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FAT-Schriftenreihe 320Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau– BioLAS –
Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau –
BioLAS
Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT
Berichtsautoren:
M.Sc. Nora Jaeschke Dipl.-Ing. Markus Lingner Dr.-Ing. Seyed Mohammad Goushegir M.Sc. Yanik Senkel Dipl.-Ing. Frank Beckmann
II
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................. IV
Tabellenverzeichnis .................................................................................................................. IX
Formelverzeichnis .................................................................................................................... XI
Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................................ XII
Motivation und Projektziel für BioLAS ........................................................................................ 1
Inhalt und Projektablauf ............................................................................................................ 2
Wissenschaftlich-technische Ergebnisse ..................................................................................... 5
Arbeitspaket: Bauteilauswahl und Anforderungsdefinition .................................................. 5
1.1. Auswahl von ein oder zwei Demonstratorbauteilen für das Projekt .................................. 5
1.2. Anforderungsliste für die Demonstratorbauteile .............................................................. 5
Arbeitspaket: Materialentwicklung ..................................................................................... 6
2.1. Auswahl einer geeigneten LAM-Stahllegierung anhand des automobilen
Anforderungsprofils ....................................................................................................... 6
2.2. Parameterentwicklung für prozesssichere Verarbeitung der automobilen Stahllegierung im
pulverbettbasierten LAM-Prozess .................................................................................... 8
2.2.1. Schritt 1: Pulvercharakterisierung ................................................................................ 8
2.2.2. Schritt 2: Überprüfung der Verarbeitbarkeit des Pulvers ............................................. 10
2.2.3. Schritt 3: Optimierung der Prozessparameter ............................................................. 18
2.3. Verifikation geeigneter Wärmebehandlungen ............................................................... 20
2.4. Ermittlung der mechanisch-technologischen Eigenschaften ........................................... 23
2.4.1. Zusatz: Untersuchung der Rauheiten ......................................................................... 27
Arbeitspaket: Erarbeitung von Fertigungsrestriktionen und Designkonzepten .................... 29
3.1. Ermittlung von Fertigungsrestriktionen des ausgewählten Stahlwerkstoffs ..................... 29
3.1.1. Entwicklung von Parametern für Stützstrukturen ....................................................... 29
3.1.2. Entwicklung von Fertigungsrestriktionen ................................................................... 30
3.2. Leichtbauansätze durch Bionik ..................................................................................... 31
3.3. Entwicklung von Designrichtlinien mit Fokus Design-to-Cost ......................................... 39
Arbeitspaket: Hybride Bauweisen ..................................................................................... 50
4.1. Entwicklung von Prozessparametern für das Laserstrahlschweißen ................................. 50
4.2. Bewertung der Schnittstelle hinsichtlich Nahtgeometrie und Mikrohärteverlauf .............. 52
4.2.1. Statische Zugversuche (Scherzug und Schälzugproben) .............................................. 55
4.2.2. Zugprüfung KS2-Proben ........................................................................................... 57
III
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
4.3. Entwicklung von Designrichtlinien zur fügegerechten Schnittstellengestaltung ............... 62
4.4. Entwicklung von Prozessparameter für das Laser-Pulver-Auftragschweißen .................... 70
4.4.1. Parameterstudie an Einzelspuren bei 10mm Blechstärke ............................................. 71
4.4.2. Reduzierung der Blechstärke ..................................................................................... 76
4.4.3. Flächiger und schichtweiser Aufbau .......................................................................... 79
4.4.4. Machbarkeitsanalyse zur Fertigung eines Demonstrators ............................................ 85
Arbeitspaket: Validierung am Demonstrator ..................................................................... 94
5.1. Entwurf und Fertigung von Demonstratorbauteilen ....................................................... 94
5.2. Bewertung der Demonstratorbauteile ........................................................................... 98
Zusammenfassung ................................................................................................................ 102
IV
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Wesentliche Inhalte des BioLAS-Projektes ...................................................................... 3
Abbildung 2: Demonstratorbauteile; links: Lenksäulenanbindung VW (Designspace in rot
dargestellt), rechts: Bereich der hinteren Achsaufnahme (blau) im Porsche
Panamera .......................................................................................................................... 5
Abbildung 3: Partikelgrößenverteilung der drei Startlegierungen ....................................................... 9
Abbildung 4: REM-Aufnahmen in 1000facher Vergrößerung; links: HC380LA, mittig: G17Mn5,
rechts: G3Si1 ..................................................................................................................... 9
Abbildung 5: Aufsichten unter einem Mikroskop am Beispiel des HC380LA: o.l. geringe
Volumenenergie; o.r. mittlere Volumenenergie; u.l. hohe Volumenenergie; u.r. sehr
hohe Volumenenergie .................................................................................................... 11
Abbildung 6: Abhängigkeit der Oberflächenstruktur von der eingebrachten Leistung am Beispiel
des HC380LA .................................................................................................................. 12
Abbildung 7: Querschliffe von Dichtewürfeln (TruPrint 1000) bei der maximal untersuchten
Aufbaurate von 6,8 cm³/h ............................................................................................. 13
Abbildung 8: Schliffproben von Dichtewürfeln (SLM 250) bei der maximal untersuchten
Aufbaurate von 22,5 cm³/h ........................................................................................... 14
Abbildung 9: Gefüge bei 1000facher Vergrößerung (As-Built-Zustand): links: HC380LA, mittig:
G17Mn5, rechts: G3Si1 ................................................................................................. 15
Abbildung 10: Gefüge bei 1000facher Vergrößerung (nach der Wärmebehandlung): links:
HC380LA, mittig: G17Mn5, rechts: G3Si1 ................................................................ 16
Abbildung 11: REM-Aufnahmen von HC380LA-Pulver in 1000facher Vergrößerung; links: Charge
1, rechts: Charge 2 ....................................................................................................... 18
Abbildung 12: Versuchsreihe 1 – Concept M2; Schliffbild HC380LA mit 99,99 % Dichte ............ 19
Abbildung 13: Versuchsreihe 2 – Concept M2; Schliffbild HC380LA mit 99,96% Dichte ............. 20
Abbildung 14: Spannungs-Dehnungsdiagramme für HC380LA bei unterschiedlichen
Wärmebehandlungsstrategien .................................................................................... 22
Abbildung 15: Spannungs-Dehnungsdiagramm für HC380LA bei unterschiedlichen
Oberflächenzuständen ................................................................................................. 24
Abbildung 16: Spannungs-Dehnungsdiagramm für HC380LA bei unterschiedlichen
Aufbaurichtungen ........................................................................................................ 25
V
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 17: Wöhlerkurven von HC380LA bei unterschiedlichen Oberflächenzuständen; oben:
as-built, mittig: abrasiv und verfestigend gestrahlt, unten: spanend nachbearbeitet
mittels Fräsen ................................................................................................................ 26
Abbildung 18: Probenaufbau für die Untersuchung von Rauheiten ................................................. 27
Abbildung 19: Darstellung eines Probekörpers zur Untersuchung von Stützstrukturen ................. 29
Abbildung 20: Baujob zur Ermittlung der Fertigungsrestriktionen; links: CAD-Modell, rechts:
gefertigter Baujob ........................................................................................................ 31
Abbildung 21: Position der Bauteile im Automobil; links: Seitenschweller, rechts: Crashbox ........ 32
Abbildung 22: Daten der Daimler AG zur Definition wirkender Belastungen; links:
Seitenschweller, rechts: Crashbox .............................................................................. 32
Abbildung 23: Biologische Vorbilder; Biegung/Torsion: l.o.: Liebespfeil der Schnirkelschnecke, r.o.:
Blattstiel der Bananenstaude, Energieabsorbtion: l.u.: Wanderheuschrecke, r.u.:
Hirschkäfer mit Nahaufnahmen der Deckflügel (a: Aufnahme mit Maßstab 500
µm, b: Aufnahme mit Maßstab 50 µm) ..................................................................... 33
Abbildung 24: Vorgehensweise zur Konstruktion (Seitenschweller) ................................................. 34
Abbildung 25: Lastfall des Seitenschwellers ........................................................................................ 35
Abbildung 26: Konstruktionen des Seitenschwellers; links: Ausgangssituation, mittig: Variante 1
(Kraft-Kegel-Methode und Liebespfeile der Schnirkelschnecke; rechts: Variante 2
(Blattstiel der Bananenstaude) ..................................................................................... 35
Abbildung 27: Validierung der Seitenschweller-Konstruktionen mittels FEM; links:
Ausgangszustand, mittig: Variante 1, rechts: Variante 2 ......................................... 36
Abbildung 28: Vorgehensweise zur Konstruktion (Crashbox) ........................................................... 36
Abbildung 29: Konstruktionen der Crashbox; links: Ausgangssituation, mittig: Variante 1 (Helix-
Struktur); rechts: Variante 2 (Struktur des Deckflügels) ............................................ 37
Abbildung 30: Validierung der Crashbox-Konstruktionen mittels FEM; links: Ausgangszustand,
mittig: Variante 1, rechts: Variante 2 ......................................................................... 38
Abbildung 32: Additiv hergestellte Testkörper; oben: Seitenschweller (Variante 1), links unten:
Demostrator mit verschiedenen bionischen Vorbildern, rechts unten: Crashbox
(Variante 2) ................................................................................................................... 39
Abbildung 33: Referenzbauteile zur Validierung der Richtlinien Design-to-Cost; links:
konventionelles Pedal, rechts: leichtbauoptimiertes Pedal ....................................... 40
Abbildung 34: Anwendung der Designrichtlinien auf das leichtbauoptimierte Pedal ..................... 48
Abbildung 35: Schematische Darstellung der zu untersuchenden Stoßarten .................................. 50
VI
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 36: Für die Schweißversuche verwendeter Versuchsaufbau ........................................... 51
Abbildung 37: Einschweißtiefe in Abhängigkeit der Streckenenergie .............................................. 52
Abbildung 38: Typische Ausbildung der Schweißnahtgeometrie für unterschiedliche
Verbindungstypen ........................................................................................................ 53
Abbildung 39: Härteverlauf für ausgewählte Überlappverbindungen (4 KW, 35 mm/s), links:
konventionell-konventionelle Überlappverbindung, rechts: additiv-additive
Überlappverbindung .................................................................................................... 54
Abbildung 40: Härteverlauf für ausgewählte Stumpfstoßverbindung (3 KW, 60 mm/s) links:
konventionell-konventionelle Stumpfstoßverbindung, rechts: additiv-additive
Stumpfstoßverbindung ................................................................................................ 54
Abbildung 41: Probengeometrie für die Scherzug- (links) und die Schälzugproben (rechts) .......... 55
Abbildung 42. Ergebnisse statische Zugversuche (Scherzug und Schälzugproben) ........................ 56
Abbildung 43: Versagensbild Schälzugproben (links) und Scherzugproben (rechts) ....................... 57
Abbildung 44: KS2 Probenrohlinge auf der Bauplattform ................................................................. 58
Abbildung 45: Schweißnahtgeometrie (KL_5x12) an den KS2-Proben ............................................ 58
Abbildung 46: Definition der Prüflingslagen (0° und 90°) für die KS2-Proben ................................ 59
Abbildung 47: Zugversuch-KS-2-0° bei 10 mm/min, Längenänderung lokal am Prüfling gemessen.
