3D-Druck und Leichtbaupotenzial

Numerische Designoptimierung bei dynamischen Lastanforderungen für metallische Werkstoffstrukturen und Bauteile

Der 3D-Druck hat in den letzten Jahren enorm an öffentlicher Aufmerksamkeit gewonnen und ist ein wichtiger Baustein des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 der Hightech-Strategie der Bundesregierung. Dabei stehen zwei Merkmale des 3D-Drucks im Vordergrund: die Erzeugung annähernd beliebig komplexer Geometrien mit Hohl- und Innenstrukturen ohne zusätzliche Werk- und Halbzeuge sowie die Fertigung direkt aus einer digitalen Konstruktionsdatei, dem CAD-Modell. Dies alles stellt eine grundlegende Veränderung im Produktions- und Entwicklungsprozess im Vergleich zu klassischen subtraktiven und werkzeugabhängigen Fertigungsverfahren dar.

Im Jahr 2015 wurde am Fraunhofer EMI eine Fertigungsanlage für den 3D-Druck von Metallen mit Bauteilabmessungen von bis zu 400 x 400 x 400 Kubikmillimetern und einer Laserleistung von einem Kilowatt in Betrieb genommen (Abbildungen 1 und 2). Mit diesen Kennwerten stellt sie eine der derzeit größten und leistungsfähigsten kommerziell verfügbaren Anlagen für den  Lasersinterprozess dar und ist im Forschungsbereich in dieser Größe ein Unikat.

Der 3D-Druck von Kunststoffen durch verschiedene chemische und physikalische Verfahren des Auftragens und Verfestigens hat sich in vielen Branchen etabliert und vielfältige Anwendungen gefunden. Der 3D-Druck von Metallen ist auf dem Weg, eine ähnliche Erfolgsgeschichte zu schreiben. Aktuell steht die Technologie an der Schwelle von der Herstellung funktioneller Muster, Prototypen und Spezialanwendungen hin zur industriellen Fertigung und Anwendung im Endprodukt.

Die Prognosen, welche Auswirkung die generative Fertigung von Metallen auf die globale Produktion haben wird, gehen dabei stark auseinander. Einigkeit besteht allerdings darin: Für viele Industrien ist sie ein »Game Changer«, dies betrifft nach aktuellem Stand vor allem die Branchen Luft- und Raumfahrttechnik, Wehrtechnik, Fahrzeugtechnik, Medizintechnik und Werkzeugbau.

Hauptunterschied zwischen Metall- und Kunststoffdruck ist, dass für Ersteren eine hochenergetische Energiequelle für den Schmelz- und Verfestigungsprozess benötigt wird. Das selektive Lasersintern ist die führende Methode verschiedener Pulverschmelzverfahren. Dabei wird mit  einem fokussierten Laserstrahl Metallpulver auf- und umgeschmolzen. Das Metallpulver erstarrt, und eine neue Pulverlage wird in einer definierten Schichtstärke aufgetragen (Abbildung 3). Auf diese Weise entsteht  ein homogenes 3D-Bauteil mit potenziell komplexer Geometrie (Abbildung 4).
 

» Design follows function«

Die Gestaltungsfreiheit bei dem Strukturdesign für den 3D-Druck führt zu einer neuartigen Entwicklungsstrategie, welche anders als in einem fertigungsbezogenen Entwicklungsprozess die zu erfüllende Funktion einer Komponente in den Vordergrund stellt. Diese Vorgehensweise wird als »design follows function« bezeichnet und bietet enormes Potenzial für neuartige Produktlösungen und Steigerungen der Effizienz und Leistungsfähigkeit von Komponenten. Letzteres wird vor allem in den Branchen Luftfahrt und Automotive oft mit dem Begriff Leichtbau assoziiert.

Für den 3D-Druck gilt nun generell, dass gezielte Vorgaben möglich sind, an welchen Stellen das Ausgangsmaterial, wie z. B. das Metallpulver, fest zu einer Struktur verbunden wird. Um Zeit, Material und Energie zu sparen, sollte man auch nur an solchen Stellen Strukturmaterial erzeugen, an denen es bei dem fertigen Bauteil benötigt wird – damit wird das Leichtbauprinzip zum ökonomischen  Imperativ für generative Fertigungsverfahren: Denn einzusetzende Materialmenge, Maschinenzeit und Energieaufwand werden minimiert und ein interessanter Weg zur Steigerung von Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit in der industriellen Produktion aufgezeigt.

Innovationszyklus für dynamisch belastete Strukturen

Für das Fraunhofer EMI sind nun außergewöhnliche Möglichkeiten gegeben, diese Technologie in vielfältigen Forschungsvorhaben zu nutzen. Das Institut verfügt über einzigartige Expertise in der Bewertung dynamischer Prozesse, wie beispielsweise Crash oder Impaktvorgänge. Der metallische 3D-Druck bietet die Möglichkeit, Strukturen gezielt für diese dynamischen Problemstellungen auszulegen und mit der Lasersinteranlage herzustellen (Abbildungen 5 und 6). Dabei werden anwendungsbezogene Designrichtlinien und Methoden für den erfolgreichen Einsatz der Technologie ermittelt. Diese Fähigkeit des Strukturdesigns wird mit den umfassenden Möglichkeiten der Werkstoffmodellbildung, der Simulation und experimentellen Diagnostik für dynamische Anwendungen kombiniert. So entsteht ein Innovationszyklus einer Produktentwicklung für dynamisch belastete Strukturen, welcher für ein Forschungsumfeld einzigartig ist.

