Entwicklung, numerische Simulation und experimentelle Charakterisierung von Mikrostrukturen mit gezielt eingebrachten Dämpfungseigenschaften für das selektive Laserschmelzen (SLM)
Mechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Vibrationssensitive Werkzeuge, wie beispielsweise lange und schlanke Bohrstangen, haben in der Regel eine kurze Lebensdauer aufgrund der erhöhten Belastung. Während aktive Dämpfungssysteme kostspielig und platzintensiv sind, können passive Dämpfungssysteme direkt in das Werkzeug integriert werden. Dies kann beispielsweise durch die Additive Fertigung (AM) mittels des pulverbettbasierten Schmelzens von Metallen mittels Laserstrahl (PBF-LB/M) umgesetzt werden. Dieses Projekt zielte auf die Entwicklung additiv gefertigter Mikrostrukturen mit kontrollierbarer Dissipation ab. Die nachfolgenden Konzepte wurden betrachtet: Konzept 1: Geschlossene Hohlräume, gefüllt mit losem Metallpulver Konzept 2: Kohärente, poröse Metallphasen, gefüllt mit viskosem Öl Konzept 3: Leichtbau-Gitterstrukturen, infiltriert mit hoch dissipativem Material geringer Dichte Konzept 4: Intelligente Mikrostrukturen mit integrierten Mikro-Reibungselementen. Für die experimentellen Untersuchungen wurde am iwb ein neuartiger Versuchsaufbau zur Modalanalyse mit einem automatischen Impulshammer aufgebaut. Für Konzept 1 wurden signifikante Einflussfaktoren, wie die Packungsdichte der Partikel im Bauteil, identifiziert. Bei Konzept 3 wurden Gitterstrukturen aus dem Werkstoff SS316L mit einer Epoxidharzfüllung für eine hohe Struktursteifigkeit und dem gewünschten Dissipationsverhalten kombiniert. Für Konzept 4 konnte ein verbessertes Dämpfungsverhalten nach der Einstellung der Spaltmaße in den Mikro-Reibungselementen erreicht werden. Konzept 2 wurde nach ersten Machbarkeitsstudien aufgegeben, da mit dem PBF- LB/M-Prozess keine kohärenten Porenstrukturen mit ausreichender Stabilität erzeugt werden konnten. Konzept 1 erwies sich als das Konzept mit dem höchsten Dämpfungspotenzial. Da die dabei zugrunde liegende Physik zunächst nicht ausreichend verstanden wurde, konzentrierten sich die numerischen Studien auf dieses Konzept. Um diese numerischen Studien durchzuführen, wurde am LNM ein neuartiger Modellierungsansatz für Strukturen mit geschlossenen Pulverhohlräumen erforscht, der die Finite-Elemente-Methode (FEM) und die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) an der Festkörper-Pulver-Grenzfläche koppelt. Basierend auf diesem Modellierungsansatz wurde die Gleitreibung zwischen Partikeln, die durch die Verformung des Hohlraums induziert wird, als fundamentaler physikalischer Mechanismus der Dissipation identifiziert. Dies stellt einen Gegensatz zu bestehenden Dämpfungsstrategien basierend auf Partikelkollisionen dar. Darüber hinaus konnte eine starke Abhängigkeit der Dissipation von der Schwingungsfrequenz, dem Schwingungsmodus und der Packungsdichte sowie das Vorhandensein einer optimalen Pulverpackungsdichte nachgewiesen werden. Um Pulverschichten mit diesen optimalen Packungsdichten beim PBF-LB/M zu ermöglichen, wurden neuartige Pulverauftragsstrategien vorgeschlagen und in zusätzlichen Simulationen erfolgreich validiert. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse dieses Projekts erheblich zur Vibrationsreduzierung durch additiv gefertigte, integrierte Dämpfungsansätze bei, anstatt kostspielige, platzintensive externe Geräte verwenden zu müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Physics‐based modeling and predictive simulation of powder bed fusion additive manufacturing across length scales. GAMM-Mitteilungen, 44(3).
Meier, Christoph; Fuchs, Sebastian L.; Much, Nils; Nitzler, Jonas; Penny, Ryan W.; Praegla, Patrick M.; Proell, Sebastian D.; Sun, Yushen; Weissbach, Reimar; Schreter, Magdalena; Hodge, Neil E.; John, Hart A. & Wall, Wolfgang A.
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Dämpfende Strukturen in der Additiven Fertigung. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 118(7-8), 492-496.
Mair, Thomas; Wenzler, David; Praegla, Patrick & Zäh, Michael F.
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Experimental Investigations of the Influence of Filler Materials on the Dynamic Structural Behavior of a Lattice Structure Manufactured by PBF-LB/M. Procedia CIRP, 120, 1004-1009.
Mair, T.; Baehr, S.; Fuerbacher, J. & Zaeh, M.F.
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Additively manufactured structures with powder inclusions for controllable dissipation: The critical influence of packing density. Powder Technology, 437, 119587.
Praegla, Patrick M.; Mair, Thomas; Wimmer, Andreas; Fuchs, Sebastian L.; Zaeh, Michael F.; Wall, Wolfgang A. & Meier, Christoph
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Exploration of improved, roller-based spreading strategies for cohesive powders in additive manufacturing via coupled DEM-FEM simulations. Powder Technology, 443, 119956.
Weissbach, Reimar; Praegla, Patrick M.; Wall, Wolfgang A.; Hart, A. John & Meier, Christoph
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Quantitative analysis of thin metal powder layers via transmission X-ray imaging and discrete element simulation: Blade-based spreading approaches. Powder Technology, 432, 119106.
Penny, Ryan W.; Oropeza, Daniel; Praegla, Patrick M.; Weissbach, Reimar; Meier, Christoph; Wall, Wolfgang A. & John, Hart A.
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Quantitative analysis of thin metal powder layers via transmission X-ray imaging and discrete element simulation: Roller-based spreading approaches. Powder Technology, 432, 119105.
Penny, Ryan W.; Oropeza, Daniel; Weissbach, Reimar; Praegla, Patrick M.; Meier, Christoph; Wall, Wolfgang A. & Hart, A. John