Quelle: Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik. Universität Paderborn ...... 60
Abbildung 48: Zugversuch-KS-2-90° bei 10 mm/min, Längenänderung lokal am Prüfling
gemessen. Quelle: Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik. Universität
Paderborn ...................................................................................................................... 61
Abbildung 49: Ergebnisse der Punktschweißversuche an AM-AM Proben, EDAG Engineering
GmbH, Wiesbaden ....................................................................................................... 62
Abbildung 50: Anbindungsgeometrien einer 3D gedruckten Rippe ................................................. 63
Abbildung 51: Anbindung Flanschblech an Rundrohr ....................................................................... 64
Abbildung 52: Anbindung Gabelkopf an ein Rohrende (mit Drehlageorientierung) ...................... 64
Abbildung 53: Verbindung unterschiedlicher Profilquerschnitte über einen gedruckten Knoten .. 65
Abbildung 54: Ausbildung einer Steg-Schlitz Verbindung mit Wurzelschutzfunktion im
gedruckten Bauteil ....................................................................................................... 65
Abbildung 55: Integration einen Positionierzapfens in den gedruckten Fügepartner ..................... 66
Abbildung 56: Herstellung eines Zinkausgasungsspaltes über mitgedruckte Noppen am AM Teil 66
Abbildung 57: Mitgedruckte Anlagepunkte für Spanner können den mechanischen Aufwand in
einer Schweißvorrichtung minimieren ........................................................................ 67
VII
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 58: Befestigungsklips zur Positionierung eines AM-Teils an einem Rundrohr ............... 67
Abbildung 59: Gedruckte, temporäre Abstandshalter zwischen 2 AM-Teilen ................................. 68
Abbildung 60: Konventioneller Zentrierstift (links) und mitgedruckter Zentrier- / Positionierabsatz
(rechts) ........................................................................................................................... 68
Abbildung 61: Mitgedruckte und nach dem Verschweißen entfernbare äußere Positionierhilfen 69
Abbildung 62: Angepasste Kantengeometrie zum Verschweißen unterschiedlich dicker
Materialien als Stumpfstoß .......................................................................................... 69
Abbildung 63: Geschmiedete Mutter mit Schweißbuckeln ............................................................... 70
Abbildung 64: Geschweißte PKW Strukturbaugruppe (Armaturenbrettträger) aus ca. 36
Einzelteilen .................................................................................................................... 70
Abbildung 65: Der im Optimierungsprozess mit dem NSGA-II-Algorithmus verwendete
Iterationsprozess ........................................................................................................... 72
Abbildung 66: Der Querschliff der drei Proben mit der besten GB und PN ..................................... 75
Abbildung 67: (links) Horizontales und (rechts) vertikales Härteprofil von Proben mit hohem und
niedrigem Wärmeeintrag ............................................................................................. 76
Abbildung 68: Der Querschliff der Proben 104 und 106 mit der besten GB (auf Blechstärke 2 mm)
....................................................................................................................................... 77
Abbildung 69: Der Querschliff einer aufgetragenen Spur auf dem Substrat unter Verwendung der
optimalen Prozessparameter ....................................................................................... 79
Abbildung 70: Eine Illustration des flächiger Aufbaus; (a) zeigt den Überlappungsgrad und (b)
zeigt den Versatz .......................................................................................................... 80
Abbildung 71: Der Querschliff der Proben mit mehreren angrenzenden Schichten und einem
Überlappungsgrad von 35 %, 30 % und 25 % ........................................................ 80
Abbildung 72: Der Querschliff der Probe mit welliger Oberfläche wegen geringem
Überlappungsgrad (10%) ............................................................................................ 81
Abbildung 73: Schichtweiser Aufbau aus 5 Lagen mit einer z-Zustellung von 70% (413 µm) ...... 82
Abbildung 74: Schichtweiser Aufbau von 40 Lagen mit einer z-Zustellung von 70% (413 µm) ... 82
Abbildung 75: Die Reduzierung der Laserleistung entspricht der Ausgangsleistung von 2300 W 83
Abbildung 76: Schichtweiser Aufbau einer repräsentativen Probe mit 23 Layer,
Laserleistungsdifferenz von 70 % und der z-Zustellung von 70 % (413 µm) ........ 84
Abbildung 77: Definierter Demonstrator als U-Profile mit zwei Designs als Verstärkungselemente;
Honeycomb (links) und Isogrid (rechts) ...................................................................... 85
VIII
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 78: Die gewählte Strategie, um Honeycomb (links) und Isogrid (rechts) Strukturen
abzuscheiden ................................................................................................................ 86
Abbildung 79: (links) Der erste Parametersatz, mit dem der Demonstrator erstellt wurde, (rechts)
Das Blech mit der Honeycomb-Struktur und dem daraus resultierenden Verzug .. 87
Abbildung 80: (links) Der zweite Parametersatz, mit dem der Demonstrator erstellt wurde, (rechts)
Das Blech mit der Honeycomb Struktur und dem daraus resultierenden Verzug .. 87
Abbildung 81: (links) Der dritte Parametersatz, mit dem der Demonstrator erstellt wurde, (rechts)
Das Blech mit der Honeycomb Struktur und dem daraus resultierenden Verzug .. 87
Abbildung 82: (links) Der Parametersatz mit den neuen Wartezeitstrategien, (oben rechts) Das
Blech mit der Honeycomb-Struktur mit einer Wartezeit von 120 s nach jedem
Hexagon, (unten rechts) Das Blech mit der Honeycomb-Struktur mit einer
Wartezeit von 120 s nach jedem Hexagon sowie 15 s nach jeder Wand ............... 88
Abbildung 83: Der angeätzte Querschliff der aufgetragenen Spuren mit angepasstem
Fokusdurchmesser gemäß Tabelle 41 mit 1 und 3 Layer ......................................... 90
Abbildung 84: (links) Horizontales und (rechts) Vertikales Härteprofil von Proben mit
Fokusdurchmesser 1,5 mm und Laserleistung 884 W .............................................. 91
Abbildung 85: Die Bleche mit der Honeycomb Struktur (oben) mit den optimalen Parametern aus
ersten Entwicklungsphasen und (unten) mit den angepassten Parametern durch
Reduzierung des Fokusdurchmessers (Satz 2, Tabelle 41) ........................................ 91
Abbildung 86: (links) Die mit dem finalen Parametersatz aufgetragene Honeycomb Struktur (4
Layer) und (rechts) Der Querschliff der Honeycomb Struktur des Abschnitts A-A . 92
Abbildung 87: (oben) Die endgültigen Parameter zum Auftragen der 3D-Strukturen (unten links)
Honeycomb Struktur und (unten rechts) Isogrid-Struktur ........................................ 93
Abbildung 88: Ergebnis der Topologieoptimierung (links) sowie die Interpretation des
Optimierungsergebnisses (rechts). .............................................................................. 95
Abbildung 89: Fertigungsrechte Konstruktion der Optimierung ....................................................... 95
Abbildung 90: Substituierende Bauteile der Hinterachsaufhängung im Porsche Panamera .......... 97
Abbildung 91: Optimierungsergebnis der Hinterachsaufhängung (Porsche), Ergebnisinterpretation
(IAPT) ............................................................................................................................. 97
Abbildung 92: Steg-Schlitz Verbindung (links), Zylinder-Bohrung Verbindung (mittig),
Punktschweißverbindung (rechts) ............................................................................... 98
Abbildung 93: Konventionelle Blechkonstruktion (links), AM Konstruktion (rechts) ....................... 99
Abbildung 94: Ausnutzung der Bauplatte durch eine bzw. drei Baugruppen ............................... 100
IX
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von HC380LA (1.0550) nach DIN EN 10268 ................ 6
Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften von HC380LA (1.0550) nach DIN EN 10268 ................... 6
Tabelle 3: Chemische Zusammensetzung von G17Mn5 (1.1131) nach DIN EN 10293 ................. 7
Tabelle 4: Mechanische Eigenschaften von G17Mn5 (1.1131) nach DIN EN 10293 ..................... 7
Tabelle 5: Chemische Zusammensetzung von G3Si1 (1.5125) nach DIN EN 14341 ...................... 7
Tabelle 6: Mechanische Eigenschaften von G3Si1 (1.5125) nach DIN EN 14341 .......................... 8
Tabelle 7: Partikelgrößenverteilung der drei Startlegierungen ..................................................... 8
Tabelle 8: Fließverhalten und Schüttdichte der drei Startlegierungen .......................................... 9
