Towards implementing lattice structures into load-bearing lightweight components

Meyer, Guillaume Bertrand Thibaut (2024)
Towards implementing lattice structures into load-bearing lightweight components.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Bibliographie

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Kurzbeschreibung (Abstract)

The aerospace industry strives for an optimum between sustainability, cost and resource efficiency. In this frame, additive manufacturing has established itself as a disruptive technology by offering increased constructive flexibility. Recent research demonstrated that the lightweight potential of load-carrying structural components could be further enhanced using this technology. Despite the reduction of weight and resource consumption that can be achieved through topology optimised structures, the efforts involved in both manufacturing and post-processing hinder in most cases additive manufacturing at being a competitive contender against conventional manufacturing processes. As a matter of fact, additive manufacturing is often employed for rapid prototyping while its use in serial production is rather restrained due to high costs and production times.

An improved competitiveness can be achieved with the realisation of innovative structures through additive manufacturing. At the meso-scale, additively manufactured cellular structures and, in particular, lattice structures offer supplementary design freedom and, thus, new engineering opportunities that cannot be realised by conventional means of manufacturing. In addition to the increased lightweight potential they offer, cellular structures can drastically reduce the printing time and therefore make additive manufacturing more viable in terms of Time-to-Market. However, lattice structures find restricted fields of application for serial production and are still not implemented into load-carrying lightweight components. This is due to lacks of standard on several levels, from the initial design to the final product certification, which hold back exploiting their potential.

This work explores the challenges met by the implementation of lattice structures into bulk parts from both design and manufacturing points of view. In the first part of this work, concepts for load introduction designs avoiding local stress concentration at both lattice-to-bulk and lattice-to-lattice interfaces are developed and numerically verified. In the second part of this work, the reliable additive manufacturing of sub-millimetre lattice structures in the framework of laser powder-bed fusion and manufacturing approaches for their implementation into bulk parts are investigated. Insights into the influence of manufacturing on the structural integrity of lattice structures and their inherent mechanical properties are provided in the frame of experimental validations as well.

The present work proposes a framework for both standardised design and reliable manu-facturing of test specimens for the mechanical characterisation of lattice structures under tensile loading. Furthermore, this contribution can be considered as a first milestone towards straightforward design guidelines on the implementation of lattice structures in lightweight components for daily engineering practice since the developed concepts are not specific and therefore not restricted to the employed AlSi10Mg powder material.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Meyer, Guillaume Bertrand Thibaut

Art des Eintrags:

Bibliographie

Titel:

Towards implementing lattice structures into load-bearing lightweight components

Sprache:

Englisch

Referenten:

Mittelstedt, Prof. Dr. Christian ; Weeger, Prof. Dr. Oliver

Publikationsjahr:

2024

Ort:

Düren

Verlag:

Shaker Verlag

Reihe:

Schriftenreihe Leichtbau

Band einer Reihe:

Kollation:

xviii, 258 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

13 Dezember 2023

Zugehörige Links:

TUprints Zweitveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Die Luft- und Raumfahrtindustrie strebt nach einem Optimum zwischen Nachhaltigkeit, Kosten und Effizienz. In diesem Kontext hat sich die additive Fertigung durch die angebotene konstruktive Flexibilität als disruptive Technologie etabliert. Jüngere Forschung hat nachgewiesen, dass das Leichtbaupotential lasttragender struktureller Komponenten durch diese Technologie signifikant erweitert werden kann. Trotz möglicher Verringerungen von Masse und Materialverbrauch, die durch topologieoptimierte Strukturen erreicht werden können, hindern in den meisten Fälle der Herstellungs- und Nachbearbeitungsaufwand die additive Fertigung daran, eine wettbewerbsfähige Alternative zu den herkömmlichen Herstellungsverfahren zu sein. Tatsächlich wird die additive Fertigung oft im Rahmen vom Rapid Prototyping angewendet, während ihr Einsatz in der Serienproduktion, aufgrund hoher Kosten und Fertigungszeiten, noch eingeschränkt ist.

Eine erhöhte Wettbewerbsfähigkeit kann durch die Realisierung innovativer Strukturen, die anhand der additiven Fertigung hergestellt werden können, erreicht werden. Auf der Mesoskala bieten additiv gefertigte zelluläre Strukturen und insbesondere Gitterstrukturen zusätzliche Designfreiheit und somit neue Konstruktionsmöglichkeiten, die durch konventionelle Verfahren nicht realisierbar sind. Neben dem erhöhten Leichtbaupotential können zelluläre Strukturen die Fertigungszeit drastisch reduzieren und die additive Fertigung hinsichtlich Time-to-Market ökonomisch rentabler machen. Dennoch finden Gitterstrukturen nur eingeschränkte Anwendungen in der Serienproduktion und werden derzeit noch nicht in lasttragenden Leichtbaukomponenten angewendet. Dies liegt an einer fehlenden Standardisierung auf mehreren Ebenen, vom Initialdesign bis hin zur Produktzertifizierung, was der Hauptgrund ist, warum das volle Potential solcher Strukturen noch nicht genutzt wird.

Diese Arbeit betrachtet die konzeptuellen und herstellungsbedingten Herausforderungen der Implementierung von Gitterstrukturen in Leichtbaukomponenten. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Konzepte für eine Krafteinleitung ohne lokale Spannungserhöhung an den Schnittstellen zwischen Vollkörper und Gitterstrukturen und zwischen Gitterzellen entwickelt und numerisch verifiziert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden sowohl die zuverlässige additive Fertigung von Gitterstrukturen im Sub-Millimeter Bereich im Rahmen des selektiven Strahlschmelzens als auch Ansätze für deren Implementierung in Vollkörperteilen untersucht. Einblicke in den Einfluss der Fertigung auf die strukturelle Integrität von Gitterstrukturen und deren mechanischen Eigenschaften werden im Rahmen der experimentellen Validierung der entwickelten Konzepte gegeben.

Die vorliegende Arbeit schlägt ein Rahmenwerk für eine standardisierte Konzipierung und zuverlässige Herstellung von Zugproben für die Charakterisierung mechanischer Eigenschaften von Gitterstrukturen vor. Demnach kann dieser Beitrag als erster Meilenstein auf dem Weg zu einfachen Designrichtlinien über die Implementierung von Gitterstrukturen in Leichtbaukomponenten in der täglichen Ingenieurpraxis betrachtet werden. Die entwickelten Konzepte sind nicht spezifisch auf das untersuchte AlSi10Mg Pulvermaterial zugeschnitten und sind somit auf weitere Materialklassen übertragbar.

Deutsch

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Leichtbau und Strukturmechanik (LSM)

Hinterlegungsdatum:

07 Mai 2024 06:27

Letzte Änderung:

19 Jul 2024 07:52

PPN:

517326396

Referenten:

Mittelstedt, Prof. Dr. Christian ; Weeger, Prof. Dr. Oliver

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: