Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer sequentiellen Simulationsmethodik zur Analyse und Optimierung der Gestaltung additiv gefertigter Bauteile unter Berücksichtigung prozess- und strukturbedingter Anisotropien im Strangablegeverfahren

Ziel des Forschungsvorhabens ist der Aufbau eines Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für im Strangablegeverfahren additiv gefertigter, thermoplastischer Strukturbauteile. Die Erkenntnisse werden in Form konkreter Gestaltungsrichtlinien sowie einer sequentiellen Simulationsmethodik für numerische Bauteilanalysen nutzbar gemacht. Zur Erreichung des Forschungsziels wird der Einfluss der Prozessparameter Bauraumtemperatur, Ablagegeschwindigkeit und -richtung auf die resultierenden geometrischen und mechanischen Eigenschaften in umfangreichen Versuchsreihen charakterisiert. Die experimentell gewonnenen Erkenntnisse zur Prozess-Struktur-Beziehung werden in ein Werkstoffmodell zur numerischen Simulation umgesetzt, welches auch die Berücksichtigung der im Strangablegeverfahren herstellbedingt auftretenden Anisotropien ermöglicht. Die Kalibrierung mit den experimentell bestimmten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ermöglicht schließlich eine Vorhersage der resultierenden Bauteileigenschaften.

Die Kopplung von Prozess- und Struktursimulation ermöglicht den Anwendern zukünftig Baufehler zu vermeiden und Bauteile bereits bei der Auslegung zu optimieren. Damit können die Unternehmen ihre Entwicklungszyklen verkürzen sowie Fertigungsrisiken und -kosten minimieren. Zudem lassen sich mögliche Folgekosten, bspw. durch Produktausfälle, vermeiden. Neben dem direkten Nutzen für Anwender der Strangablegeverfahren, Konstruktionsbüros und Softwarehersteller, ist eine Akzeptanzsteigerung des additiven Fertigungsverfahrens zu erwarten, wovon auch Material- und Maschinenhersteller profitieren. Aufgrund der großen wirtschaftlichen Bedeutung ist branchenübergreifend mit einer zügigen Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse durch kleine und mittlere Unternehmen (kmU)zu rechnen. Sowohl die Maßnahmen zur Bekanntmachung der Ergebnisse als auch deren Umsetzung in gezielte fachliche Aus- und Weiterbildungsangebote stellen diesen Transfer sicher.

Ergebniszusammenfassung:

Das im Forschungsvorhaben erreichte Ziel lag im Aufbau eines Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für im Strangablegeverfahren additiv gefertigter, thermoplastischer Strukturbauteile. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Erkenntnisse konnten in Form konkreter Gestaltungsrichtlinien sowie einer sequentiellen Simulationsmethodik für numerische Bauteilanalysen nutzbar gemacht werden. Zur Erreichung des Forschungsziels wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die resultierenden geometrischen und mechanischen Eigenschaften in umfangreichen Versuchsreihen charakterisiert. Die experimentell gewonnenen Erkenntnisse zur Prozess-Struktur-Beziehung wurden in ein Werkstoffmodell zur numerischen Simulation

umgesetzt, welches auch die Berücksichtigung der im Strangablegeverfahren herstellbedingt auftretenden Anisotropien ermöglicht. Die Kalibrierung mit den experimentell bestimmten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ermöglichte schließlich eine Vorhersage der resultierenden Bauteileigenschaften.

Somit ermöglicht die Kopplung von Prozess- und Struktursimulation den Anwendern zukünftig Baufehler zu vermeiden und Bauteile bereits bei der Auslegung zu optimieren. Damit können die Unternehmen ihre Entwicklungszyklen verkürzen sowie Fertigungsrisiken und -kosten minimieren. Zudem lassen sich mögliche Folgekosten, bspw. durch Produktausfälle, vermeiden. Neben dem direkten Nutzen für Anwender der Strangablegeverfahren, Konstruktionsbüros und Softwarehersteller, ist eine Akzeptanzsteigerung des additiven Fertigungsverfahrens zu erwarten, wovon auch Material- und Maschinenhersteller profitieren. So ist auch branchenübergreifend mit einer zügigen Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse durch (kleine und mittelständische) Unternehmen zu rechnen. Sowohl die Maßnahmen zur Bekanntmachung der Ergebnisse als auch deren Umsetzung in gezielte fachliche Aus- und Weiterbildungsangebote stellen diesen Transfer sicher.