Tabelle 9: Unterschiede zwischen der TruPrint 1000 (Trumpf) und der SLM 250 (SLM Solutions
Group AG) .............................................................................................................. 10
Tabelle 10: Vollfaktorieller Versuchsplan für die Mehrspurversuche .......................................... 11
Tabelle 11: Vollfaktorieller Versuchsplan für die Dichtewürfel auf der TruPrint 1000 ................. 12
Tabelle 12: Versuchsplan für die Dichtewürfel auf der SLM 250................................................ 13
Tabelle 13: Ergebnisse der Härtemessung im As-Built-Zustand .................................................. 15
Tabelle 14: Ergebnisse der Härtemessung im wärmebehandelten Zustand ................................ 15
Tabelle 15: Chemische Analyse der Materialien vor und nach dem Prozess ............................... 17
Tabelle 16: Zusammenfassung der wesentlichen Parameter zur laseradditiven Verarbeitung von
HC380LA auf der SLM 250 (SLM Solutions Group AG) ........................................... 17
Tabelle 17: Eigenschaften des HC380LA-Pulvers ...................................................................... 18
Tabelle 18: Unterschiede zwischen der SLM 250 (SLM Solutions Group AG) und der Concept M2
(Concept Laser GmbH) .......................................................................................... 19
Tabelle 19: Zusammenfassung der wesentlichen Parameter zur laseradditiven Verarbeitung von
HC380LA auf einer Concept M2 (Concept Laser GmbH) ......................................... 20
Tabelle 20: Kennwerte von HC380LA bei unterschiedlichen Wärmebehandlungen ................... 23
Tabelle 21: Mechanische Kennwerte von additiv gefertigtem HC380LA bei unterschiedlichen
Oberflächenzuständen ........................................................................................... 27
Tabelle 22: Parametersatz zur Erzeugung von Stützstrukturen auf der Concept M2 mit HC380LA
............................................................................................................................ 30
Tabelle 23: Darstellung verschiedener Designkörper mit Angabe der untersuchten Größen und
Winkel .................................................................................................................. 30
Tabelle 24: Fertigungsrestriktionen für HC380LA ..................................................................... 31
Tabelle 25: Zusammenfassung der Kostenaufnahme ................................................................ 41
X
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 26: Untersuchung von Verschachteln und Stapeln auf die Kosten ................................. 42
Tabelle 27: Richtlinienkatalog mit Fokus Design-to-Cost für HC380LA im
Laserstrahlschmelzprozess ..................................................................................... 43
Tabelle 28: Zusammenstellung der Kosten nach und vor der Anwendung von Designrichtlinien
auf das leichtbauoptimierte Pedal aus HC380LA ..................................................... 49
Tabelle 29: Probenplan für Prozessparameterstudien Laserstrahlschweißen ............................... 51
Tabelle 30: Untersuchte Material / Geometrievarianten ............................................................ 53
Tabelle 31: Prüfplan statische Zugversuche .............................................................................. 54
Tabelle 32: Prüfplan für die dynamischen Festigkeitsprüfungen ................................................ 57
Tabelle 33: Die Kriterien zur Bewertung der Prozessparameter ................................................. 73
Tabelle 34: Die Liste der Prozessparameter .............................................................................. 74
Tabelle 35: Die drei besten Sätze von Prozessparametern ......................................................... 74
Tabelle 36: Die ausgewählten Prozessparameter auf die reduzierten Blechdicken ...................... 77
Tabelle 37: Die Liste der ausgewählten Pulvermassenströme und daraus resultierende
Produktivität (Pulvernutzungsgrad) für die Blechdicke von 2 mm erhöhen ............... 78
Tabelle 38: Der optimale Satz von Prozessparametern durch Optimierung der Einzelspuren ....... 79
Tabelle 39: Die max. und min. Höhe mit unterschiedlichem Überlappungsgrad ......................... 80
Tabelle 40: Angaben zur Laserleistung in jeweils 5 Layer basierend auf der ausgewählten
endgültigen Laserleistung ...................................................................................... 83
Tabelle 41: Anpassung der Prozessparameter durch Änderung des Fokusdurchmessers ............. 89
Tabelle 42: Gemessene Tiefe des geschmolzenen Grundmaterials basierend auf den neuen
Prozessparametern ................................................................................................ 90
Tabelle 43: Kostenberechnung des Demonstrator 1 ............................................................... 100
Tabelle 44: Kostenberechnung des Demonstrators 2 .............................................................. 101
XI
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Formelverzeichnis
A % Bruchdehnung
A30 % Bruchdehnung bei 30 mm Ausgangslänge
Ag % Gleichmaßdehnung
AG % Aufmischungsgrad
AV - Aspektverhältnis
B - Anbindung
D10/50/90 µm Durchmesser (10/50/90 % sind kleiner als der angegebene Wert)
Ev J/mm³ Volumenenergie
hs mm Hatchabstand
m kg Masse
p % Porosität
P W Laserleistung
P-m. g/min Pulvermassenstrom
ReH MPa Obere Streckgrenze
RM MPa Zugfestigkeit
Rp0,2 MPa Dehngrenze
vScan mm/s Scangeschwindigkeit (LBM-Prozess)
V m/s Geschwindigkeit (LPA-Prozess)
XII
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abkürzungsverzeichnis
3D Dreidimensional
AM Additive Manufacturing
AP Arbeitspaket
CAD Computer Aided Design
Fraunhofer IAPT Fraunhofer Einrichtung für additive Produktionstechnologien
GB Gesamtbewertung
ICP-OES-Verfahren Inductively coupled plasma optical emission spectrometry
KS2 Kopfzug-Scherzug-Probe
KV Konventionell
LAM Laser Additive Manufacturing
LBM Laser Beam Melting
LPA Laser-Pulver-Auftragschweißen
NSGA-II Non-dominated sorting genetic algorithm II
PKW Personenkraftwagen
PN Pulvernutzungsgrad
WEZ Wärmeeinflusszone
1
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Motivation und Projektziel für BioLAS
Der Fahrzeugbau stellt einen wesentlichen Innovationsführer der deutschen Wirtschaft im globalen
Wettbewerb dar. Die zukünftigen Herausforderungen für die Automobil- und Zuliefererindustrie
ergeben sich zum einen durch eine zunehmende Diversifizierung der Fahrzeuge (z.B. durch
unterschiedliche Antriebskonzepte und Karosseriebauformen etc.) und somit der Notwendigkeit
variantenreiche Fahrzeugkonzepte zu fertigen. Zum anderen erzwingen die stetig sich
verschärfenden Umweltauflagen die Automobilindustrie zur Entwicklung neuer
ressourcenschonender Leichtbaukonzepte. Stahl wird hierbei auch zukünftig eine tragende Rolle
im Fahrzeugbau einnehmen, aufgrund der folgenden Vorteile:
Potential der Gewichtsreduktion bei gleichzeitig hoher Performance und Sicherheit durch (ultra-) hochfeste Stähle mit hoher spezifischer Festigkeit und Energieabsorption;
Niedrigere Kosten: Stahl als das wirtschaftlichste Material für Karosserien;
Breite regionale Verfügbarkeit und gute Recyclierbarkeit (Nachhaltigkeit);
Günstige CO2-Bilanz über den Lebenszyklus im Vergleich zu anderen Leichtbauwerkstoffen.
Stahlwerkstoffe stehen jedoch in großer Konkurrenz zum Leichtbauwerkstoff Aluminium. Während
der Aluminium-Druckguss die Möglichkeit bietet, komplexe, dünnwandige Strukturbauteile wie
z.B. Dämpferbeinkonsolen, mit einem hohen Grad an Leichtbau und Funktionsintegration zu
fertigen, lassen sich vergleichbare Strukturen mittels Stahl-Druckguss nicht fertigen. Durch die
laseradditive Fertigung in Kombination mit Topologieoptimierung und Bionik besteht die
Möglichkeit filigrane Leichtbaustrukturen in Stahl zu fertigen und dadurch Anwendungen zu
erschließen, die derzeit dem Aluminium-Druckguss vorbehalten sind.
Bisher war die Fertigung von automobilen Endbauteilen auf Grund der hohen Fertigungskosten bei
großen Stückzahlen nicht im Fokus der laseradditiven Fertigung. Durch die derzeit schnellen
Entwicklungen hinsichtlich Produktivität und Kosten des Verfahrens, ist ein wirtschaftlicher Einsatz
im Automobilbau absehbar. Durch die höhere Gestaltungsfreiheit der laseradditiven Fertigung
gegenüber dem Druckguss sowie der werkzeuglosen Fertigung, ist gerade bei variantenreichen
Bauteilen und Bauteilen mit vergleichsweise geringen Stückzahlen eine wirtschaftlichere Fertigung
bei gleichzeitig höherem Leichtbaugrad möglich. Ebenso bietet es sich an, mit individuellen 3D
gedruckten Patches sowie flexibel mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgebrachten Strukturen
bestehende Großserienbauteile zu verstärken und somit für den Einsatz in hochbelasteten
Sonderfahrzeugen zu konditionieren, ohne hierfür in teure Werkzeuge zu investieren.
