OptProLaS – Bauteiloptimierung unter Berücksichtigung der Prozesseinflüsse beim Laser-Strahlschmelzen

Ziel des Projekts ist die Bauteiloptimierung unter der Berücksichtigung von Prozesseinflüssen beim Laser-Strahlschmelzen. Dafür sollen die Fertigungsrestriktionen des Prozesses ermittelt, modelliert und anschließend in die Topologieoptimierung integriert werden. Dafür soll die am iwb entwickelte Prozesssimulation mit der Topologieoptimierung gekoppelt werden.

Ausgangssituation

Im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren zeichnet sich das Laser-Strahlschmelzen (LPBF) durch werkzeuglose Fertigung und eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit aus. Dies ermöglicht die kostengünstige Herstellung besonders komplexer, designoptimierter Bauteilgeometrien.  Im Gegensatz zu den herkömmlichen Zielgrößen wie Masse und Steifigkeit werden die Fertigungsrestriktionen des LPBF derzeit bei der Bauteilauslegung nicht oder nur unzureichend berücksichtigt. Dies führt dazu, dass bei der Topologieoptimierung oft filigrane Strukturen entstehen, die während des Fertigungsprozesses versagen. In der Folge kommt es häufig zu Prozessabbrüchen und erhöhten Ausschussraten.

Zielsetzung und erwartete Ergebnisse

Ziel des Projektes ist es, das Design von LPBF-Bauteilen belastungsangepasst und produktionsorientiert zu optimieren. Dabei wird es die digitale Abstimmung von Konstruktion und Fertigung ermöglichen, das Potenzial der Additiven Fertigung vollständig auszuschöpfen.

Als Ergebnis liegt ein erhöhtes Prozessverständnis beim LPBF von filigranen Strukturen vor. Zudem wird das entwickelte Simulations- und Konstruktionsvorgehen in einem umsetzungsorientierten Leitfaden festgehalten. Unter dessen Verwendung soll der Produktentstehungsprozess für designoptimierte Strukturen verkürzt und eine First-Time-Right-Fertigung ermöglicht werden.

Vorgehensweise

Die Fertigungsrestriktionen beim LPBF werden im Rahmen einer statistischen Versuchsplanung experimentell ermittelt, wobei der Fokus besonders auf bionischen Strukturen mit filigranen Bauteilbereichen und spontanen Querschnittsänderungen liegt. Die signifikanten Prozesseinflüsse sollen durch geeignete Modellansätze abgebildet und in die Zielfunktion der Topologieoptimierung integriert werden. Anschließend erfolgt die last- und fertigungsgerechte Designoptimierung verschiedener Demonstrator-Bauteile. Hierfür wird die Topologieoptimierung mit der bereits vorhandenen Prozesssimulation gekoppelt und das entwickelte Vorgehen zur Auslegung und Fertigung anhand von exemplarischen Baujobs validiert. Abschließend werden das gewonnene Prozessverständnis und die Simulationsmethodik in einem umsetzungsorientierten Leitfaden festgehalten, um die First-Time-Right-Fertigung von optimierten Strukturen mittels LPBF für alle Anwender und Anwenderinnen zu ermöglichen. 

Dank

Das Forschungsprojekt OptProLaS wird von der KME - Kompetenzzentrum Mittelstand GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die hervorragende Unterstützung und die Kooperation mit den Projektpartnern.

Laufzeit 01.06.2020 - 31.05.2022
Projektpartner FIT AG, MTU Aero Engines AG,
STÖGER AUTOMATION GmbH, Vectoflow GmbH
Förderer KME - Kompetenzzentrum Mittelstand GmbH