Verbundvorhaben: CAEaddFert - Entwicklung eines virtuellen Prüfstands für Bauteile zur additiven Fertigung; Teilvorhaben: Experimentelle Werkstoffcharakterisierung zur Eigenspannungsuntersuchung LPBF-gefertigter Bauteile und Weiterentwicklung eines topologischen Ähnlichkeitsalgorithmus

Abstract

Mit additiver Fertigung können Bauteile mit einer hohen Designfreiheit realisiert werden. Dadurch liegt ein großes Leichtbaupotenzial vor, das zur Herstellung von ressourcenschonenden und energieeffizienten Produkten genutzt werden kann. Bei der additiven Fertigung mittels pulverbettbasierte Laserschmelzen (LPBF) wird ein metallisches Bauteil schichtweise aufgebaut und mit einem Laser konsolidiert. In Abhängigkeit von der Druckstrategie entstehen anisotrope Materialeigenschaften und Eigenspannungen im Bauteil, die bisher nicht im CAE-gestützten Produktentwicklungsprozess integriert sind.

Das Ziel des Verbundvorhabens CAEaddFert ist die Entwicklung eines virtuellen Prüfstands für Bauteile zur additiven Fertigung. Hierbei sollen im Bauteil vorliegende Eigenspannungen systematisch in den CAE-gestützten Produktentwicklungsprozess integriert werden, um damit die Bauteile hinsichtlich kritischer Spannungen, Lebensdauer und Nachbehandlung bewerten zu können. Das KIT-IAM-WK führte eine experimentelle Werkstoffcharakterisierung zur Eigenspannungsuntersuchung anhand des Stahls 316L durch. Entgegen den Annahmen wurde keine Geometrieabhängigkeit, sondern eine Abhängigkeit von der Bauteiltiefe und dem Aufbauwinkel festgestellt. Dies ist auf das Glasperlenstrahlen zurückzuführen, das in der Industrie standardmäßig nach dem Drucken durchgeführt wird. Das KIT-IPEK hat aus den Eigenspannungsmessungen Eigenspannungsfunktionen in Abhängigkeit von der Bauteiltiefe und dem Aufbauwinkel abgeleitet. Es wurde eine Methodik entwickelt, mit der diese Eigenspannungen in der Simulation und der Optimierung berücksichtigt werden können, womit sich erste Optimierungsvorschläge ableiten lassen.

Die Eigenspannungsabbildung wurde von TECOSIM in den virtuellen Prüfstand integriert, um damit künftig additiv gefertigte Bauteile frühzeitig bewerten zu können.