Um die laseradditive Fertigung von bionischen Stahl-Leichtbauteilen im Automobilbau für
Kleinserienanwendungen einsetzbar zu machen, sind folgende Hürden identifiziert worden, die in
dem Projekt BioLAS überwunden werden sollen:
Bauteilauslegung: Großserienbauteile werden aktuell aus Kostengründen immer für den höchsten Lastfall ausgelegt (z.B. leistungsstarke Motorisierung, hohes Fahrzeuggewicht, etc.). Bauteile in Fahrzeugen mit geringer Leistung sind somit stets überdimensioniert.
Werkstoff: Es sind nur wenige automobile Stahllegierungen für LAM verfügbar.
2
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Fertigungskosten: Vergleichsweise geringe Prozessgeschwindigkeiten der laseradditiven Fertigung führen zu hohen Fertigungskosten, die sich nur bei geringen Stückzahlen rechnen.
Fügetechnik: Passende Fügetechniken und Verfahren für LAM-LAM Verbindungen oder Verbindungen von LAM und konventionellem Material sind derzeit wenig erforscht.
Pulver-Auftragschweißen: Das Pulver-Auftragschweißen bietet Potential zur individuellen lokalen Bauteilverstärkung von hochbelasteten Strukturen, ist im Automobilbau jedoch nicht detailliert erforscht.
Daher ist das Ziel des Projektes die Schaffung neuer Anwendungspotentiale der laseradditiven
Fertigung in der Automobilindustrie durch die Entwicklung von laseradditiv gefertigten (bionischen)
Stahlstrukturen im Karosseriebau. Der Fokus liegt dabei auf der lokalen Verstärkung von
Großserienbauteilen zum Einsatz in Kleinserien- oder Sonderfahrzeugen, wie z.B. High-
Performance-Varianten, Sonderschutzfahrzeugen, Cabrios, etc.
Inhalt und Projektablauf
Das Projekt BioLAS wird in einem Zeitraum vom 01.12.2016 – 31.05.2019 bearbeitet. Die
wesentlichen Projektinhalte sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Inhalte werden in die
Forschungsschwerpunkte Werkstoff, Design und hybride Bauweisen gegliedert. Innerhalb der
einzelnen Forschungsschwerpunkte sollen folgende Teilziele erreicht werden:
(1) Forschungsschwerpunkt Werkstoff:
Auswahl geeigneter automobiler LAM-Stahllegierung
LAM-Prozessentwicklung für automobile Stahllegierung
Verifikation von geeigneten Wärmebehandlungsstrategien für die LAM-Stahllegierung Ermittlung und Optimierung relevanter mechanisch-technologischer Kennwerte
(statische und dynamische Festigkeit, Bruchdehnung und Härte)
(2) Forschungsschwerpunkt Design:
Ermittlung von Fertigungsrestriktion der ausgewählten LAM-Stahllegierung (z.B. Mindestwandstärken, Notwendigkeit von Supportstrukturen, …)
Entwicklung von Leichtbauansätzen durch Adaptionen von Strukturbauweisen aus der Natur für LAM-Stahllegierung
Entwicklung von Designrichtlinien mit Fokus Design to Cost
(3) Forschungsschwerpunkt hybride Bauweise:
Erforschung der Laserschweißeignung zur Verbindung von LAM-Bauteilen mit konventionell gefertigten Strukturen
optische und mechanische Bewertung der Fügeverbindungen
Entwicklung von Designrichtlinien zur fügegerechten Schnittstellengestaltung Ableitung von Strategien zur kosteneffizienten und leichtbaugerechten
Hybridbauweise
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Grundlegende Entwicklung des Laser-Pulver-Auftragschweißens zur lokalen Verstärkung bestehender Serienbauteile
Darüber hinaus sollen die Entwicklungen an einem generischen Demonstrator verifiziert werden:
Konstruktion und Umsetzung eines LAM-Demonstratorbauteils in zwei Bauweisen: o geschweißter Demonstrator: Lokale Verstärkung konventionell gefertigter Bauteile
mittels Fügen mit individuellen leichtbauoptimierten LAM-Segmenten in Bereichen mit hoher Last
o mittels LPA verstärkter Demonstrator: Verstärkung hochbelasteter Serienbauteile durch lokales Auftragen von Verstärkungsstrukturen mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen.
Untersuchung des Leichtbaupotentials sowie der Wirtschaftlichkeit am Demonstratorbauteil
Nachweis der Prozessfähigkeit thermischer Fügetechnik am Demonstrator
Abbildung 1: Wesentliche Inhalte des BioLAS-Projektes
Die aufgeführten Forschungsschwerpunkte und die angestrebten Ziele werden im Rahmen des
Projektes in fünf entsprechenden Arbeitspaketen abgearbeitet. Die Arbeitspakete lauten:
1) Bauteilauswahl und Anforderungsdefinition
2) Materialentwicklung
3) Erarbeitung von Fertigungsrestriktionen und Entwicklung bionischer Designkonzepte
4) Hybride Bauweisen – Kombination von LAM & konventionellen Strukturen
5) Validierung am Demonstratorbauteil
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Die Ausführung und die Ergebnisse der genannten Arbeitspakete werden im Rahmen dieses
Berichtes vorgestellt. Die Ausarbeitung des Projekts erfolgt durch das Fraunhofer IAPT, unter
Absprache mit insgesamt 11 namenhaften Partnern aus der Automobilindustrie:
Volkswagen AG
Daimler AG
BMW AG
Benteler International AG
Ford-Werke GmbH
Kirchhoff Automotive GmbH
Porsche AG
Magna AG
ZF Friedrichshafen AG
EDAG Engineering GmbH
MAN Truck & Bus SE
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Wissenschaftlich-technische Ergebnisse
Arbeitspaket: Bauteilauswahl und Anforderungsdefinition
1.1. Auswahl von ein oder zwei Demonstratorbauteilen für das Projekt
Das erste Arbeitspaket des BioLAS-Projektes beschäftigt sich mit der Definition geeigneter
Demonstratoren. Für die spätere Validierung der erarbeiteten Ergebnisse werden zwei
unterschiedliche Baugruppen ausgewählt, welche sich hinsichtlich Leichtbau optimieren lassen.
Beide Baugruppen bestehen aus mehreren Blechen, welche im Rahmen des Projektes subsituiert
werden und im laseradditiven Prozess gefertigt werden sollen. Beim Kick-Off-Meeting des BioLAS-
Projektes werden folgende Demonstratorbauteile, in Abbildung 2 dargestellt, für die laseradditive
Fertigung von Stahl ausgewählt:
Lenksäulenanbindung (Volkswagen AG)
Substitution von Bauteilen in der hinteren Achsaufhängung (Porsche AG)
Abbildung 2: Demonstratorbauteile; links: Lenksäulenanbindung VW (Designspace in rot dargestellt), rechts: Bereich der hinteren Achsaufnahme (blau) im Porsche Panamera
1.2. Anforderungsliste für die Demonstratorbauteile
Für die auszuwählende Legierung gilt, dass diese im Gegensatz zu den auf den Markt erhältlichen
Stahllegierungen für die additive Fertigung keine außergewöhnlichen Eigenschaften wie eine
besonders hohe Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit aufweisen muss, sondern möglichst
kostengünstig sein soll. Der Werkstoff soll eine stabile Prozesssierbarkeit besitzen und neben den
Demonstratorbauteilen für andere Bauteile in der Automobilindustrie geeignet sein. Die
spezifischen mechanischen Anforderungen ergeben sich auf Basis der gewählten
Demonstratorbauteile, dabei werden keine Crashanforderungen betrachtet:
Werkstoff: niedriglegierter Stahl
Festigkeit: min. 450 MPa
Bruchdehnung: min. 17%
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Arbeitspaket: Materialentwicklung
2.1. Auswahl einer geeigneten LAM-Stahllegierung anhand des automobilen
Anforderungsprofils
Um eine geeignete Legierung für das Projekt auszuwählen, werden die Untersuchungen zunächst
mit drei verschiedenen Legierungen entsprechend des Anforderungsprofils gestartet. Dabei werden
verschiedene niedriglegierte Stähle, welche sich insbesondere durch den Kohlenstoff-, Mangan-
und Siliziumgehalt unterscheiden, ausgesucht:
(1) Blechlegierung HC380LA (1.0550)
(2) Stahlgusslegierung G17Mn5 (1.1131)
(3) Schweißzusatzlegierung G3Si1 (1.5125)
Die Auswahl der Legierungen erfolgt auf Basis der konventionellen mechanisch-technologischen
Eigenschaften, die den gestellten Anforderungen aus Arbeitspaket 1.2 entsprechen. Des Weiteren
wird insbesondere der HC380LA heutzutage vielfach in der Automobilindustrie verwendet. Die
Guss- und Schweißzusatzlegierung weisen in der Herstellung/Anwendung Ähnlichkeiten zum
additiven Fertigungsprozess auf. Im Folgenden werden die ausgewählten Legierungen im Detail
beschrieben.
