Entwicklung programmierbarer zellularer Metalle durch kombinierte Werkstoff- und Geometrieoptimierung (ProZell)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Hipke; Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437986279

Zellulare Metalle sind eine Werkstoffgruppe mit sehr breitem Eigenschaftsportfolio, welches in dieser Kombination von keiner anderen Werkstoffgruppe abgedeckt wird und somit viele Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Allerdings findet man sie bisher nur vereinzelt in Serienanwendungen, was auf ein unzureichendes Verständnis der grundlegenden Zusammenhänge zwischen Herstellungsprozess, Struktur und Eigenschaften zurückzuführen ist und ungleichmäßige, nicht reproduzierbar herstellbare Zellstrukturen nach sich zieht. Für zellulare Strukturen sind allgemein ein offen- oder geschlossenzelliger Aufbau und eine geringe Dichte charakteristisch. Darüber hinaus unterscheiden sich solche Strukturen jedoch drastisch im Aufbau und den Eigenschaften und decken damit per se ein breites Spektrum von Anwendungen mit Funktionsintegration und/oder programmierbaren mechanischen Eigenschaften ab. Die Programmierbarkeit zellularer Strukturen bezieht sich dabei auf das gezielte Einstellen von lokaler Steifigkeit und Festigkeit durch Anpassung der Zell-Geometrie und steht im Mittelpunkt des vorgeschlagenen Projekts. Das beantragte Vorhaben setzt an den genannten Defiziten mit folgendem Schwerpunkt an:"Entwicklung einer offenzelligen, regelmäßigen, auf den Werkstoff angepassten, belastungsoptimierten Einzelzelle – Idealzelle genannt –, die beliebig im Raum zu einer regelmäßigen Zellstruktur kombiniert werden kann und mit praxiserprobten Verfahren gefertigt wird".Die Idealzelle wird zunächst für die Aufnahme hoher Lasten unter Ausnutzung des elastisch und plastisch anisotropen Werkstoffverhaltens hochmanganhaltiger TRIP/TWIP-Stähle ausgelegt. Hierbei werden die besonderen mechanischen Eigenschaften dieser Stähle mit der lastoptimierten Gestaltung zellularer Strukturen kombiniert und somit zur Programmierung genutzt. Die entwickelte Ideal-Zellstruktur wird in eine Real-Zellstruktur überführt und an die spezifischen Fertigungsbedingungen der technisch relevanten Verfahren Feinguss und selektives Laserschmelzen adaptiert. Das Feingussverfahren erlaubt eine preiswerte Fertigung von Bauteilen auch mit größeren Abmessungen. Allerdings müssen aufgrund technologischer Randbedingungen (z. B. Forderung nach Entformbarkeit des Bauteils) Kompromisse beim Strukturaufbau eingegangen werden. Mit Hilfe des selektiven Laserstrahlschmelzens sind geometrisch sehr komplexe Bauteile fertigbar. Es werden Muster und Prüfkörper der neuen Realzellstruktur nach den genannten Verfahren gefertigt und einer umfassenden Materialcharakterisierung sowie mechanischen Werkstoffprüfung einschließlich Benchmarking unterzogen. Die Ergebnisse der Berechnung/Simulation und der Werkstoffprüfung dienen der Ermittlung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Alle Ergebnisse münden in Materialmodelle für die beliebige Anpassung des Verhaltens der Real-Zellstruktur (Programmierung).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Christian Haase