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Fertigungsgetriebene Gestaltung zellulärer Strukturen beim pulverbasierten Laserstrahlschmelzen

Großmann, Alexander (2020):
Fertigungsgetriebene Gestaltung zellulärer Strukturen beim pulverbasierten Laserstrahlschmelzen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014474,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen gilt als prominenter Vertreter schichtadditiver Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer metallischer Bauteile. Das Verfahren, welches überdurchschnittliche Marktwachstumsraten besitzt und zunehmend in der industriellen Produktion Anwendung findet, wird in Kombination mit Leichtbau als potentielle Game-Changer-Technologie angesehen. Während die Optimierung der Bauteiltopologie auf der Makroskala zunehmend zum Industriestandard gehört, werden zelluläre Strukturen auf der Mesoskala, welche weitere signifikante Gewichtseinsparungen versprechen, bislang eher selten eingesetzt. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zur fertigungsgetriebenen Gestaltung zellulärer Strukturen beim pulverbasierten Laserstrahlschmelzen geleistet werden. Während die Prozessparameter auf der Makroskala bereits weitreichenden Einfluss auf die Qualität von Bauteilen haben, ist deren Einfluss bei zellulären Mesostrukturen noch ausgeprägter und sollte dementsprechend Einzug in die Konstruktion finden. Die prozessabhängige Schmelzbadgeometrie definiert die Strebenbreite und somit auch die mechanische Eigenschaft einer zellulären Struktur, die mit dem pulverbasierten Laserstrahlschmelzen hergestellt wird.

Zunächst wird hier das Schmelzbad als grundlegende Konstruktionsgröße für zelluläre Mesostrukturen im pulverbasierten Laserstrahlschmelzen untersucht. Dazu wird die prozessabhängige Breite einer Einzelschmelzbahn als technisch einfachstem Fall für die Materialien AlSi10Mg, AlMgSc, MS1, 316L, IN625 und Ti6Al4V analysiert. Anschließend werden für dieselben Materialien die prozessabhängigen Strebenbreiten bei einer Konturbelichtung von rechteckigen und runden Querschnitten als Repräsentanten plattenförmiger und strebenbasierter zellulärer Strukturen untersucht. Danach werden in einer Dimensionsanalyse für die Einzelbahn- und die Konturbelichtung dimensionslose Kennzahlen hergeleitet. Diese sind einerseits die aus der Literatur bekannte Peclet-Zahl sowie eine entdimensionierte Leistung. Die hergeleiteten Kennzahlen erlauben für beide Belichtungsstrategien eine materialunabhängige Charakterisierung der Strebenbreite über einen dimensionslosen Funktionszusammenhang.

Darauf aufbauend wird das prozessabhängige mechanische Verhalten zellulärer Mesostrukturen für den Werkstoff AlSi10Mg untersucht. Hierbei werden eine Hexagonalkernstruktur und eine flächenzentrierte Gitterstruktur mit vertikalen Streben (f2ccz) als jeweilige Repräsentanten für plattenbasierte und strebenförmige zelluläre Mesostrukturen betrachtet. Initial werden Modelle zur theoretischen Ermittlung der relativen Dichte, also dem Anteil des Strebenvolumens am Gesamtvolumen, hergeleitet und zahlreiche Parameterstudien durchgeführt. Zudem werden mit den Methoden der Mikromechanik effektive elastische Eigenschaften der zellulären Strukturen hergeleitet und ebenfalls mehrere Parameterstudien für Hexagonalkern- und Gitterstrukturen bereitgestellt. Die analytischen Untersuchungen werden mit Finite-Elemente-Analysen sowie den prozessabhängigen Eigenschaften der additiv gefertigten zellulären Strukturen verglichen und hinsichtlich ihrer Güte und Anwendbarkeit bewertet. Darüber hinaus wird am Beispiel einer f2ccz-Gitterstruktur der Einfluss der Bauteilposition auf die Steifigkeit und die Festigkeit zellulärer Strukturen untersucht.

Die vorliegende Arbeit liefert damit ein konzeptionelles Rahmenwerk zur Auslegung zellulärer Strukturen von der Laserstrahlführung bis zum mechanischen Verhalten. Demnach können für eine gewünschte mechanische Eigenschaft die zugehörige relative Dichte, Strebenbreite sowie die notwendigen Prozessparameter über die bereitgestellten Diagramme und Formulierungen direkt ermittelt werden.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2020
Creators: Großmann, Alexander
Status: Publisher's Version
Title: Fertigungsgetriebene Gestaltung zellulärer Strukturen beim pulverbasierten Laserstrahlschmelzen
Language: German
Abstract:

Das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen gilt als prominenter Vertreter schichtadditiver Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer metallischer Bauteile. Das Verfahren, welches überdurchschnittliche Marktwachstumsraten besitzt und zunehmend in der industriellen Produktion Anwendung findet, wird in Kombination mit Leichtbau als potentielle Game-Changer-Technologie angesehen. Während die Optimierung der Bauteiltopologie auf der Makroskala zunehmend zum Industriestandard gehört, werden zelluläre Strukturen auf der Mesoskala, welche weitere signifikante Gewichtseinsparungen versprechen, bislang eher selten eingesetzt. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zur fertigungsgetriebenen Gestaltung zellulärer Strukturen beim pulverbasierten Laserstrahlschmelzen geleistet werden. Während die Prozessparameter auf der Makroskala bereits weitreichenden Einfluss auf die Qualität von Bauteilen haben, ist deren Einfluss bei zellulären Mesostrukturen noch ausgeprägter und sollte dementsprechend Einzug in die Konstruktion finden. Die prozessabhängige Schmelzbadgeometrie definiert die Strebenbreite und somit auch die mechanische Eigenschaft einer zellulären Struktur, die mit dem pulverbasierten Laserstrahlschmelzen hergestellt wird.

