneller Verfahren zu reproduzieren. Vielmehr sollte sie genutzt werden, um neue Wege zur Realisierung der geforderten strukturellen und funktionalen Anforderungen zu erschließen. Eine hohe Bedeutung wird der Realisierbarkeit einer definierten Porenmorphologie sowie der Herstellbarkeit beliebig poröser Geometrien und einer gradierten Porosität beigemessen. Eine Beherrschbarkeit dieser drei Aspekte stellt ein Alleinstellungsmerkmal der additiven Fertigungsverfahren dar.

Des Weiteren ergeben sich aus dieser Herangehensweise bisher ungenutzte Möglichkeiten. Werden in diesem Kontext zusätzlich die Anwendungsfelder Leichtbau, Energieabsorption und funktionelle Eigenschaften von stochastischen Strukturen betrachtet, resultieren beispielsweise aus dem Schallabsorptionsverhalten additiv gefertigter poröser Bauteile neue Chancen. Durch die gezielte Strukturierung der Bauteile können bestimmte Frequenzen, die zu hohen akustischen Emissionen führen, definiert absorbiert werden. Die Potenziale und Ideen sind in diesem Zusammenhang bei Weitem noch nicht ausgeschöpft.

In Kürze:

  • Die Grenzen der Herstellung von Leichtbaustrukturen liegen oft im Fertigungsverfahren. Die Additive Fertigung hingegen erlaubt eine hohe konstruktive Freiheit, um Strukturen aus der Natur nachzubilden.
  • Gerade poröse Strukturen, beispielsweise Schäume oder Waben, werden immer häufiger eingesetzt und lassen sich additiv herstellen.
  • Simulationen zeigen den Einfluss der Porosität beim FLM-Verfahren auf die plastische Verformung. Zudem werden die Prüfkörper auf Druck geprüft.
  • Die Erkenntnisse sollen genutzt werden, um losgelöst von konventionellen Fertigungsverfahren neue Geometrien und Strukturen in der Konstruktion zu nutzen.

Literatur

[1] Richard, H. A.; Schramm, B.; Zipsner, T. (2017): Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen. Springer Vieweg, Wiesbaden

[2] Schmidt, T. (2016): Potentialbewertung generativer Fertigungsverfahren für Leichtbauteile. Dissertation. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg

[3] Wohlers, T. T.; Caffrey, T. (2015): Wohlers Report 2015. Wohlers Associates, Fort Collins, Colorado

[4] Klahn, C. (2015): Laseradditiv gefertigte, luftdurchlässige Mesostrukturen. Herstellung und Eigenschaften für die Anwendung. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg

[5] Torsakul, S. (2007): Modellierung und Simulation eines Verbunds von Sandwichplatten zur Entwicklung einer mechanischen Verbindung. Dissertation. RWTH Aachen

[6] Trenke, D. (2006): Selektives Lasersintern von porösen Entlüftungsstrukturen am Beispiel des Formenbaus. Dissertation. Universität Clausthal

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt veröffentlicht.

* Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt ist Leiter des Lehrstuhls Fertigungstechnik der Universität Duisburg-Essen. Prof. Dr.-Ing. Markus Schneider ist Professor am Institut Maschinenbau der Hochschule Ruhr West in 45479 Mülheim an der Ruhr. Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Fabian Klein promoviert an der Universität Duisburg-Essen kooperativ mit der Hochschule Ruhr West und ist Mitarbeiter der Pfeiffer Vacuum GmbH in 35614 Asslar, Tel. (0 64 41) 8 02-0, fabian.klein@pfeiffer-vacuum.de

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