Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Additive Fertigung im Leichtbau

Die Karosserien von morgen sind nicht nur leichter, sondern vor allem hochflexibel konzipiert. Im Bild: Der Concept Car EDAG Light Cocoon ist ein visionärer Ansatz eines kompakten Sportwagens mit einer umfassend bionisch optimierten und generativ gefertigten Fahrzeugstruktur. Er ist überzogen mit einer Außenhaut aus wetterbeständigem Textil.

© EDAG Engineering GmbH

Modellierung und Simulation additiver Fertigung mittels selektiven Laserschmelzens

Projekt CustoMat3D

Additive Fertigungsverfahren sind heutzutage fester Bestandteil der industriellen Produktion für hochbeanspruchte und nur in kleinen Stückzahlen benötigte Bauteile – wie z. B. Schaufeln oder Kraftstoffdüsen für Gasturbinen. Neben der Luftfahrt ist der Automobilbau wegen seiner großen Produktvielfalt für die additive Fertigung prädestiniert. Im Rahmen des BMBF-Projekts CustoMat3D entwickeln wir gemeinsam mit Kooperationspartnern Ansätze in diesem Bereich. Das konkrete Ziel ist die simulationsgestützte Entwicklung und Qualifizierung von maßgeschneiderten Aluminiumwerkstoffen für die laseradditive Fertigung in der Automobilindustrie.

Selective Laser Melting
© Fraunhofer ILT, Fraunhofer IPT

Beim selektiven Laserschmelzen wird der zum Bauteil gehörende Anteil der Pulverschicht zunächst aufgeschmolzen und dann für eine bessere Oberflächengüte die Kontur nachgefahren.

Neue Freiheitsgrade und Möglichkeiten in der Formgebung

Das Grundprinzip der additiven Fertigung, der schichtweise Aufbau, eliminiert viele Einschränkungen bezüglich der Formgebung. Im Gegensatz zu den etablierten Fertigungsmethoden ermöglicht dies, Strukturbauteile nicht mehr nur als »Einheitsstruktur« auf den Worst-Case-Lastfall auszulegen, sondern das variantenabhängige Leichtbaupotential voll auszunutzen.

 

Maßgeschneiderte Aluminiumwerkstoffe für die Automobilindustrie

Die derzeit verwendeten Aluminiumlegierungen sind im Allgemeinen nicht für einen speziellen Einsatzzweck maßgeschneidert und schöpfen somit das Kosten- sowie Gewichtsreduktionspotential nicht aus. Zudem ist der optimale Simulationsansatz noch Gegenstand aktueller Forschung.

In Kooperation mit MAGMA entwickeln wir neue Simulationsansätze für die dabei auftretenden, extrem schnellen Phasenumwandlungen und Erstarrungsprozesse sowie den sich daraus ergebenden Materialgefügen. Zur Vorhersage des Verzugs berücksichtigen wir alle relevanten Längen- und Zeit­skalen. Das heißt es werden besonders einbezogen:

  • die Details des Pulvers sowie des Schmelzbads in der Nähe des Lasers
  • die Auswirkungen des punktförmigen Wärmeeintrags durch den Laser auf die Eigenspannungs- und Temperaturverteilung im gesamten Bauteil

Wir entwickeln eine simultane Mehrskalenmethode, die das Bauteil in ein Nah- und Fernfeld unterteilt und – an die lokalen physikalischen Gegebenheiten angepasst – modelliert und diskretisiert.

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