Additiv gefertigte Bauteile mit funktional gradierten flächenbasierten Meso-Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckhard A. Kirchner; Professor Dr.-Ing. Christian Mittelstedt
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572832167

Ziel des Projekts ist die Erarbeitung einer Methode zur Gestaltung von Bauteilen mit Leichtbaustrukturen auf Basis regelmäßiger, gradierter Elementarzellen. Dazu sind Modelle notwendig, welche die in der Literatur vorhandenen Gestalt-Eigenschaftsbeziehungen regelmäßiger, repräsentativer Elementarzellen mechanisch konsistent für die Analyse und Synthese in der Produktentwicklung nutzbar machen. Weitere einflussnehmende, aber nicht untersuchte Merkmale auf die Beanspruchbarkeit, wie die Wahl des metallischen Werkstoffs, werden für die Methode als gesetzt angesehen. Weiterhin sind Modelle notwendig, welche die gradierte Meso-Struktur auf Basis einer gegebenen Elementarzelle zunächst für die Dimensionierung mittels elementarer Schnittgrößen der Mechanik zugänglich macht und eine Abschätzung von Steifigkeit und Festigkeit erlaubt. Ein weiteres Modell muss die Modellierung von Wirkflächen unterstützen, welche an die gradierte Meso-Struktur anschließen und eine Krafteinleitung ermöglichen. Hierbei wird darauf geachtet, dass kein Steifigkeitssprung stattfindet, der eine Sollbruchstelle verursacht. Zusätzlich muss das resultierende Bauteil mit seinen Funktionsflächen modelliert und bezüglich der verfahrensspezifischen Fertigungsrestriktionen der additiven Fertigung auf die Herstellbarkeit geprüft werden. Die resultierende Methode kombiniert die Partikularmodelle für Analyse und Synthese für quasi eindimensionale Strukturen und bietet eine übergeordnete und von der Gestalt der Elementarzelle unabhängige Möglichkeit zur Auslegung von flächenbasierten Meso-Strukturen. Die Betrachtung ist auf Meso-Strukturen unter statischer Beanspruchung fokussiert, welche aus einer Elementarzelle mit periodischen Randbedingungen und konstanter Orientierung relativ zum Bauteilkoordinatensystem abgeleitet werden. Bezüglich der Krafteinleitung werden parallele Wirkflächen mit konstantem Winkel gewählt. Hinsichtlich der Elementarzellengeometrie wird sich an der Literatur orientiert. Um die Ziele zu erreichen, sind vier Arbeitspakete notwendig, welche jeweils auf einer zugeordneten Arbeitshypothese (AH) beruhen: AH1: Für gängige Elementarzellen flächenbasierter Strukturen lassen sich die steifigkeits- und festigkeitsrelevanten Eigenschaften in Abhängigkeit lokaler Gestaltmerkmale auf einzelne Kenngrößen für die Dimensionierung bei konstanter Zellgröße reduzieren. AH2: Die Auswirkung einer beanspruchungsgerechten Dickengradierung der Meso-Strukturen auf die steifigkeits- und festigkeitsrelevanten Bauteileigenschaften ist abhängig von den Merkmalen der Gradierung beschreibbar und somit für eine Dimensionierung nutzbar. AH3: Die Anbindung von Wirkflächen an die Meso-Struktur kann durch Gradierung bzw. lokale Merkmalsanpassung ohne festigkeitsmindernde Kerben gestaltet werden. AH4: Die resultierenden Analyse- und Synthesemodelle lassen sich in einer durchgängigen Methode zur Gestaltung von und mit Meso-Strukturen zusammenfassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen