FOR 5620:  Simulationsgestützte Auslegung der fertigungsgerechten Herstellung von belastungsoptimierten Freiformbauteilen mittels Laserauftragschweißen (DED-LB/M)

• Fachliche Zuordnung: Maschinenbau und Produktionstechnik ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512940050

Ziel der Forschungsgruppe ist die Erlangung des umfassenden Verständnisses für die Auslegung und Fertigung belastungsoptimierter Freiformbauteile. Als Fertigungsverfahren soll das roboterbasierte Laserauftragschweißen (DED-LB/M) mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff unter Berücksichtigung der Prozesseigenspannungen und nachfolgender Zerspanungsprozesse untersucht werden. Dabei ist die Herstellung topologieoptimierter Bauteile, die nur einen Bruchteil des Gewichts konventioneller Bauteile benötigen, ein zentraler Grundgedanke, der nicht zuletzt einer ressourcenschonenden Fertigung dient. Die Topologieoptimierung liefert belastungsoptimierte komplexe Strukturen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht mehr oder nur mit erheblichem Aufwand hergestellt werden können. Die zu erforschende Prozesskette zeichnet sich durch die folgenden Aspekte aus: 1. Eine maximale geometrische Flexibilität wird durch eine 6-Achs-Roboter-geführte Fertigung und drahtförmige Materialzufuhr erzielt, die einen Materialauftrag unter einem beliebigen Winkel ermöglicht. Zur Umsetzung müssen daher anspruchsvolle Bahnplanungsmethoden entwickelt sowie Laserparameter und Aufbaustrategien entsprechend der komplexen Schweißnahtraumlagen abgeleitet werden. Zudem müssen für eine hohe Reproduzierbarkeit Informationen über die Schmelzbadgeometrie und den tatsächlich erzielten Materialauftrag in Echtzeit überwacht und zur Regelung rückgekoppelt werden. 2. Die Integration von spanenden Fertigungsverfahren in die Prozesskette ermöglicht die Nachbearbeitung beispielsweise von Funktions- und Kontaktflächen für die Montage und den späteren Einsatz der Freiformbauteile. 3. Laserbasierte Verfahren zur Oberflächenbearbeitung (Laserglätten, lokale Wärmebehandlung) sollen in den Prozess integriert werden, um die Rauheit der Oberfläche deutlich zu reduzieren und ggf. die Mikrostruktur gezielt zu beeinflussen. Insbesondere wird durch eine ganzheitliche Planung und Durchführung von Fertigung und Nachbearbeitung eine schnellere Produktion möglich. 4. Berücksichtigung und Optimierung der werkstofftechnischen Eigenschaften. Belastungsoptimierte Freiformbauteile sind in dieser Hinsicht ein vielversprechendes Anwendungsfeld für die additive Fertigung. In Verbindung mit den Möglichkeiten der präzisen Temperatursteuerung durch laserstrahlbasierte Prozesse ergibt sich überdies die Möglichkeit, mikrostrukturelle und kristallografische Eigenschaften und damit die Festigkeitseigenschaften von Komponenten gemäß einem geforderten Profil gezielt einzustellen. Als Werkstoff sollen zunächst der gut schweißbare, nicht rostende austenitische Stahl X2CrNiMo17-12-2 (Werkstoffnummer 1.4404, AISI 316L) sowie eine martensitisch härtbare, ebenfalls gut schweißbare LTT (low temperature transformation)-Legierung eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Bahnplanung und Anlagenstruktur zur Kombination von Laserauftragschweißen und fräsender Nachbearbeitung in einer Roboterzelle zur flexiblen Herstellung großvolumiger topologieoptimierter Bauteile (Antragsteller Kuhlenkötter, Bernd )
• Charakterisierung fertigungsbedingter Inhomogenitäten in DED-LB/M-Strukturen sowie deren Einfluss auf lokale Phasenstabilitäten und mechanische Eigenschaften (Antragsteller Lentz, Jonathan ;  Weber, Sebastian )
• Echtzeitfähige Methoden für die Regelung (Antragsteller Mönnigmann, Martin )
• Fertigungsgerechte Topologieoptimierung für die additive Fertigung (Antragsteller Junker, Philipp )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Ostendorf, Andreas )
• Prozessentwicklung für die Herstellung von DED-LB/M-Bauteilen durch Materialauftrag in beliebigen Raumlagen (Antragsteller Ostendorf, Andreas )
• Qualifizierung geeigneter Zusatzwerkstoffe, Strukturbildungsprozesse und Charakterisierung von DED-L-gefertigten Komponenten (Antragsteller Röttger, Arne )
• Simulationsgestützte Prozessauslegung zur spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile (Antragstellerin Wiederkehr, Petra )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Andreas Ostendorf