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Entwicklung von Interfacestrukturen für die neuartige Hybridbauweise Gießen - Generieren

 
: Glück, Max
: Müller, Bernhard

Dresden, 2018, 76 pp.
Dresden, Hochschule für Technik und Wirtschaft, Dipl.-Arb., 2018
German
Thesis
Fraunhofer IWU ()
Laser-Strahlschmelzen; Leichtmetall-Druckguss; Verbundgießen; Verbindungsstruktur; Interfacestruktur; Hybridbauweise

Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wurden laserstrahlgeschmolzene Interfacestrukturen entwickelt, die mittels Druckgießen zu einem Bauteil verbunden werden. Die Bauweise aus Gießen und Generieren stellt eine neuartige Hybridbauweise dar, die die beiden Fertigungsverfahren miteinander verbindet. Der Vorteil dieser Hybridbauweise ist, dass durch die Integration von additiv gefertigten Strukturen die Steifigkeit erhöht und gleichzeitig die Funktionalität der Gussbauteile gesteigert werden kann. Somit sind die Bauteile nicht nur stabiler, sondern auch individuell an die funktionalen Anforderungen anpassbar. Die Entwicklung der einzelnen Strukturen, die sich zu einer gesamten Interfacestruktur zusammensetzen, wurde nach den Richtlinien der VDI 2221 ausgelegt. Diese beinhaltet die Grundlagen zum methodischen Entwickeln von Lösungsprinzipien. Der Gestaltungsprozess der Strukturen unterteilt sich in mehrere Schritte, die zum Erreichen des Gesamtziels sequentiell durchlaufen werden. Als Ausgangspunkt dienen in der ersten Phase die multikriteriellen Anforderungen, welche die Auslegungsmöglichkeiten beschränken. Diese Anforderungen an die Struktur sind zum einen erforderlich für die Hybridbauweise, wie die Infiltrierbarkeit mit flüssiger Metallschmelze und das Aufweisen formschlüssiger Verbindungsstellen. Zum anderen sind der verfügbare Bauraum sowie die bestehenden Belastungen relevant für eine beanspruchungsgerechte Konstruktion. In der Arbeit sind eine hohe Zug- und Scherfestigkeit, ein isotroper Strukturaufbau und eine Robustheit gegen auftretende Gießbelastungen in die Gestaltung der Strukturen mit eingeflossen. Darüber hinaus ist eine regulierbare relative Dichte in Verbindung mit einer zellularen Bauweise gefordert, um das Volumen und die Abmessungen der Struktur an unterschiedliche Gegebenheiten anpassen zu können. Zur Realisierung solcher simultanen Gestaltungsziele lassen sich für das Laser-Strahlschmelzen verschiedene Methoden und Gestaltungswerkzeuge identifizieren. Neben dem Einsatz von Strukturoptimierungswerkzeugen, wie der Topologieoptimierung, weist der Leichtbau und die Bionik ein hohes Potenzial zur Erfüllung von multikriteriellen Zielsetzungen auf. Somit folgte in der zweiten Phase die systematische Erarbeitung unterschiedlichster Strukturen, die als Prinziplösungen grundsätzlich alle Anforderungen erfüllen. Nach der Grobgestaltung wurden in der dritten Phase aussichtsreiche Strukturen anhand von den multikriteriellen Anforderungen gezielt ausgewählt und vordimensioniert. Der Schritt der Vordimensionierung ist notwendig, da die Strukturen als CAD-Modell unabdingbar für folgende Simulationsprozesse sind. Dabei wurden für diese Arbeit die FEM-Simulation zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften der einzelnen Strukturen und die Gießprozess-Simulation zur Bewertung der Formfülleigenschaften der gesamten Interfacestruktur verwendet. Dafür mussten in der vierten Phase die Strukturen, in Bezug auf verfahrensspezifische Restriktionen des Laser-Strahlschmelzens und Druckgießens, angepasst werden. Hierbei erfolgte die Detaillierung der Strukturen einerseits hinsichtlich der Konstruktionsrichtlinien des Laser-Strahlschmelzens und andererseits aufgrund abgeleiteter Gießbelastungen sowie Fließeigenschaften der flüssigen Metallschmelze aus der Gießprozess-Simulation. Daraus resultierten letztlich drei verschiedene Strukturen, die im unteren, mittleren und oberen Bereich der Widerstandsfähigkeit gegenüber auftretender Belastungen einzuordnen sind. Somit sind drei optimierte und fertigungsgerecht gestaltete Strukturen entwickelt wurden, die in Verbindung mit dem Druckgussprozess das Gesamtbauteil darstellen.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-484765.html