(1) Blechlegierung: HC380LA (1.0550)
Dies ist eine typische Legierung der Automobilindustrie für Blechkonstruktionen, wie z.B. die
ausgewählten Demonstratorbauteile. Die mechanischen Eigenschaften werden hier größtenteils
über den Walzprozess eingestellt. Im Rahmen der Untersuchungen gilt es zu erkunden, ob durch
den laseradditiven Prozess ähnliche Eigenschaften erzielt werden können. Die chemische
Zusammensetzung sowie die mechanischen Kennwerte der Legierung nach DIN EN 10268 sind in
Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von HC380LA (1.0550) nach DIN EN 10268
Massenanteil C Mn Si P S Al Ti Nb
min. % - - - - - - - -
max. % 0,12 1,6 0,5 0,03 0,025 0,015 0,15 0,09
Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften von HC380LA (1.0550) nach DIN EN 10268
Eigenschaft Formelzeichen Einheit Kennwert
Streckgrenze Rp0,2 MPa 380 – 480
Zugfestigkeit RM MPa 440 – 580
Bruchdehnung A80 % 19
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
(2) Stahlgusslegierung: G17Mn5 (1.1131)
Durch das Aufschmelzen und Erstarren des Materials ist der Gussprozess der laseradditiven
Fertigung deutlich ähnlicher als der Herstellungsprozess von Blech. Gusslegierungen weisen einen
höheren Kohlstoffgehalt auf. Hier gilt es zu untersuchen inwiefern diese Zusammensetzung Einfluss
auf die Verarbeitbarkeit der Legierung hat. In Tabelle 3 und
Tabelle 4 sind die chemische Zusammensetzung sowie die mechanischen Kennwerte der Legierung
nach DIN EN 10293 dargestellt.
Tabelle 3: Chemische Zusammensetzung von G17Mn5 (1.1131) nach DIN EN 10293
Massenanteil C Mn Si P S Al Ti Nb
min. % 0,15 1,0 - - - - - -
max. % 0,2 1,6 0,6 0,02 0,02 - - -
Tabelle 4: Mechanische Eigenschaften von G17Mn5 (1.1131) nach DIN EN 10293
Eigenschaft Formelzeichen Einheit Kennwert
Streckgrenze Rp0,2 MPa 240
Zugfestigkeit RM MPa 450 - 600
Bruchdehnung A % 24
(3) Schweißzusatzlegierung: G3Si1 (1.5125)
Eine Schweißzusatzlegierung zeichnet sich durch eine sehr gute Schweißbarkeit aufgrund eines
geringen Kohlenstoffgehalts aus. Weiterhin wird der Werkstoff aufgeschmolzen, erstarrt mit einer
hohen Abkühlgeschwindigkeit und ist damit dem laseradditiven Prozess ähnlich. Dieser
Schweißzusatz wird oft in der Automobilindustrie verwendet. Es gilt zu untersuchen, ob sich die
gute Schweißbarkeit des Materials positiv auf die Prozessierbarkeit der Legierung in der additiven
Fertigung auswirkt. In Tabelle 5 und Tabelle 6 sind die chemische Zusammensetzung sowie die
mechanischen Kennwerte der Legierung nach DIN EN 14341 dargestellt.
Tabelle 5: Chemische Zusammensetzung von G3Si1 (1.5125) nach DIN EN 14341
Massenanteil C Mn Si P S Al Ti Nb Cr/Mo+Ti+Zr
min. % 0,06 1,3 0,7 - - - - - -
max. % 0,14 1,6 1 0,025 0,025 0,02 0,35 0,03 0,15
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Tabelle 6: Mechanische Eigenschaften von G3Si1 (1.5125) nach DIN EN 14341
Eigenschaft Formelzeichen Einheit Kennwert
Streckgrenze Rp0,2 MPa 420
Zugfestigkeit RM MPa 500 - 570
Bruchdehnung A % 25
2.2. Parameterentwicklung für prozesssichere Verarbeitung der automobilen
Stahllegierung im pulverbettbasierten LAM-Prozess
Die Parameterentwicklung wird in drei Schritten durchgeführt. Dabei werden die Pulver zunächst
hinsichtlich verschiedener Kriterien wie die Partikelgrößenverteilung untersucht. Im Anschluss wird
die grundsätzliche Verarbeitbarkeit geprüft und eine Legierung für die weitere Untersuchung im
Projekt ausgewählt. Im letzten Schritt werden die Parameter des ausgewählten Materials
hinsichtlich Produktivität optimiert. Die Pulver werden zu ca. 190 € pro Kilogramm von einem
entsprechenden Hersteller bezogen.
2.2.1. Schritt 1: Pulvercharakterisierung
Im ersten Schritt wird eine Pulvercharakterisierung der drei ausgewählten Legierungen
durchgeführt. Dazu werden die Partikelgrößenverteilung, die Morphologie des Pulvers sowie das
Fließverhalten analysiert. Dies ist notwendig, um die generelle Eignung der Pulver für den
laseradditiven Fertigungsprozess zu untersuchen. Die Partikelgrößenverteilung wird mittels
Laserbeugung (Beckman Coulter, LS133320) bestimmt. Aus Tabelle 7 und Abbildung 3 ist
erkennbar, dass alle drei Legierungen eine ähnliche Partikelgrößenverteilung zeigen. Diese
entspricht der Angabe des Herstellers.
Tabelle 7: Partikelgrößenverteilung der drei Startlegierungen
Partikelverteilung HC380LA G17Mn5 G3Si1
D10 18,95 µm 18,33 µm 19,14 µm
D50 31,07 µm 31,05 µm 31,26 µm
D90 46,70 µm 47,72 µm 48,09 µm
Hersteller (D50) 30,50 µm 31,90 µm 30,10 µm
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 3: Partikelgrößenverteilung der drei Startlegierungen
Die Morphologie der Pulver wird in einem Rasterelektronenmikroskop (Zeiss Supra VP 55) ermittelt.
Alle Pulver weisen, wie in Abbildung 4 gezeigt, sphärische und mitunter entartete Partikeln auf.
Abbildung 4: REM-Aufnahmen in 1000facher Vergrößerung; links: HC380LA, mittig: G17Mn5, rechts: G3Si1
Die Messung der Fließeigenschaften nach DIN EN ISO 4490 sowie die Ermittlung der Schüttdichte
nach DIN EN ISO 3923 zeigen bei allen drei Legierungen ähnliche Ergebnisse. Wie aus Tabelle 8
ersichtlich, fließen je 50 g der Pulver innerhalb von 16 s bzw. 17 s durch einen trichterförmigen
Zylinder. Die Schüttdichte beträgt bei allen Materialien rund 50%.
Tabelle 8: Fließverhalten und Schüttdichte der drei Startlegierungen
Eigenschaft HC380LA G17Mn5 G3Si1
Fließverhalten 16 s/(50 g) 17 s/(50 g) 17 s/(50 g)
Schüttdichte 49 % 49 % 47 %
10µm 10µm 10µm
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Zusammenfassend zeigen die Pulver auf Basis der durchgeführten Pulvercharakterisierung ähnliche
Eigenschaften und sind generell für den laseradditiven Prozess geeignet. Im zweiten Schritt wird
die Verarbeitbarkeit der Pulver überprüft.
2.2.2. Schritt 2: Überprüfung der Verarbeitbarkeit des Pulvers
Zur Überprüfung der Verarbeitbarkeit werden mit allen Materialien Versuche auf pulverbasierten
laseradditiven Anlagen durchgeführt, um deren Verhalten zu analysieren. Dazu erfolgen folgende
Versuche:
(1) Mehrspurversuche (TruPrint 1000, Trumpf)
(2) Dichtewürfel (TruPrint 1000, Trumpf)
(3) Dichtewürfel (SLM 250, SLM Solutions Group AG)
Mehrspurversuche werden für die Eingrenzung des genauer zu analysierenden Parameterfensters
genutzt. Es wird daher eine große Bandbreite verschiedener Parameterkombinationen getestet und
durch optische Bewertung des Aufschmelzgrads werden Rückschlüsse auf die eingestellten
Parameter gezogen. Die anschließende Fertigung von Dichtewürfeln ermöglicht es aus diesem
eingegrenzten Parameterfenster einen geeigneten Parameter mittels Oberflächen- und
Dichtebewertung auszuwählen. Die Dichtewürfel werden auf zwei unterschiedlichen Anlagen
gefertigt. Die TruPrint 1000 (Trumpf) gestattet aufgrund des einfachen Aufbaus schnelle
Materialwechsel. Aus diesem Grund werden auf dieser Anlage die ersten Versuche durchgeführt.
Im weiteren Verlauf des Projekts wird jedoch eine Anlage mit größerem Bauraum für die Fertigung
der Demonstratorbauteile benötigt. Diesen bietet wie aus Tabelle 9 erkennbar die SLM 250 der
SLM Solutions Group AG mit 250 x250 x 250 mm. Des Weiteren unterscheiden sich die Anlagen
durch den verwendeten Fokusdurchmesser und die maximale Laserleistung.
Tabelle 9: Unterschiede zwischen der TruPrint 1000 (Trumpf) und der SLM 250 (SLM Solutions Group AG)
Kennwert Einheit TruPrint 1000 SLM 250
Fokusdurchmesser µm 55 83 (bzw. flexibel)
Max. Laserleistung W 200 1000
Bauraumgröße mm x mm x mm Ø99 x 90 250 x 250 x 250
Im Folgenden werden die durchgeführten Versuche detaillierter beschrieben und die
dazugehörigen Erkenntnisse betrachtet.
