Variantenvielfalt durch additiv gefertigte Bauteile
Fraunhofer LBF in Darmstadt entwickelt neue Bewertungsmethodik für additiv gefertigte Bauteile
Bei der Herstellung additiv gefertigter Bauteile beeinflussen die Prozessparameter die Bauteileigenschaften maßgeblich. Aktuell untersucht das Fraunhofer LBF die Auswirkungen des Selektiven Laserschmelzens (SLM) auf das Werkstoffverhalten bei zyklischer Belastung. Damit derartige zyklische Werkstoffeigenschaften bei einer Bauteilentwicklung einschließlich Topologieoptimierung berücksichtigt werden können, hat sich das Fraunhofer LBF zum Ziel gesetzt, eine Datenbasis aufzubauen, die als Grundlage für zukünftige Big-Data-Analysen verwendet werden kann.
Die Untersuchung von Proben mit polierten und im Fertigungszustand belassenen Oberflächen zeigte dabei einen erwarteten Einfluss der Bauteiltopologie auf die Lebensdauer eines additiv gefertigten Bauteils. Darüber hinaus haben die Prozessparameter einen entscheidenden Einfluss auf Poren und Mikrostruktur und somit auf die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils.
Ziel des Forschungsprojektes VariKa (Vernetztes Produkt- und Produktions-Engineering am Beispiel variantenreicher, ultraleichter, metallischer Fahrzeugkarosserien) ist es, Methoden zur Bewertung additiv gefertigter und nachfolgend laserstrahlgeschweißter Bauteile zu entwickeln, welche schließlich an einem skalierbaren Batterieträger für den Einsatz in Elektrofahrzeugen verifiziert werden. Dazu wird die gesamte Entwicklungsprozesskette, ausgehend vom konzeptionellen Entwurf des Batterieträgers über eine Update-fähige Produktionstechnik mit vorrichtungslosem Fügen bis hin zur Schwingfestigkeitsbewertung betrachtet und im Hinblick auf die Anforderungen der additiven Fertigung optimiert. Auf diese Weise können alle relevanten Einflüsse berücksichtigt werden.
Entwicklung eines neuen Prüfsystems
Die Grundlage bildet die Charakterisierung des zyklischen Werkstoffverhaltens in Abhängigkeit relevanter, additiver Fertigungsparameter in Korrelation mit der Beanspruchungshöhe. Dabei steht der Einfluss von unterschiedlichen Wanddicken in Abhängigkeit von den Aufbaurichtungen im Fokus der Untersuchungen. Mit Hilfe des selektiven Laserschmelzens werden aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg Werkstoffproben, die eine Länge von l = 50 mm haben und für die additive Fertigung optimiert wurden, hergestellt. In Incremental Step Tests (IST) wird das zyklische Spannungs-Dehnungsverhalten für unterschiedliche Kollektivhöchstwerte experimentell bestimmt. Die Durchführung der zyklischen Versuche erfolgt mit einem E-Zylinder-Prüfsystem, das eigens für die besonderen Prüfherausforderungen im Fraunhofer LBF entwickelt wurde. Die Untersuchung der Baurichtungen von 0° (liegend), 45° und 90° (stehend) sowie orthogonal liegend zur Pulverauftragsrichtung gibt Aufschluss über die Anisotropie des Werkstoffs für anwendungsbezogene Parameter des SLM-Prozesses. Stützstrukturen werden nachträglich entfernt. Um den Einfluss einer Stützstruktur sowohl auf das Werkstoffverhalten als auch auf die Schwingfestigkeit ermitteln zu können, wird ein Teil der Werkstoffproben poliert und bei einem anderen Teil die gedruckte Oberfläche beibehalten. Wird zusätzlich die Wanddicke variiert, so lässt sich der Einfluss unterschiedlicher Wanddicken, Bauraumorientierungen, Oberflächenzustände (inkl. abgearbeiteter Stützstrukturen) und einer Wärmebehandlung auf das zyklische Werkstoffverhalten ermitteln. Diese erste Projektphase hat zum Ziel, relevante Einflussgrößen anhand des zyklischen Spannungs-Dehnungsverhaltens zu identifizieren und die benötigten Kennwerte für eine Topologieoptimierung bereitzustellen.
Mit Blick auf variantenreiche Strukturkomponenten sind Fügeverbindungen laseradditiv gefertigter Bauteile mit konventionellen Halbzeugen unerlässlich. Im Projekt VariKa werden daher Schwingfestigkeitskennwerte für laserstrahlgeschweißte Verbindungen zwischen SLM- und Strangpress-Platinen sowie für mit Strangpressprofilen gefügte SLM-Knotenelemente ermittelt, um ein für die Anwendung umsetzbares Fügeverfahren zu evaluieren und ein Bewertungskonzept für solche Fügeverbindungen zu entwickeln. Beides, Fügetechnik und Bewertung, werden abschließend an einer Variante des Batterieträgers verifiziert. Parallel wird in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern und unter Zuhilfenahme der Topologieoptimierung eine iterative Verbesserung des strukturellen Aufbaus durchgeführt. Nach Abschluss des Forschungsprojektes steht ein Bewertungskonzept sowohl für additiv gefertigte Bauteile als auch für deren Fügeverbindung mit konventionellen Halbzeugen zur Verfügung.
Zyklisches Werkstoff- und Bauteilverhalten additiv gefertigter Komponenten
Ein deutlich erweitertes Verständnis des zyklischen Werkstoff- bzw. Bauteilverhaltens additiv gefertigter Komponenten versprechen sich die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF durch die Ausnutzung von Synergien mit den Erkenntnissen aus dem Forschungsprojekt BadgeB (Betriebsfestigkeit additiv gefertigter Bauteile), in dem der Fokus auf den Werkstoffen 2.4668 (Inconel® 718) und AlSi7Mg0,6 liegt. Hier wird ebenfalls mit Hilfe der für die additive Fertigung optimierten Werkstoffprobe das Verhalten der Werkstoffe unter Variation der Baurichtung, Kerbschärfe, Oberfläche, einer nachträglichen Wärmebehandlung und überlagerten Mittellasten untersucht. Für die Anwendung in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt werden diese Erkenntnisse anhand anwendungsnaher Demonstratorbauteile in ein Bewertungskonzept für die Schwingfestigkeit überführt.