Schulte, Fiona (2023)
Ein Beitrag zur Vordimensionierung der Steifigkeitseigenschaften metallischer Bauteile durch die systematische Integration additiv gefertigter Meso-Strukturen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026386
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die additive Fertigung ermöglicht es, Meso-Strukturen, auch Gitterstrukturen genannt, in Bauteile zu integrieren. Meso-Strukturen bestehen aus sich periodisch wiederholenden Elementarzellen mit vielfältigen Topologien, die durch die Merkmale Strukturdicke und Kantenlängen der Elementarzellen-Einhüllenden definiert sind. Die geometrische Vielfalt und die variablen Merkmale ergeben eine Vielzahl nutzbarer Eigenschaften. Besonders die hohe Leichtbaugüte der Meso-Strukturen ist von Bedeutung. Meso-Strukturen in Bauteile zu integrieren, erfordert eine gezielte Auslegung der Eigenschaften der Meso-Strukturen während des Produktentwicklungsprozesses (PEP). Zur Bewertung und Auswahl von Bauteilkonzepten mit und ohne Meso-Strukturen im Vergleich ist eine einfache und schnelle Vorauslegung der Meso-Strukturen zweckmäßig. Die Auslegung mittels simulationsgestützter Optimierung oder iterativer Dimensionierung, wie sie in der Literatur beschrieben wird, führt zu einem hohen Auslegungsaufwand und Einflüsse einzelner Merkmale auf die Bauteileigenschaften sind nicht direkt ersichtlich. Ziel der Arbeit ist es daher, eine Methode zur Vordimensionierung der Meso-Strukturen zu erarbeiten, in welcher die Zusammenhänge zwischen den leichtbaurelevanten Steifigkeitseigenschaften der Meso-Strukturen und den Merkmalen Topologie, Strukturdicke und Kantenlänge würfelförmiger Elementarzellen-Einhüllender, für eine beanspruchungsgerechte Dimensionierung mit einem Modell beschrieben werden. Dazu werden die Zusammenhänge für homogene Meso-Strukturen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht und eine Dimensionierungsgleichung für die Auslegung der Meso-Strukturen ermittelt, die eine Vordimensionierung der Steifigkeitseigenschaften ohne erneute Verwendung von Simulationen ermöglicht. Die Dimensionierungsgleichung beschreibt topologieweise die Normal- und Schubsteifigkeit der Meso-Struktur-Elementarzellen, abhängig vom Dimensionsverhältnis Strukturdicke zu Kantenlänge der Elementarzellen-Einhüllenden. Das FEM- und das Dimensionierungsmodell werden initial experimentell verifiziert. Die beanspruchungsgerechte Gestaltung erfordert lokal unterschiedliche Ausprägungen der Merkmale der Meso-Strukturen. Für die Anpassung an die lokale Beanspruchung wird eine Variation der Strukturdicke sowie deren Gradierung vorgesehen, um die Bereiche unterschiedlicher Strukturdicken ohne Steifigkeitssprünge zu verbinden. Die Auswirkung der Gradierung wird ebenfalls mittels FEM untersucht. Abhängig von der relativen Durchschnittsdichte werden die Steifigkeitseigenschaften durch die Gradierung verglichen mit einer homogenen Elementarzelle der gleichen Durchschnittsdichte reduziert. Anhand der Ergebnisse, wird ein Kriterium für die Dimensionierung von Gradienten, ausgehend von der lokal erforderlichen Dicke einer homogenen Elementarzelle, ermittelt. Die Anwendung des Modells zur Vorauslegung in der Konzeptphase des PEP wird durch ein methodisches Vorgehen systematisiert und beispielhaft evaluiert.

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