(1) Mehrspurversuche (TruPrint 1000)
Für jede der drei Legierungen werden 147 verschiedene Parameterkombinationen in Form von
Mehrspurversuchen untersucht. Dabei werden, wie in Tabelle 10 dargestellt, in einem
vollfaktoriellen Versuchsplan die Laserleistung (7 Stufen), Scangeschwindigkeit (7 Stufen) und der
Hatchabstand (3 Stufen) variiert. Die gewählte Schichtdicke beträgt 30 µm.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 10: Vollfaktorieller Versuchsplan für die Mehrspurversuche
Parameter Einheit Werte
Laserleistung PL W 25 50 75 100 125 150 175
Scangeschwindigkeit vS mm/s 200 400 600 800 1000 1200 1400
Hatchabstand hs mm 0,07 0,09 0,11
Die Abmaße der Proben betragen 10 mm x 10 mm bei 1 mm Höhe. Insgesamt werden pro
Legierung sieben Bauplattformen mit je 21 Proben gefertigt. Neben einer fotografischen
Dokumentation, wird die Oberfläche jeder Probe unter einem Auflichtmikroskop untersucht
(Keyence VHX-J20T). Anhand der Mikroskopaufnahmen kann identifiziert werden, ob das Pulver
während des Prozess aufgeschmolzen wird. Insgesamt zeigen alle drei Legierungen bei den
gewählten Parametern ein ähnliches Verhalten. Es lässt sich, wie in Abbildung 5 dargestellt, eine
Abhängigkeit der Oberflächenstruktur von der eingebrachten Energie feststellen.
Abbildung 5: Aufsichten unter einem Mikroskop am Beispiel des HC380LA: o.l. geringe Volumenenergie; o.r. mittlere Volumenenergie; u.l. hohe Volumenenergie; u.r. sehr hohe Volumenenergie
Um das Pulver vollständig aufzuschmelzen, muss mindestens eine Volumenenergie
(EV = PL/(vScan∙hS∙Schichtdicke)) von ca. 75 J/mm³ eingebracht werden. Dabei ist es, wie beispielhaft
in Abbildung 6 dargestellt, erforderlich, dass mindestens eine Laserleistung von 150 W genutzt
wird, um eine ebene Oberfläche zu schaffen. Die gewählten Hatchabstände zeigen keinen
erheblichen Einfluss auf die Oberflächenstruktur der Proben.
EV = 419 J/mm³ EV = 81 J/mm³
EV = 38 J/mm³ EV = 9 J/mm³
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
PL= 50 W vScan= 200 mm/s; hS= 0,07 mm EV = 119 J/mm³
PL= 100 W vScan= 200 mm/s; hS= 0,07 mm EV = 238 J/mm³
PL= 150 W vScan= 200 mm/s; hS= 0,07 mm EV = 357 J/mm³
Abbildung 6: Abhängigkeit der Oberflächenstruktur von der eingebrachten Leistung am Beispiel des HC380LA
Zusammenfassend lassen sich aus den Mehrspurversuchen folgende Aussagen für die Fertigung
von Dichtewürfeln treffen, um einen stabilen Aufbau und hohe Dichten zu garantieren:
Volumenenergie ≥ 75 J/mm³
Laserleistung ≥ 150 W
(2) Dichtewürfel (TruPrint 1000, Trumpf)
Die Fertigung der Dichtewürfel auf der TruPrint 1000 erfolgt nach einem vollfaktoriellen
Versuchsplan bei einer Schichtdicke von 30 µm, in Tabelle 11 dargestellt. Für jede Legierung werden
zwei Bauplattformen mit insgesamt 24 Würfeln (10 x 10 mm² und 12 mm Höhe) gefertigt.
Tabelle 11: Vollfaktorieller Versuchsplan für die Dichtewürfel auf der TruPrint 1000
Parameter Einheit Werte
Laserleistung PL W 150 175
Scangeschwindigkeit vS mm/s 100 200 400 700
Hatchabstand hs mm 0,05 0,07 0,09
Neben einer fotografischen Dokumentation, wird die Oberfläche jeder Probe unter einem
Auflichtmikroskop untersucht. Anschließend werden die Proben in Aufbaurichtung geteilt, warm
eingebettet (Struers Cito-Press1, bei 180°C, 250 bar und 5,5 min) und geschliffen sowie poliert
(Struers Tegramin 30). Eine mikroskopische Untersuchung gibt Aufschluss über die Dichte der
Proben.
Die maximal untersuchte Aufbaurate im gewählten Versuchsplan beträgt 6,8 cm³/h. Dabei ergibt
sich die Aufbaurate als Produkt aus Scangeschwindigkeit, Hatchabstand und Schichtdicke. Bei allen
Legierungen kann unter dieser Aufbaurate, wie in Abbildung 7 dargestellt, eine Dichte größer
99,5 % erreicht werden.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 7: Querschliffe von Dichtewürfeln (TruPrint 1000) bei der maximal untersuchten Aufbaurate von 6,8 cm³/h
Die Aufbaurate ist mit 6,8 cm³/h jedoch deutlich zu gering für eine wirtschaftliche Fertigung in der
Automobilindustrie. Die SLM 250 bietet, neben dem größeren Bauraum den Vorteil, dass infolge
der verfügbaren Leistung bis zu 1000 W und der somit auch an die Volumenenergie angepassten
höheren Scangeschwindigkeiten die Produktivität gesteigert werden kann. Aus diesen Gründen
werden weitere Untersuchungen auf der SLM 250 durchgeführt.
(3) Dichtewürfel (SLM 250, SLM Solutions)
Es werden je Legierung 48 Würfel (10 x 10 mm² bei 12 mm Höhe) auf einer Bauplattform gefertigt.
Dabei werden die Würfel mit der höchsten Volumenenergie am nächsten zum Gasauslass
positionieret und als erstes belichtet. Der Versuchsplan wird auf Basis der vorangegangenen
Versuche sowie von Erfahrungswerten erstellt. Dabei wird, wie in Tabelle 12 gezeigt, das gesamte
Leistungsspektrum untersucht. Die Scangeschwindigkeiten werden der jeweiligen Leistung
angepasst, sodass sich die eingebrachte Volumenenergie auf mindestens 75 J/mm³ berechnet.
Tabelle 12: Versuchsplan für die Dichtewürfel auf der SLM 250
Parameter Einheit Werte
Laserleistung PL W 175 300 400 500 600 700 800 900
Scangeschwindigkeit vS mm/s 200 - 1600
Hatchabstand hs mm 0,11 0,13
Für die Dokumentation der Proben werden diese fotografiert, Nahaufnahmen der Oberflächen
erstellt und dergleichen metallograhischen Präparation wie die vorherigen Dichtewürfel (TruPrint
1000) unterzogen. Die maximal untersuchte Aufbaurate im gewählten Versuchsplan beträgt
22,5 cm³/h. Auch hier kann für jede Legierung unter dieser Aufbaurate eine Dichte größer 99,5 %
erzeugt werden, siehe Abbildung 8. Im Vergleich dazu beträgt die typische Aufbaurate von 1.4404
ca. 13 cm³/h bei einer Schichtdicke von 30 µm, sodass die ermittelten Werte im Vergleich als sehr
gute Ergebnisse eingeschätzt werden können.
HC380LA (Dichte: 99,93 %) Volumenenergie: 93 J/mm³
G17Mn5 (Dichte: 99,82 %) Volumenenergie: 79 J/mm³
G3Si1 (Dichte: 99,59 %)
Volumenenergie: 79 J/mm³
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 8: Schliffproben von Dichtewürfeln (SLM 250) bei der maximal untersuchten Aufbaurate von 22,5 cm³/h
Entscheidung für eine Legierung
Alle drei Legierungen zeigen weiterhin sehr gute, aber auch sehr ähnliche Ergebnisse. Eine
Entscheidung für eine Legierung ist auf Basis der bisher generierten Ergebnisse wissenschaftlich als
auch wirtschaftlich (Kosten der einzelnen Legierungen unterscheiden sich nur geringfügig)
schwierig. Aus diesem Grund werden folgende Untersuchungen durchgeführt, um eine geeignete
Legierung für die weiteren Arbeitspakete zu identifizieren:
(1) Untersuchung der Härte im As-Built-Zustand sowie Betrachtung des Gefüges
(2) Untersuchung der Härte nach einer initialen Wärmebehandlung sowie Betrachtung des
Gefüges
(3) Chemische Analyse des Materials (vor und nach dem Prozess)
Durch die Umrechnung von ermittelten Härten kann nach DIN EN ISO 18265 eine Aussage über
die zu erwartende Festigkeit von Materialien getroffen werden. Dabei wird bei den As-built Proben,
prozessbedingt durch die hohe Abkühlrate, eine hohe Festigkeit bei geringer Bruchdehnung
vermutet. Daher sollte die Festigkeit der ausgewählten Legierung am höchsten sein, denn diese
wird infolge einer nachfolgenden Wärmebehandlung sinken, um die geringe Bruchdehnung zu
steigern. Zusätzlich wird dementsprechend eine initiale Wärmebehandlung für die drei Legierungen
durchgeführt, um dieses erforderliche Verhalten der Werkstoffe zu prüfen. Durch die Begutachtung
des Gefüges und eine chemische Analyse können weitere Rückschlüsse auf das Verhalten des
Materials getroffen werden.
(1) Untersuchung der Härte im As-Built-Zustand
Für die Untersuchung der Härte werden jeweils die Proben gewählt, welche unter der höchsten
Aufbaurate die höchste Dichte zeigen (entspricht den Proben aus Abbildung 8). Die Prüfung erfolgt
an einer Vickers-Härteprüfmaschine. Die Ergebnisse der Härtemessung sowie die Umrechnung in
die zu erwartende Festigkeit der Proben sind in Tabelle 13 dargestellt. Im As-Built-Zustand erreichen
alle Proben eine hohe Härte/Festigkeit, wobei HC380LA mit einer Härte von 360 HV5 bzw. einer
errechneten Festigkeit von 1155 MPa die größten Werte aufweist.
