AM Damping Microstructures – Entwicklung additiv gefertiger Mikrostrukturen mit wirksamem und kontrollierbarem Dämpfungsverhalten

Das Laser-Strahlschmelzen gilt als eines der vielversprechendsten Fertigungsverfahren für die Zukunft. Dabei können die einzigartigen Vorteile der Technologie, wie beispielsweise die Möglichkeit der Herstellung nahezu beliebig komplexer Geometrien, in verschiedensten Anwendungen genutzt werden. Im Rahmen dieses gemeinsamen Forschungsprojekts mit dem Lehrstuhl für Numerische Mechanik (lnm) der Technischen Universität München sollen topologieoptimierte, additiv gefertigte Mikrostrukturen hinsichtlich ihrer Dämpfungseigenschaften analysiert werden. Dazu werden experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, welche die maßgeblichen Wirkmechanismen beim Fertigungsprozess dieser Bauteile aufdecken sollen.

Motivation

Additive Fertigungstechnologien, wie bspw. das pulverbettbasierte Laser-Strahlschmelzen, eröffnen neue Wege bei der Bauteilgestaltung. Neben der Eignung zur Herstellung bionisch optimierter Strukturen zeichnet sich das Laser-Strahlschmelzen durch die Möglichkeit der Fertigung von Bauteilen mit gezielt eingestellten Dämpfungseigenschaften aus. In diesem Forschungsvorhaben werden die Dämpfungseigenschaften neuartiger additiv gefertigter Strukturen mithilfe experimenteller Untersuchungen sowie Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Diese Geometrien sollen eine gezielte Dissipation bewirken. Bei der Konstruktion und Fertigung der Strukturen werden die einzigarten Eigenschaften des Laser-Strahlschmelzens genutzt.

Zielsetzung

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Dämpfung ungewollter Schwingungen in technischen Bauteilen mittels additiv gefertigter Strukturen. Dazu werden die maßgeblichen Mechanismen der Dämpfung identifiziert und untersucht.

Vorgehensweise

Im ersten Schritt des Projekts soll eine Machbarkeitsstudie zur Herstellung von Mikrostrukturen mittels Laser-Strahlschmelzens durchgeführt werden. Dabei werden vier verschiedene Konzepte geprüft. Ziel dieser Untersuchungen ist neben der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der gefertigten Geometrien auch die Definition von Prozessparametern und -grenzen.

Parallel zu diesen ersten experimentellen Untersuchungen werden die zugrundeliegenden Mechanismen der Dissipation mithilfe von Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Aufgrund der Komplexität der Partikel-Fluid- und der Partikel-Festkörper-Interaktionen finden diese Simulationen zunächst auf der Mikroebene statt. Dabei erfolgt eine stetige Validierung mithilfe experimenteller Daten. Liegt eine validierte Simulation auf der Mikroebene vor, so wird diese durch geeignete Homogenisierungsansätze auf die Makroebene übertragen. Dadurch wird gewährleistet, dass die gesamte Bauteilgeometrie abgebildet werden kann.

Schließlich erfolgt die Ermittlung eines optimalen Dämpfungskonzepts durch weitere experimentelle und numerische Untersuchungen auf der Makroebene. Zum Abschluss des Projekts wird unter Anwendung dieses Dämpfungskonzepts ein repräsentativer Demonstrator gefertigt. Dieser soll ein typisches, durch Schwingungen beanspruchtes, Bauteil darstellen, welches die Vorteile des im Projekt ermittelten Konzepts veranschaulicht.

Dank

Das Forschungsprojekt AM Damping Microstructures wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (Projektnummer: ZA288/75-1). Hierfür sei herzlich gedankt.