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Fraunhofer LBF / Additive Fertigung

Beanspruchung 3D-gefertigter Bauteile realitätsnah simulieren

19. Oktober 2020, 09:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Beanspruchung 3D-gefertigter Bauteile realitätsnah simulieren
© Fraunhofer LBF, Raapke

Um die Zuverlässigkeit additiv gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer LBF die AM Fatigue Labs eingerichtet.

Die additive Fertigung stößt derzeit in vielen Bereichen des Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbaus auf ein stetig wachsendes Interesse. Um die Zuverlässigkeit derartig gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer-Institut LBF die AM Fatigue Labs eingerichtet.

Um die Vorteile der additiven Fertigung im Sinne des Leichtbaus auch für sicherheitsrelevante Komponenten erschließen zu können, sind zahlreiche Herausforderungen im Wechselfeld von Bauteilgeometrie, Fertigung, Betriebsbeanspruchungen und Umwelteinflüssen zu meistern. Abhängig u.a. von der Bauteilgeometrie, der Belichtungsstrategie und dem verwendeten Werkstoff, lassen sich nahezu beliebige Eigenschaftsgradienten im Bauteil einstellen. Diese können jedoch auch dazu führen, dass geometrisch identische Bauteile unter gleicher Belastung deutlich unterschiedliches Betriebsverhalten und schließlich Lebensdauern haben.

Um die Zuverlässigkeit derartig gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF daher mit den AM Fatigue Labs ein neues Laboratorium eingerichtet. Darin werden Methoden entwickelt, die Beanspruchungen für additiv gefertigte Bauteile simulieren, die wiederum als Grundlage für Bemessungsempfehlungen dienen. Mit diesen realitätsnahen Simulationen sollen sich zutreffende Bemessungskennwerte zur Auslegung solcher Bauteile ermitteln lassen.

Außerdem sollen sie eine verlässliche Designvalidierung gewährleisten, indem sie den Einfluss sämtlicher relevanter Prozessparameter, der Betriebsbeanspruchungen sowie, je nach Anwendungsfall, Umwelteinflüsse berücksichtigen. Eigens dafür entwickelte Belastungssimulatoren sollen die Präzision und Reproduzierbarkeit der Messungen steigern. Dies ermöglicht einen Einblick in das zyklische Werkstoff- und Bauteilverhalten, der mit klassischen Prüfmethoden kaum gelingt.

Fraunhofer LBF, Additive Manufacturing, AM Fatigue Labs
© Fraunhofer LBF, Raapke

In den AM Fatigue Labs entwickelt das Fraunhofer LBF Methoden, um mittels moderner Analysetechnik die Beanspruchungen für additiv gefertigte Bauteile zu simulieren und daraus Bemessungsempfehlungen für die zuverlässige Bauteilgestaltung abzuleiten.

Lokale Phänomene treiben Bauteilermüdung

Der Erkenntnis, dass die Ermüdung von Bauteilen durch lokale Phänomene getrieben wird, kommt vor allem bei additiv gefertigten Komponenten eine gesteigerte Bedeutung zu. »Die neuen Freiheitsgrade bei der Bauteilentwicklung erfordern ein neues Bemessungskonzept, um das Potenzial dieser Fertigungstechnik auch für zyklisch beanspruchte, sicherheitsrelevante Bauteile heben zu können«, erklärt Dr. Rainer Wagener, unter dessen Federführung das neue Laboratorium am Fraunhofer LBF errichtet wurde. Der Herstellungsprozess induziert zum einen geometrische Defekte in Form von Poren, Einschlüssen oder rauen Oberflächen, zum anderen führt die lokal stark begrenzte Erwärmung zur Ausbildung signifikanter Eigenschaftsgradienten.

Neben den Parametern der Belichtungsstrategie oder des Prozessgases die direkt vom Benutzer gesteuert werden können, spielt unter anderem auch die Baurichtung sowie die Auslegung erforderlicher Stützstrukturen eine erhebliche Rolle dabei, wie sich die Werkstoffmikrostruktur und somit der lokalen Eigenschaften inklusive der Defektverteilung ausbildet.

Optische Dehnungsmessung bringt neue Erkenntnisse

In den AM Fatigue Labs setzt das Team des Fraunhofer LBF unterschiedliche optische Dehnungssensoren ein, deren Messsignale über die erforderliche Echtzeitfähigkeit verfügen. Auf diese Weise lässt sich beispielweise in versagensrelevanten Bauteilbereichen die Dehnung regeln. Gleichzeitig können die Darmstädter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der lastsynchronen Messung lokaler Dehnungsfelder Informationen über den lokal wirkenden Schädigungsmechanismus ableiten. Diese Informationen können zur Bauteiloptimierung genutzt werden. Darüber hinaus lässt sich auch der Werkstoff besser ausnutzen, indem man das defektorientierten Werkstoffverhalten bereits in frühen Auslegungsphasen nutzt.

»Durch die Ableitung dedizierter Bemessungskonzepte und Untersuchungsmethoden wird dabei für additiv gefertigte Komponenten eine Anwendungssicherheit geschaffen, die mit derzeitig verfügbaren Regelwerken, die sich allesamt an klassischen Herstellungstechnologien orientieren, nicht zu erreichen ist«, betont Dr. Wagener.

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