HC380LA (Dichte: 99,96 %) Volumenenergie: 80 J/mm³
G17Mn5 (Dichte: 99,93 %) Volumenenergie: 80 J/mm³
G3Si1 (Dichte: 99,79 %) Volumenenergie: 144 J/mm³
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 13: Ergebnisse der Härtemessung im As-Built-Zustand
Eigenschaft Einheit HC380LA G17Mn5 G3Si1
Härte HV5 360 310 265
errechnete Festigkeit MPa 1155 995 850
Um das Gefüge der gewählten Proben zu beurteilen, werden diese fünf Sekunden mit 3%igem
Nital geätzt. Eine anschließende Untersuchung unter einem Mikroskop (Olympus GX51) zeigt, wie
in Abbildung 9 dargestellt, dass der HC380LA sowie der G17Mn5 ein feinnadliges martensitisches
Gefüge aufweisen. Die Legierung G3Si1 hat hingegen ein Zwischenstufengefüge ausgebildet.
Abbildung 9: Gefüge bei 1000facher Vergrößerung (As-Built-Zustand): links: HC380LA, mittig: G17Mn5, rechts: G3Si1
(2) Untersuchung der Härte nach einer initialen Wärmebehandlung sowie Betrachtung des
Gefüges
Um mögliche Einflüsse einer Wärmebehandlung auf die Härte bzw. Festigkeit sowie auf das Gefüge
zu untersuchen, werden die gewählten Proben unter Schutzgas (Argon) bei ca. 960°C eine Stunde
lang normalisiert. Ein anschließende Härtemessung zeigt, wie in Tabelle 14 dargestellt, dass die
Wärmebehandlung eine Reduzierung der Härte und somit der Festigkeit zu Folge hat. Diese
Entwicklung ist gewünscht und entspricht der Reaktion konventionell gefertigter Bauteile. Im
Vergleich zu den herkömmlichen Festigkeitswerten zeigen die additiv gefertigten Proben ähnliche
Festigkeitswerte.
Tabelle 14: Ergebnisse der Härtemessung im wärmebehandelten Zustand
Eigenschaft Einheit HC380LA G17Mn5 G3Si1
Härte HV5 166 146 138
errechnete Festigkeit MPa 530 465 450
konv. Festigkeit nach DIN MPa 440 - 580 450 - 600 500 - 570
Auch das Gefüge hat sich in Folge der Wärmebehandlung entsprechend der Erwartungen
gewandelt. Wie in Abbildung 10 erkennbar, weisen alle drei Legierungen ein ferritisch-perlitisches
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Gefüge auf. Dabei ist zu beachten, dass das Gefüge des HC380LA am feinkörnigsten ausgebildet
ist und somit zu einer höheren Festigkeit führt. Ebenfalls ist zu erwarten, dass sich aufgrund des
feineren Gefüges, im Gegensatz zu den anderen beiden Legierungen, eine höhere Bruchdehnung
ergibt.
Abbildung 10: Gefüge bei 1000facher Vergrößerung (nach der Wärmebehandlung): links: HC380LA, mittig: G17Mn5, rechts: G3Si1
(3) Chemische Analyse der Materialien (vor und nach dem Prozess)
Um die chemische Zusammensetzung des Pulvers als auch des Festkörpers nach dem Prozess zu
überprüfen, werden für jedes Material Proben mit dem ICP-OES-Verfahren untersucht. Der
Kohlenstoffgehalt wird im Heißextraktionsverfahren bestimmt. Wie in Tabelle 15 zu erkennen,
entspricht das Pulver größtenteils den Angaben des Herstellers. Weiterhin wird deutlich, dass die
Zusammensetzung nur minimal durch den Prozess (bei den gewählten Parametern) beeinflusst wird
und sich alle Anteile innerhalb der Spezifikation befinden (vgl. Tabelle 1, Tabelle 3 und Tabelle 5).
Lediglich der Kohlenstoffgehalt vom G17Mn5 liegt mit 0,13 % außerhalb der Grenzen von 0,15 –
0, 2 % (nach DIN EN 10293). Dies sowie der geringere Mangangehalt erklärt die geringere Härte
gegenüber dem HC380LA im As-Built-Zustand.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 15: Chemische Analyse der Materialien vor und nach dem Prozess
HC380LA (1.0550) Einheit C Mn Si Al Ti Nb
Herstellerangabe wt% 0,12 1,6 0,5 0,015 0,15 0,09
Messung Pulver wt% 0,11 1,5 0,43 <0,01 0,08 0,09
Messung Festkörper wt% 0,11 1,5 0,52 0,06 0,082 0,094
G17Mn5 (1.1131) Einheit C Mn Si Al Ti Nb
Herstellerangabe wt% 0,16 1,4 0,5 - - -
Messung Pulver wt% 0,13 1,3 0,47 <0,01 <0,005 <0,005
Messung Festkörper wt% 0,13 1,2 0,49 <0,01 <0,005 <0,005
G3Si1 (1.5125) Einheit C Mn Si Al Ti Nb
Herstellerangabe wt% 0,08 1,4 0,85 - - -
Messung Pulver wt% 0,07 1,3 0,77 <0,01 <0,005 <0,005
Messung Festkörper wt% 0,08 1,3 0,83 <0,01 <0,005 <0,005
Zusammenfassend wird auf Basis aller Versuche die Legierung HC380LA für die weitere
Untersuchung auserwählt, da:
höchste Härte sowie daraus errechnete Festigkeit nach der Wärmebehandlung
das wärmebehandelte Gefüge weist auf eine erhöhte Bruchdehnung hin
artgleiche Schweißung für AP4
Abschließend sind die wichtigsten Parameter zur Verarbeitung von HC380LA auf der SLM 250 in
Tabelle 16 zusammengefasst. Die Schichtdicke beträgt 30 µm und die Aufbaurate 22,5 cm³/h.
Tabelle 16: Zusammenfassung der wesentlichen Parameter zur laseradditiven Verarbeitung von HC380LA auf der SLM 250 (SLM Solutions Group AG)
Kennwert Einheit Wert
Partikelgrößenverteilung µm 20 – 45
Schichtdicke µm 30
Laserleistung W 500
Scangeschwindigkeit mm/s 1600
Hatchabstand mm 0,13
Aufbaurate cm³/h 22,5
Volumenenergie J/mm³ 80
Erreichte Dichte % 99,96
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
2.2.3. Schritt 3: Optimierung der Prozessparameter
Im dritten Schritt werden die bereits gefundenen Parameter für die Legierung HC380LA hinsichtlich
Produktivität optimiert. Insbesondere für die Nutzung der additiven Fertigung in der
Automobilindustrie ist es wesentlich, die Produktivität so hoch wie möglich zu gestalten, um die
Kosten zu reduzieren. Da der gefundene Parametersatz mit 30 µm Schichtdicke arbeitet, wird nun
die Entwicklung eines 60 µm Parametersatzes angestrebt, um die Produktivität zu erhöhen.
Dazu wird eine neue Pulvercharge verwendet. Diese wird aus wirtschaftlichen Gründen von einem
anderen Hersteller bezogen. Der Preis pro Kilogramm HC380LA-Pulver beträgt hier ca. 50 € und
die Lieferzeit ist im Gegensatz zur ersten Charge deutlich kürzer. Zur Bewertung werden
entsprechend der ersten Charge die Eigenschaften des Pulvers untersucht. In Tabelle 17 werden
die Partikelgrößenverteilung, das Fließverhalten und die Schüttdichte gegenübergestellt. Es werden
geringfügige Unterschiede deutlich. Beispielsweise ist die Verteilung der Pulverpartikel bei der
zweiten Charge hin zu größeren Körnern verschoben. Die Hälfte der Partikel ist kleiner als 36 µm,
bei der ersten Charge kleiner als 31,1 µm.
Tabelle 17: Eigenschaften des HC380LA-Pulvers
Eigenschaft Einheit Charge 1 Charge 2
D10/D50/D90 µm 19,0 / 31,1 / 46,7 27,4 / 36,0 / 47,4
Fließverhalten s/(50g) 16 13
Schüttdichte % 49 54
Die Verschiebung der Partikelgrößenverteilung zu größeren Durchmessern wird auch bei der
Untersuchung der Morphologie durch das Rasterelektronenmikroskop, siehe Abbildung 11,
erkennbar. Die Form der Partikel ist in beiden Chargen, wie gefordert, überwiegend sphärisch.
Abbildung 11: REM-Aufnahmen von HC380LA-Pulver in 1000facher Vergrößerung; links: Charge 1, rechts: Charge 2
Aufgrund technischer Probleme der Anlage SLM 250 der SLM Solutions Group AG, muss die
Concept M2 der Concept Laser GmbH für die weiteren Untersuchungen im Projekt genutzt
werden. In der Tabelle 18 sind die Unterschiede der beiden Anlagen dargestellt. Dabei ist
insbesondere die Differenz der Laserleistung hervorzuheben. Die Concept M2 hat im Gegensatz
19
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
zur SLM 250 nur 370 W statt 1000 W zur Verfügung. Dem gegenübergestellt arbeitet die
Concept M2 mit zwei Lasern, was eine Steigerung der Produktivität trotz geringerer Laserleistung
verspricht.