Zunächst wird hier das Schmelzbad als grundlegende Konstruktionsgröße für zelluläre Mesostrukturen im pulverbasierten Laserstrahlschmelzen untersucht. Dazu wird die prozessabhängige Breite einer Einzelschmelzbahn als technisch einfachstem Fall für die Materialien AlSi10Mg, AlMgSc, MS1, 316L, IN625 und Ti6Al4V analysiert. Anschließend werden für dieselben Materialien die prozessabhängigen Strebenbreiten bei einer Konturbelichtung von rechteckigen und runden Querschnitten als Repräsentanten plattenförmiger und strebenbasierter zellulärer Strukturen untersucht. Danach werden in einer Dimensionsanalyse für die Einzelbahn- und die Konturbelichtung dimensionslose Kennzahlen hergeleitet. Diese sind einerseits die aus der Literatur bekannte Peclet-Zahl sowie eine entdimensionierte Leistung. Die hergeleiteten Kennzahlen erlauben für beide Belichtungsstrategien eine materialunabhängige Charakterisierung der Strebenbreite über einen dimensionslosen Funktionszusammenhang.

Darauf aufbauend wird das prozessabhängige mechanische Verhalten zellulärer Mesostrukturen für den Werkstoff AlSi10Mg untersucht. Hierbei werden eine Hexagonalkernstruktur und eine flächenzentrierte Gitterstruktur mit vertikalen Streben (f2ccz) als jeweilige Repräsentanten für plattenbasierte und strebenförmige zelluläre Mesostrukturen betrachtet. Initial werden Modelle zur theoretischen Ermittlung der relativen Dichte, also dem Anteil des Strebenvolumens am Gesamtvolumen, hergeleitet und zahlreiche Parameterstudien durchgeführt. Zudem werden mit den Methoden der Mikromechanik effektive elastische Eigenschaften der zellulären Strukturen hergeleitet und ebenfalls mehrere Parameterstudien für Hexagonalkern- und Gitterstrukturen bereitgestellt. Die analytischen Untersuchungen werden mit Finite-Elemente-Analysen sowie den prozessabhängigen Eigenschaften der additiv gefertigten zellulären Strukturen verglichen und hinsichtlich ihrer Güte und Anwendbarkeit bewertet. Darüber hinaus wird am Beispiel einer f2ccz-Gitterstruktur der Einfluss der Bauteilposition auf die Steifigkeit und die Festigkeit zellulärer Strukturen untersucht.

Die vorliegende Arbeit liefert damit ein konzeptionelles Rahmenwerk zur Auslegung zellulärer Strukturen von der Laserstrahlführung bis zum mechanischen Verhalten. Demnach können für eine gewünschte mechanische Eigenschaft die zugehörige relative Dichte, Strebenbreite sowie die notwendigen Prozessparameter über die bereitgestellten Diagramme und Formulierungen direkt ermittelt werden.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 181 Seiten
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Lightweight Construction and Design (KluB)
Date Deposited: 10 Dec 2020 13:15
DOI: 10.25534/tuprints-00014474
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/14474
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-144746
Referees: Mittelstedt, Prof. Dr. Christian ; Emmelmann, Prof. Dr. Claus
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 8 September 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Laser powder bed fusion is known as a prominent representative for layerwise additive manufacturing techniques, which are currently experiencing above-average market growth rates. In combination with advanced lightweight design, it is considered a potential game-changer to the industry. Topology optimization and design for manufacturing at the macroscale find increasing acceptance within industrial production. Cellular mesostructures, which promise further weight reduction, are less frequently used in series components.

This contribution aims at the manufacturing-driven design of cellular mesostructures in laser powder bed fusion. On the macroscale, the process parameters significantly affect the resulting properties. At the mesoscale, this effect is more pronounced. The geometry of the melt pool, which is defined by the process parameters, determines the strut thickness and thus the mechanical behavior of the cellular structure, which is manufactured by laser powder bed fusion.

Therefore, initially, the melt pool width as the fundamental design quantity is investigated. The process-dependent width of the melt pool for a single melt track as the easiest technically applicable case is first considered. Here, the powder alloys AlSi10Mg, AlMgSc, MS1, 316L, IN625, and Ti6Al4V are regarded. Then, the same procedure is carried out for two adjacent melt tracks with rectangular and circular cross-section, known as contour exposure. These represent plate-based and strut-based cellular structures. Afterward, non-dimensional numbers are obtained by dimensional analysis. On the one hand, the Peclet-number is derived, which is well-known in the welding literature, and on the other hand, a non-dimensional laser power, which is introduced as the specific laser power. Both allow a material-independent characterization of the melt pool width by a non-dimensional function.

Further, the process dependent mechanical properties of cellular mesostructures are investigated for the powder alloy AlSi10Mg. Here, a plate-based honeycomb structure and a strut-based face-centered lattice structure with vertical struts (f2ccz) are considered. At the start, theoretical models to determine the relative density are derived, which is a ratio between the strut volume and the total volume of the cellular structure. Then micromechanical models are used to obtain effective elastic properties. Extensive parameter studies for both the relative density and the effective elastic properties are provided. Finally, the analytical models are compared with Finite Element Analysis studies and the corresponding process-dependent mechanical properties of the additively manufactured structures. On this basis, the applicability of the closed-form analytical models are assessed. Additionally, the influence of the specimen position on the build plate on the mechanical properties is investigated for an f2ccz lattice structure.

The present contribution thus delivers a conceptional framework to design cellular structures ranging from process considerations to mechanical properties. Thus, for a required mechanical property the corresponding relative density, strut thickness, and belonging process parameters can be directly obtained using the present work.

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