SLM-Topo: Entwicklung einer prozessspezifischen Topologieoptimierungsmethode für die additive Fertigung von Leichtbaustrukturen am Beispiel des SLM-Verfahrens
Leichtbau, Textiltechnik
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden DFG-Projekt wurde eine Topologieoptimierungsmethode zur Synthese steifigkeitsoptimierter Designs entwickelt, welche die beim selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) prozessbedingt inhomogen verteilten elastischen Materialkennwerte (E-Modul, Schubmodul, Querkontraktionszahl) auf Basis von geometrischen Charakteristiken (oberflächennahe Bereiche und Überhänge) berücksichtigt sowie eine globale Festigkeitsrestriktion einhält. Die entwickelte Optimierungsmethode zeichnet sich dadurch aus, dass in jeder Iteration der Topologieoptimierung zunächst eine Unterbrechung stattfindet. Anschließend werden auf Basis des aus der Unterbrechung resultierenden Zwischenergebnisses die drei porenbehafteten Bereiche inklusive der dazugehörigen Materialeigenschaften aus dem SLM bestimmt und der nächsten Iteration als Eingangsparameter zur Berechnung übergeben. Dieses Vorgehen wird so lange wiederholt, bis ein Konvergenzkriterium erreicht ist. Dadurch wird eine Möglichkeit geschaffen, die Randbedingungen des SLM in einer sensitivitätsbasierten Topologieoptimierung zu integrieren. Dabei besteht der Anspruch, dass durch die gezielte, iterative Manipulation der Topologieoptimierung ein hinsichtlich Steifigkeit verbessertes Produktdesign im Vergleich zu einer standardisierten Topologieoptimierung erreicht werden kann. Die Ergebnisse der Optimierungsmethode zeigen, dass bei einer restriktionsfreien Optimierung durch die iterative Unterbrechung und Anpassung der Materialeigenschaften ein Design erzeugt wird, welches im Vergleich zu einer Standard-Topologieoptimierung eine vergrößerte Oberfläche aufweist und eher dünne Strukturen bevorzugt. Dies erzeugt eine erhöhte gewichtsspezifische Steifigkeit gegenüber einer Standard-Topologieoptimierung. Durch die zusätzliche Einführung einer Maximalspannungsrestriktion folgt der Schluss, dass durch die iterative Berücksichtigung der porenbehafteten Bereiche das verfügbare Material derart umverteilt wird, dass die maximal zulässigen Spannungen besser eingehalten werden können und gleichzeitig ein insgesamt niedrigeres Spannungsniveau entsteht. Zur Untersuchung der Ausbildung prozessbedingter Porosität wurden zunächst Testkörper mit verschiedenen Prozessparametern im SLM-Verfahren hergestellt. Mittels archimedischer sowie metallografischer Untersuchungen konnte ein deutlicher Einfluss der Prozessparameter auf die Entstehung von Porosität aufgezeigt werden. Darauf aufbauend konnte durch ultraschallspektroskopische Analysen gezeigt werden, dass die Materialsteifigkeit mit zunehmender Porosität abnimmt. Ferner zeigte sich vor allem bei ungeeigneten Prozessparameter eine leichte elastische Anisotropie, welche durch mikro-computertomografische (µCT) Untersuchungen auf Morphologie der Poren zurückgeführt werden konnte. Aus den Ergebnissen konnten schließlich optimierte SLM-Prozessparameter abgeleitet werden, mit welchen weitere Untersuchungen durchgeführt wurden. Als Kennwert für das im Rahmen der Topologieopimierung verwendete Maximalspannungskriterium wurde zunächst die Streckgrenze von im SLM- Verfahren aufgebauten Probekörpern ermittelt. Die Untersuchung bauteilgeometrischer Einflussfaktoren auf die lokale Porenausbildung erfolgte anhand definierter Referenztestkörpern. µCT-Untersuchungen zeigten die Ausbildung drei charakteristischer Bereiche hinsichtlich auftretender Porosität: Kontur-, Schraffur- sowie Interfacebereich. Dabei sind die Größe sowie die Ausprägung der charakteristischen Bereiche stark vom Aufbauwinkel abhängig. Mittels numerischer Charakterisierungsmethoden konnte schließlich die lokale Steifigkeit in den charakteristischen Bereichen ermittelt und zur Übergabe an die Topologieoptimierung in die erstellte Datenbank eingepflegt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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SLM-Topo – A topology optimization method for additive manufacturing of lightweight design structures using the selective laser melting process. In NAFEMS Nordic Seminar (S. 62–63). Helsinki, Finnland.
Albers, A., Holoch, J., Dietrich, S. & Spadinger, M.
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Einfluss unterschiedlicher Modellierung von Randschicht und innerem Volumen auf eine 2D Topologieoptimierung. In NAFEMS DACH Konferenz (S. 106–109). Online Konferenz.
Holoch, J., Träger, L. & Albers, A.
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SLM- Topo – Prozessspezifische Topologieoptimierungsmethode für im Selektiven Laserschmelzen gefertigte Leichtbaustrukturen. Industrie 4.0 Management, S. 45–49.
Holoch, J., Czink, S., Spadinger, M., Dietrich, S., Schulze, V. & Albers, A.
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Investigation on the Influence of Different Modeling of Multiple Surface Layers on a 3D Topology Optimization. In NAFEMS World Congress (S. 1–14). Online Konferenz.
Holoch, J., Lenhardt, S., Renz, R. & Albers, A.
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Additive Fertigung von Aluminiumstrukturen im SLM-Prozess: Berücksichtigung der Prozesscharakteristiken in einer Topologieoptimierung zur Unterstützung der Designfindung. NAFEMS Online-Magazin, 61(1), 65–73.
Holoch, J., Lenhardt, S. & Albers, A.
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Design of Selective Laser Melting (SLM) Structures: Consideration of Different Material Properties in Multiple Surface Layers Resulting from the Manufacturing in a Topology Optimization. Algorithms, 15(3), 99.
Holoch, Jan; Lenhardt, Sven; Revfi, Sven & Albers, Albert
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Einfluss verschiedener Bauteilabmes sungen auf eine Topologieoptimierungsmethode zur iterativen Berücksichtigung elas tischer Materialeigenschaften aus dem SLM. In NAFEMS DACH Konferenz (S. 495– 500). Bamberg.
Holoch, J., Lenhardt, S. & Albers, A.
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SLM-Topo: Topology optimisation designed for laser based additive manufacturing
Czink, S. & Holoch, J.
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Ultrasonic evaluation of elastic properties in laser powder bed fusion manufactured AlSi10Mg components. NDT & E International, 132, 102729.
Czink, Steffen; Dietrich, Stefan & Schulze, Volker
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Influence of Different Building Directions on a Topology Optimization Method for the Iterative Consideration of Varying Elastic Material Properties from Powder Bed Fusion. In NAFEMS World Congress (S. 1–4). Tampa, USA.
Holoch, J. & Albers, A.
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Process-Specific Topology Optimization Method Based on Laser-Based Additive Manufacturing of AlSi10Mg Components: Material Characterization and Evaluation. Processes, 11(3), 648.
Czink, Steffen; Holoch, Jan; Renz, Robert; Schulze, Volker; Albers, Albert & Dietrich, Stefan
