Hintergrund

Vom Rohmaterial zum Bauteil durchlaufen die Zwischenprodukte meist mehrere Unternehmen. In der additiven Fertigung von Metallen finden Pulverherstellung, 3D Druck, Wärmebehandlung, Nachbearbeitung und Montage typischerweise an verschiedenen Produktionsstädten statt, wobei alle Bearbeitungsschritte zur finalen Festigkeit des Bauteils beitragen bzw. diese beeinflussen. Für eine maximale Ausschöpfung des Leichtbaupotenzials bedarf es einer möglichst genauen Kenntnis des Werkstoffs, des Bauteils und des Fertigungsprozesses um die erforderlichen Produkteigenschaften zu erhalten. 

Für belastbare, geprüfte und nachvollziehbare Daten muss eine möglichst umfangreiche Datenbasis aus den Informationen der einzelnen Fertigungsschritte aufgebaut werden, hierzu ist der Datenaustausch zwischen allen Arbeitsschritten entlang der Wertschöpfungskette nötig. Aktuell sind die teilweise sehr heterogenen Daten weder interoperabel, noch unternehmensübergreifend verfügbar.

Projektziele

Vor diesem Hintergrund ergeben sich wesentliche Ziele:

1. Ausschöpfung des zusätzlichen Leichtbaupotenzials durch effiziente und prozessangepasste Topologieoptimierung für die additive Fertigung

2. Nutzung und Weiterentwicklung von Werkzeugen zur digitalen Modellierung von Wertschöpfungs- und CAE-Ketten und zur interoperablen Beschreibung von Daten und Domänenwissen

3. Unternehmensübergreifende Verwertung dezentral verwalteter Werkstoff-, Werkstoffprozess und Bauteildaten unter Wahrung höchster Datensouveränitätsstandards

4. Bereitstellung detaillierter, vielfältiger Werkstoff- und Prozessdaten für AM-Leichtbauwerkstoffe in einer skalierbaren Datenraumarchitektur

5. Übertragbare Schnittstellenlösung zur Integration von Daten und Analyseergebnissen aus dem dezentralen Datenraum in den Designprozess von Leichtbaukomponenten

Arbeiten am fem

Das fem war für die Bereitstellung von Prozessdaten für den Datenraum im Projekt verantwortlich. Diese wurden durch die additive Fertigung von Probekörper und Leichtbaudemonstratoren aus AlSi10Mg, deren Untersuchung (durch Computertomographie und Metallographie) und Prozessmonitoring während deren Herstellung (Pyrometrie zur Aufnahme der Emissivität des Schmelzbades) generiert. Die hergestellten Bauteile wurden anschließend ans IWM zur mechanischen Prüfung weitergeleitet. Zur Herstellung der Probekörper wurden verschiedene Geometrien festgelegt: ein Testteil (zur Parametervariation und -optimierung der Dichte und Oberfläche), eine Zugprobe, ein Quader und ein Stab zum Abdrehen. Alle Bauteile wurden mit 30 µm Schichtstärke hergestellt. Das Testteil wurde am fem entworfen und weist unterschiedliche Wandstärken, geneigte und gewölbte Flächen auf. Besagte Geometrie wurde für eine DOE-Parametervariation zur Optimierung der Dichte und Oberflächenqualität eingesetzt. Laserleistung und -geschwindigkeit (sowohl für die Schraffur als auch für die Konturen), und Hatch Distance wurden variiert (Abb. 1).

Die Leichtbaudemonstratoren wurden in zwei (vom EMI bereitgestellten) Versionen additiv gefertigt: 1. Generation, Topologieoptimierung nach Stand der Technik, und 2. Generation, welche mit der prozessspezifischen Topologieoptimierung mit Schnittstelle zum Materialdatenraum erarbeitet wurde. Durch die Optimierung der Ausrichtung (von 90 ° auf 96 °) und der Geometrie wurde im Vergleich zum Leichtbauteil 1.Gen das Stützenvolumen um 67 % reduziert (Abb. 2). Dies ergab eine Verbesserung der Oberflächenqualität, welche von den zu entfernenden Stützen immer beeinträchtigt wird.

Die Prozessüberwachung des Schmelzbades mittels Hochgeschwindigkeitspyrometrie wurde bei der Herstellung des Leichtbauteildemonstrators eingesetzt. Dadurch sind Überhitzungen (Stellen der Schraffur, wo die Emissivität erhöhte Werte aufweist) an einzelnen Schichten zu erkennen (Abb. 3). Eine filtrierte 3D Darstellung der Daten (wo die geringeren Emissivitäten ausgeblendet wurden) zeigt, dass der untere Bereich des Bauteils in Durchschnitt eine höhere Anzahl an Überhitzungen im Vergleich zum oberen aufweist (Abb. 3). Dies ist auf den Einfluss der Pulverbettheizung (300 °C) zurückzuführen, die sich auf die Temperatur des unteren Bereichs des Bauteils stärker auswirkt. 

Die Bauteile wurden durch CT und Metallographie (Gefüge, Porositätsbestimmung mittels quantitativer Bildanalyse) untersucht. Die generierten Werkstoff-, Werkstoffprozess- und Bauteildaten wurden zur Aufbereitung für den Datenraum zur Verfügung gestellt.

Danksagung

Wir danken dem Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg für die finanzielle Unterstützung des vorliegenden Projekts.