SLM-Topo: Entwicklung einer prozessspezifischen Topologieoptimierungsmethode für die additive Fertigung von Leichtbaustrukturen am Beispiel des SLM-Verfahrens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Albert Albers; Dr.-Ing. Stefan Dietrich
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Leichtbau, Textiltechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399233791

Die generative Fertigung von endkonturnahen Geometrien stellt einen Meilenstein in der Fertigungstechnik komplexer Bauteile dar. Das selektive Laserschmelzen (SLM) gehört zu den pulverbettbasierte Strahlschmelzverfahren, denen Potential in einer zukünftigen industriellen Nutzung zugesprochen wird. Hierbei kann der Mehrwert jedoch nicht allein durch die Anwendung dieser Fertigungstechnik auf bereits designte Bauteile generiert werden. Vielmehr kann der Nutzen durch das Ausschöpfen der gewonnenen Designfreiheit gesteigert werden. Gleichwohl unterliegt das SLM prozessspezifischen Einschränkungen, wie minimale Detailgröße, Überhangwinkel usw., sowie Herausforderungen, wie etwa die inhärente Verknüpfung zwischen Prozessführung, Bauteilgeometrie und resultierenden Werkstoffeigenschaften. Hierdurch ergibt sich derzeit eine Forschungslücke im systematischen Design von additiv zu fertigenden Bauteilen unter Berücksichtigung geometrischer und materialspezifischer Eigenheiten. Um eine Strategie zu entwickeln, die schon beim Design des Bauteils berücksichtigt, dass sowohl geometrische Einschränkungen, als auch metallurgische Defekte durch den Fertigungsprozess auftreten, muss gegenüber konventionellen Konstruktionsrichtlinien für SLM ein neues Designkonzept entwickelt werden.Für konventionelle Topologieoptimierung werden in der Regel isotrope, homogene Materialmodelle verwendet, die entsprechende Materialeigenschaften im Bauteil voraussetzen. Bei additiv gefertigten Bauteilen sind die Materialeigenschaften jedoch anisotrop und inhomogen. Im Kontext der generativen Fertigungsverfahren besteht erhebliches Potenzial dahingehend, dass die errechneten Optimierungsergebnisse ohne Nacharbeit im SLM Prozess gefertigt werden können. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, eine Topologieoptimierungsmethode zu entwickeln, die anisotrope und inhomogene Materialeigenschaften gezielt berücksichtigt, um eine an den additiven Fertigungsprozess optimal angepasste Bauteilgeometrie zu erhalten. Ziel der Optimierung ist die Maximierung der Bauteilsteifigkeit unter Berücksichtigung von Festigkeitsrestriktionen. Damit können weitere Leichtbaupotenziale im Bereich der additiven Fertigungstechnologie erschlossen werden. Als Werkstoff wird die aus dem Werkstoffleichtbau bekannte Gusslegierung AlSi10Mg, welche sich erfahrungsgemäß auch hervorragend im SLM Prozess verarbeiten lässt, eingesetzt. Die Topologieoptimierung wird dabei auf die Materialeigenschaften, wie sie aus dem SLM-Verfahren resultieren, erweitert und abschließend in Bauteilversuchen validiert. Die hierzu notwendigen Forschungsarbeiten sollen in einer Kooperation zwischen dem IPEK - Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem IAM-WK - Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unter Verwendung der jeweils weitreichenden Kenntnissen in den Bereichen Topologieoptimierung und Werkstoffcharakterisierung durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen