Verformungs- und Versagensmechanismen von metallischen, additiv gefertigten, dreifach periodischen Minimalflächenstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Giovanni Bruno; Dr.-Ing. Jörg F. Unger
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514175792

Der vorteilhafte Einsatz von topologieoptimierten, zellularen Strukturen in der Industrie erfordert oft spezielle Fertigungstechnologien, wie die additive Fertigung (AM). AM ermöglicht eine Optimierung der Geometrie z.B. zur Verringerung des Bauteilgewichts. Allerdings besitzen AM-gefertigte Bauteile teilweise geringere mechanische Eigenschaften, was auf Defekte auf mikroskopischer (Strebe), mesoskopischer (Einheitszelle) und makroskopischer (gesamte Gitterstruktur) Ebene zurückzuführen ist. Es ist daher notwendig, die Verformungs- und Versagensmechanismen auf allen drei Längenskalen genau zu verstehen. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, die Verformungs- und Versagensmechanismen von metallischen AM-Strukturen mit dreifach periodischer minimaler Oberfläche (TPMS) zu verstehen. Unser Ansatz basiert auf einer Kombination aus innovativen Charakterisierungstechniken sowie daten- und modellbasierten Methoden. Einerseits wollen wir die geometrischen Merkmale und das mechanische Verhalten dieser Strukturen mit Hilfe experimenteller Daten (insbesondere Ex- und In-Situ-Röntgen-Computertomographie, XCT) untersuchen. Andererseits soll dieses Wissen mit Hilfe von Simulationsmodellen verallgemeinert werden, um das mechanische Verhalten (Steifigkeit, Tragfähigkeit) von ungeprüften TPMS-Strukturen vorherzusagen. Innovative Bayes'sche Methoden zur Modellidentifikation werden kombiniert mit einer Zufallsfelddarstellung von geometrischen Defekten und konstitutiven Parametern, um sowohl systematische Fertigungsmängel in der Geometrie als auch die räumliche Verteilung der Modellparameter zu bestimmen. Dies beinhaltet eine Quantifizierung der Unsicherheiten, um die Genauigkeit der Modellvorhersage zu bestimmen. Die Optimierung und Weiterentwicklung von in-situ XCT-Bildgebungs- und experimentellen Datenanalysemethoden sind eine Voraussetzung für die Anwendung verbesserter Modellkalibrierungstechniken, die das aus der digitalen Volumenkorrelation gewonnene vollständige Verformungsfeld direkt nutzen. Es gibt eine Reihe von Mechanismen, die zur Verformung und Schädigung von TMPS-Strukturen beitragen, von denen einige mit dem Ausgangsmaterial (Mikrostruktur), einige mit den Herstellungsparametern (mikro- und mesoskopische Effekte, z. B. Herstellungsfehler) und einige mit den geometrischen Merkmalen (Nenngeometrie, Wanddickenabweichung) zusammenhängen. Im Projekt werden diese Effekte analysiert: Wir werden geometrische Defekte identifizieren und anschließend das Materialverhalten (z. B. (An-)Isotropie) analysieren. Um realistische und umfassende Erkenntnisse zu gewinnen, werden zwei Belastungsszenarien untersucht: Druck (weit verbreitet für AM-Zellstrukturen) und Torsion (neu). Ziel ist es, die wichtigen Konstruktions- und Fertigungsparameter, die das mechanische Verhalten beeinflussen, zu bestimmen und die mechanischen Kennwerte sowie deren Unsicherheit unter direkter Einbeziehung von Fertigungsfehlern mit einem Simulationsmodell vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrey Koptyug