Die geometrischen Freiheitsgrade in der Lasersinterherstellung begünstigen in besonderem Maße das Strukturdesign unter Nutzung numerischer Berechnungsmethoden. Eine solche Auslegung besteht aus einem numerischen Designentwurf und einer detaillierten Designoptimierung unter Berücksichtigung aller relevanten ingenieurtechnischen Randbedingungen. In der Strukturoptimierung werden drei Methoden unterschieden, welche in einem Entwicklungsprozess ineinander greifen. Die Topologieoptimierung wird dabei schon in der frühen Entwurfsphase angewendet. Durch eine Parametrisierung des Designraums wird die kraftleitende Materialverteilung bestimmt. In einer anschließenden Aneinanderreihung von Shape- und Sizing-Optimierungsschritten werden einzelne Designmerkmale und deren Ausprägung, wie beispielsweise die Dimensionierung eines Profilquerschnitts, analysiert und angepasst.

Die Grundlage eines Optimierungsschritts bildet dabei die Finite-Elemente-Analyse (Abbildung 7). Bei einer geeigneten Modellbildung unter Einschluss der Randbedingungen und des Werkstoffverhaltens werden die Spannungsverteilung oder andere auslegungsrelevante Größen in der Simulation bestimmt. Aus Sensitivitäten von Designvariablen oder durch evolutionäre Mechanismen wird unter Nutzung effektiver mathematischer Algorithmen eine optimale Anpassung des Designs in einer geringen Zahl von Analyseschritten ermöglicht. Über die Struktursimulation hinaus können auch Ergebnisse aus weiteren numerischen Analysen wie von Strömungsphänomenen, thermischen Prozes-sen, Mehrkörperproblemen und anderen für eine optimale Anpassung des Designs genutzt werden. Es wird dann von einer multidisziplinären Designoptimierung gesprochen. In einem Optimierungsmodell werden unter Aneinanderreihung mehrerer Simulationsschritte mit mathematischen Optimierungsalgorithmen die jeweiligen Analyseergebnisse unter einer Gewichtung für die iterative Anpassung des Designs verknüpft.

Forschungsbedarf besteht in erster Linie bei der nicht linearen Optimierung dynamischer Prozesse auf Grundlage zeitabhängiger, nicht linearer Finite-Elemente-Simulationen und deren Integration in multidisziplinäre Optimierungsmodelle. Durch effektive Nutzung numerischer Algorithmen können Bereiche einer Struktur, welche im zeitlichen Verlauf der Belastung besonderen Beanspruchungen und entsprechend Versagensmechanismen unterliegen, gezielt ausgelegt und angepasst werden.

Die Grundlage für die Auslegung und Optimierung dynamisch belasteter Strukturen sind validierte Werkstoffmodelle und -kennwerte. Im Zusammenhang mit der Lasersintertechnologie sind noch keine etablierten Werkstoffmodelle vorhanden. Dies gilt für dehnratenabhängiges Verhalten in besonderem Maße. Dieser Forschungsbedarf betrifft über Standardproben hinaus vor allem strukturmechanisch optimierte, lastleitende Strukturen, welche aus einer Designoptimierung resultieren. Über strategische Kooperationen werden am Fraunhofer EMI außerdem bruchmechanische Werkstoffeigenschaften, im Speziellen für topologieoptimierte Strukturen, betrachtet.

Das Fraunhofer EMI erarbeitet Forschungsleistungen von der Idee bis hin zur Lösung einer metallischen Komponente, welche komplexe dynamische Lastanforderungen erfüllt. Dabei werden Werkstoffmodelle für spezifische dynamische Anwendungen und Lastbereiche entwickelt, um das Potenzial des 3D-Drucks zu erschließen. Für die Auslegung werden numerische Berechnungsverfahren verwendet und weiterentwickelt, die einen Optimierungszyklus bilden. Die prozessseitige Kompetenz durch die eigens zur Verfügung stehende Lasersinteranlage zusammen mit erweiterten Prüfverfahren und Diagnostik unterstützt in außergewöhnlicher Weise die effiziente Entwicklung von Designrichtlinien für dynamische Anwendungen.

Das EMI kann somit einen umfänglichen Innovations- und Entwicklungszyklus anbieten. Gezielt kann ein Kunde beraten und gemeinsam eine optimale Lösung entwickelt und auch hergestellt werden (Abbildung 8).

Das EMI ist Mitglied in der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung.

Zum Image-Video der Frauhofer-Allianz Generative Fertigung.