Entwicklung, numerische Simulation und experimentelle Charakterisierung von Mikrostrukturen mit gezielt eingebrachten Dämpfungseigenschaften für das selektive Laserschmelzen (SLM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang A. Wall; Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414180263

Dank neuartiger Materialen und innovativer Fertigungsverfahren hat das Konzept des Leichtbaus in den letzten Jahren einen starken Zuwachs erfahren. Unglücklicherweise neigen die resultierenden Bauteile verstärkt zu unerwünschten Schwingungseffekten. Ziel dieses Vorhabens ist es, diese Effekte direkt in ihrer Entstehungsursache zu bekämpfen. Mittels innovativer Herstellungsverfahren werden Mikrostrukturen gefertigt, welche Leichtbaukomponenten mit effektiven und steuerbaren Dämpfungscharakteristiken in einem integralen und multifunktionalen Sinne vereinen. Konkret sollen die Vorteile des selektiven Laserschmelzens (SLM), eines vielversprechenden Repräsentanten pulverbasierter additiver Fertigungsverfahren (AM), genutzt werden, um die gewünschten Mikrostrukturen herzustellen. Aufgrund des schichtweisen Fertigungsprinzips können mittels SLM hoch-komplexe Geometrien erzeugt werden, welche für herkömmliche Herstellungsverfahren nicht zugänglich sind. Dieser Paradigmenwechsel in der Konstruktion mechanischer Bauteile hat es bereits ermöglicht, neuartige Mikrostrukturen mit optimierten gewichtsspezifischen Steifigkeiten zu fertigen. Um nun diesen Leichtbaugedanken mit gewünschten Dämpfungseigenschaften zu kombinieren, werden vier grundlegende Mikrostrukturkonzepte vorgeschlagen, welche auf unterschiedlichen physikalischen Dissipationseffekten wie etwa Mikrotribologie, Materialdämpfung oder viskoser Dämpfung beruhen: eine Mikrostruktur in Form von losem Metallpulver (welches bereits durch den SLM-Prozess vorhanden ist), eine poröse Mikrostruktur gefüllt mit hochviskosem Öl, eine Leichtbau-Metallgitterstruktur gefüllt mit Kunststoffharz und eine intelligente Mikrostruktur, welche aus internen Mikro-Reibelementen aufgebaut ist, um die gezielte Dämpfung einzelner Deformationsmoden zu ermöglichen. Zur Untersuchung und Umsetzung der vorgeschlagenen Konzepte werden die Kompetenzen der beiden teilnehmenden Institute, auf experimenteller und Fertigungsseite einerseits und im Bereich Modellbildung und Simulation andererseits, in optimaler Weise gebündelt. Es werden neue mechanische Mikroskalenmodelle entwickelt, um die zugrundeliegenden physikalischen Wirkprinzipien zu untersuchen. Anschließend werden diese Mikroskalenmodelle in homogenisierte makroskopische Modelle überführt. Diese bilden die Basis für prädiktive Simulationen, welche eine effiziente Bewertung und Optimierung der vorgeschlagenen Konzepte für Bauteile praxisrelevanter Größe erlauben. Detaillierte experimentelle Untersuchungen an speziell angefertigten Probestücken ermöglichen es, die entwickelten Mikrostrukturen genau zu charakterisieren, Modellparameter zu bestimmen und die Modelle schließlich zu verifizieren beziehungsweise die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Dämpfungsmechanismen zu validieren. Basierend auf den vielversprechendsten Konzepten wird abschließend ein Prototyp in Form eines Schneidewerkzeugs hergestellt, um die erreichbare Dämpfungswirkung auch an einem Praxisbeispiel nachzuweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Christoph Meier