Methoden zur Gestaltung und Charakterisierung des Materialverbunds von additiv gefertigten Multi-Material-Bauweisen

• Antragsteller: Professor Dr. Sven Hartwig; Professor Dr.-Ing. Thomas Vietor
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467577506

Durch das Verfahrensprinzip des schichtweisen Materialauftrags bieten additive Fertigungsverfahren (AM) neue Gestaltungsfreiheiten gegenüber werkzeugbasierten oder subtraktiven Verfahren. Die Materialextrusion bietet bspw. die Möglichkeit zur Kombination verschiedener Materialien innerhalb eines Bauteils, ohne dass zusätzliche Montage- oder Fügeprozesse nötig sind. Durch lokale Materialvariation ist eine gezielte Integration von Gelenkstrukturen durch die Kombination von steifen und elastischen Materialien möglich. Die Nutzung des Potenzials von Multi-Material-Bauweisen (MMB) zur Funktionsintegration wird hauptsächlich durch die Adhäsion zwischen den beiden Verbundmaterialien bestimmt.Die Adhäsion basiert auf den zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen von Diffusion, Polarität und Benetzung. Die resultierende Verbundhaftung wird neben den verwendeten Materialien von den verwendeten Prozessparametern und der Oberflächentopographie beeinflusst. Weitere Einflussfaktoren sind aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten thermisch induzierte Spannungen. Aufgrund von unzureichendem Wissen über diese Abhängigkeiten kann demnach keine Vorhersage über die Verbundfestigkeit getroffen werden. Hierdurch wird eine zielgerichtete Anwendbarkeit additiv gefertigter MMB eingeschränkt. Weiterhin kann die AM-spezifische Gestaltungsfreiheit genutzt werden, um v.a. bei inkompatiblen Materialkombinationen die übertragbaren Kräfte mittels formschlüssiger Verankerungen zu steigern. Für eine systematische Nutzung des Potenzials zur Integration materialspezifischer Funktionen ist eine systematische Materialverbundgestaltung notwendig. Dies erfordert neben der Erforschung verbundhaftungssteigernder Maßnahmen (z.B. Prozessparametervariationen, Formschlüsse, Vorbehandlungsmaßnahmen) auch die Erforschung neuer Charakterisierungs- und Prüfmethoden zur Quantifizierung von Einflussfaktoren auf die Verbundhaftung und die Rückführung auf die zugrundeliegenden Wirkmechanismen.Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher zunächst eine Aufklärung der wesentlichen Einflussfaktoren samt der Wirkmechanismen auf die resultierende Verbundhaftung additiv gefertigter MMB. Durch eine Entwicklung von geeigneten Prüfkörpern und Charakterisierungsmethoden wird die material- und belastungsabhängige Quantifizierung dieser Einflussfaktoren erreicht und eine systematische Materialverbundgestaltung möglich. Hierzu werden prozessseitige und konstruktive Maßnahmen identifiziert, die eine Verbundhaftungssteigerung ermöglichen. Darüber hinaus soll eine „in situ“ Plasmabehandlung realisiert werden. Aus den aufgeklärten Zusammenhängen werden Gestaltungsprinzipien und -regeln abgeleitet, mit denen die Materialverbundgestaltung gezielt in der Produktentwicklung auch im Hinblick auf inkompatible Materialien berücksichtigt werden kann. Somit wird die Grundlage geschaffen, um das Potential von AM zur Funktionsintegration durch Materialkombination gezielt nutzbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen