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Reduzierte Eigenspannungen durch Optimierung der Stützstruktur beim Laser-Pulverbettschmelzen
Auf einen Blick
Beschreibung
Die additive Fertigung von Metallen (AM) hat sich für die Industrie als attraktive und praktikable Technologie zur Herstellung komplexer Bauteile und/oder kleiner Losgrössen erwiesen. Die Zuverlässigkeit und damit die Akzeptanz des Laser-Pulver-Bett-Fusionsverfahrens (LPBF) bleibt jedoch eine Herausforderung. Starke thermische Gradienten können zu übermässigen Eigenspannungen, Verformungen oder Rissen in AM-Bauteilen führen und somit kostspielige Iterationen, Materialabfälle und Nachbearbeitungen nach sich ziehen. Trotz ihres grossen Einflusses auf die thermischen Gradienten, werden Stützstrukturen oft heuristisch definiert.
Die Untersuchung des Effekts von Stützstrukturen auf Eigenspannungen wurde in der wissenschaftlichen Literatur wiederholt als Forschungsbedarf identifiziert. Kürzlich entwickelte Finite-Elemente-Ansätze (FE) zur thermomechanischen Prozesssimulation (TMPS) sind in der Lage, Eigenspannungen und Verformungen vorherzusagen. Geeignete Kalibrierungs- und Validierungsverfahren sowie In-situ-Temperatur- und umfassende Eigenspannungsdaten für die mechanische Validierung mit Schwerpunkt auf Support-Strukturen, fehlen jedoch noch.
Ziel des beantragten Projekts ist die Entwicklung eines TMPS-basierten Optimierungswerkzeugs für materialeffiziente Stützstrukturen, die die kritischen Eigenspannungen in LPBF-gedruckten Bauteilen minimieren. In diesem Rahmen werden folgende Zwischenziele verfolgt:
- Untersuchung der Auswirkung von Stützstrukturen auf den Eigenspannungszustand in LPBF-Bauteilen, um eine Validierungsdatenbank für TMPS-Modelle bereitzustellen,
- Entwicklung eines High-Fidelity- und eines vereinfachten TMPS-Modells zusammen mit einem speziellen Kalibrierungs- und Validierungsschema, das die Homogenisierung der Stützstruktur auf der Grundlage von In-situ-Experimenten und simulierten Daten einschließt,
- Modellierung der Auswirkung der Stützstruktur auf ihre homogenisierten thermomechanischen Eigenschaften unter Verwendung eines Response-Surface-Ansatzes und
- Entwicklung und Validierung eines parametrischen Optimierungswerkzeugs für Stützstrukturen auf der Grundlage von TMPS- und Response-Surface-Modellen.
Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit einem wichtigen industriellen Problem, das derzeit die Einführung von LPBF verhindert. Die eingehende Untersuchung der Auswirkungen der Support-Struktur auf die Eigenspannungen bringt den Stand der Wissenschaft voran, während die TMPS-Modelle und das in diesem Projekt entwickelte Optimierungswerkzeug wichtige Anhaltspunkte nicht nur für einen effektiven Support-Struktur, sondern auch für eine detaillierte Analyse der Eigenspannungen und Verformungen liefern. Die Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz des LPBF-Verfahrens werden verbessert, was eine breitere Anwendung der Technologie unterstützt.