Tabelle 18: Unterschiede zwischen der SLM 250 (SLM Solutions Group AG) und der Concept M2 (Concept Laser GmbH)
Kennwert Einheit SLM 250 Concept M2
Fokusdurchmesser µm flexibel flexibel
Max. Laserleistung W 1000 370
Bauraumgröße mm x mm x mm 250 x 250 x 250 250 x 250 x 250
Da der Parametersatz für HC380LA auf der SLM 250 mit 500 W arbeitet, kann der Parameter nicht
ohne Anpassungen auf die Concept M2 übertragen werden. Aus diesem Grund wird zunächst eine
Versuchsreihe mit der Maximalleistung der Concept M2, 370 W, durchgeführt. Hierbei wird
entsprechend der als günstig ermittelten Volumenenergie die Scangeschwindigkeit zwischen
200 mm/s und 1300 mm/s und der Hatchabstand zwischen 0,07 mm und 0,13 mm variiert.
Insgesamt werden 48 Dichtewürfel (10 mm x 10 mm x 10 mm) gefertigt und das Gefüge unter
dem Mikroskop analysiert. In Abbildung 12 ist das Schliffbild des besten Parameters, gemessen an
Dichte und Aufbaurate, dargestellt. Es wird eine Dichte von 99,99 % bei einer Aufbaurate von
17,5 cm³/h, bei Verwendung eines Lasers, erreicht.
Abbildung 12: Versuchsreihe 1 – Concept M2; Schliffbild HC380LA mit 99,99 % Dichte
Im Laufe von weiteren Fertigungen zeigt sich jedoch, dass dieser vielversprechende Parametersatz
bei größeren und vor allem höheren Bauteilen zu starken Verfärbungen und ungenügenden Down-
Skin-Flächen führt. Aus diesem Grund wird eine zweite Versuchsreihe durchgeführt. Hierbei wird
basierend auf den Erfahrungswerten des Fraunhofer IAPT der Fokusdurchmesser des Lasers von
80 µm auf 100 µm vergrößert. Die Laserleistung wird auf 250 W festgelegt. Die
Scangeschwindigkeit zwischen 600 mm/s und 1100 mm/s und der Hatchabstand zwischen
0,09 mm und 0,11 mm variiert. Wie auf Abbildung 13 erkennbar, kann im Rahmen dieser
Versuchsreihe ebenfalls ein geeigneter Parametersatz identifiziert werden. Die Dichte beträgt
99,96 % und die Aufbaurate ist mit 19,5 cm³/h (ein Laser) sogar gestiegen.
20
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 13: Versuchsreihe 2 – Concept M2; Schliffbild HC380LA mit 99,96% Dichte
Im Laufe von weiteren Untersuchungen können diesem Parametersatz positive Eigenschaften
zugesprochen werden, welche in den nächsten Arbeitspaketen ausführlich behandelt werden. In
Tabelle 20 sind die wichtigsten Parameter zu Verarbeitung von HC380LA auf einer Concept M2
Anlage mit 60 µm Schichtdicke zusammengefasst.
Tabelle 19: Zusammenfassung der wesentlichen Parameter zur laseradditiven Verarbeitung von HC380LA auf einer Concept M2 (Concept Laser GmbH)
Kennwert Einheit Wert
Partikelgrößenverteilung µm 20 – 45
Schichtdicke µm 60
Laserleistung W 250
Scangeschwindigkeit mm/s 1000
Hatchabstand mm 0,09
Aufbaurate cm³/h 19,5 (ein Laser)
Volumenenergie J/mm³ 53
Erreichte Dichte % 99,96
2.3. Verifikation geeigneter Wärmebehandlungen
Bei der laseradditiven Fertigung von Stahl ist zu erwarten, dass die entstehenden Bauteile aufgrund
der schnellen Abkühlung hart und spröde vorliegen. Um diesen Zustand zu verändern, werden in
diesem Arbeitspaket verschiedene Wärmebehandlungen definiert und untersucht. Ziel ist es hierbei
die Härte bzw. Festigkeit zu senken und die Bruchdehnung zu erhöhen.
Im Rahmen des Projektes werden drei unterschiedliche Wärmebehandlungen durchgeführt. Diese
werden basierend auf Erfahrungswerten mit Stahlwerkstoffen ausgewählt:
(1) Normalisieren
(2) Anlassen
(3) Duplex-Glühen
21
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Für alle Wärmebehandlungen, inklusive des As-built-Zustandes, werden Zugprüfkörper zur
Ermittlung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms hergestellt. Die Prüfkörper sind Flachzugproben
nach DIN EN ISO 6892-1 mit einer Anfangsmesslänge von 30 mm (A30-Proben). Diese werden in
Form von Quadern 105 mm x 9 mm x 1,5 mm additiv gefertigt und anschließend durch den
Projektpartner Kirchhoff Automotive in Form gefräst. Außerdem wird jeweils ein additiv gefertigter
Würfel (10 mm x 10 mm x 10 mm) zur Verfügung gestellt, um das Gefüge und die Härte zu
analysieren. Die Wärmebehandlungen werden im Nabertherm N41/H im Begasungskasten
durchgeführt. Um Verzunderungen zu vermeiden werden die Proben unter Argon in Stahlfolie
eingewickelt behandelt.
(1) Normalisieren
Beim Normalisieren werden die Proben eine Stunde bei 940°C, oberhalb von AC3, geglüht.
Anschließend werden die Proben an Luft abgekühlt. Es wird ein feinkörniges Gefüge aus Ferrit und
Perlit mit stark erhöhter Bruchdehnung erwartet.
(2) Anlassen
Beim Anlassen werden die Proben über eine Dauer von einer Stunde bei 600°C, unterhalb von AC1,
im Ofen gehalten. Anschließend erfolgt die Abkühlung langsam im Ofen. Es wird ein nadelförmiges
Strukturbild als ein feines Gemisch von Ferrit- und Zementit-Teilchen mit leicht verringerter
Festigkeit erwartet.
(3) Duplex-Glühen
Beim Duplex-Glühen werden die Proben bei 820°C, oberhalb von AC1 und unterhalb von AC3, für
eine Stunde geglüht. Anschließend werden die Proben an Luft abgekühlt. Es wird ein Gefüge
bestehend aus Ferrit und Martensit erwartet.
In Abbildung 14 sind die Ergebnisse der Zugversuche, durchgeführt vom Projektpartner Kirchhoff
Automotive, dargestellt. Es wird deutlich, dass wie erwartet, die As-built-Proben mit im Mittel
799 MPa die höchste Festigkeit bei gleichzeitig einer geringen Bruchdehnung von 3 % aufweisen.
22
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 14: Spannungs-Dehnungsdiagramme für HC380LA bei unterschiedlichen
Wärmebehandlungsstrategien
Die Wärmebehandlungen erfüllen die beschriebenen Erwartungen, die Zugfestigkeiten werden bei
gleichzeitiger Erhöhung der Bruchdehnungen gesenkt. In Tabelle 20 sind die Kennwerte der
einzelnen Wärmebehandlungen im Vergleich zum As-built-Zustand dargestellt. Durch das Anlassen
wird die Festigkeit auf 610 MPa gesenkt, jedoch wird die Bruchdehnung mit 7,5 % nicht im
ausreichenden Maße entsprechend der Anforderungen erhöht. Die gewünschte Bruchdehnung von
17 % bei genügender Festigkeit von mindestens 450 MPa kann durch das Normalisieren und das
Duplex-Glühen eingestellt werden. Hier werden Zugfestigkeiten von ca. 440 MPa und
Bruchdehnungen von mind. 19 % erreicht. Das aus den Zugversuchen ermittelte Elastizitätsmodul
beträgt bei allen Proben durchschnittlich 165 GPa.
Die Betrachtung des Gefüges und der Härte betätigen ebenfalls die Erwartungen. Die Härte kann
infolge der Wärmebehandlungen von über 300 HV5 auf ca. 150 HV5 durch Normalisieren und
Duplex-Glühen reduziert werden. Das Gefüge der As-built-Proben ist martensitisch geprägt. Durch
den Anlassprozess werden Spannungen abgebaut, das martensitische Strukturbild bleibt jedoch
erhalten. Erst bei höheren Temperaturen erfolgt die Umwandlung des Martensits in ein ferritisch-
perlitisches Gefüge.
Auf Basis der Ergebnisse wird sich für die weiteren Untersuchungen für das Normalisieren
entschiedenen. Das Gefüge sowie die mechanischen Kennwerte entsprechen den Erwartungen und
Anforderungen. Außerdem ist das Normalisieren im Gegensatz zum Duplex-Glühen ein typischer,
oft angewendeter Prozess bei der Verarbeitung von Stahl.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5 10 15 20 25 30
Span
nu
ng
in
MPa
Dehnung in %
unbehandelt Normalisieren Anlassen Duplex-Glühen
23
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 20: Kennwerte von HC380LA bei unterschiedlichen Wärmebehandlungen
Kennwerte As-built Normalisieren Anlassen Duplex-Glühen
Zugfestigkeit RM 799 MPa 436 MPa 610 MPa 443 MPa
Streckgrenze ReH 799 MPa 288 MPa 594 MPa 209 MPa (Rp0,2)
Bruchdehnung Ag 3 % 19 % 7,5 % 20 %
Bruchdehnung A30 7,7 % 27,7 % 11,9 % 26,7 %
Vickers-Härte 328 HV5 148 HV5 242 HV5 149 HV5
Gefüge
2.4. Ermittlung der mechanisch-technologischen Eigenschaften
Nach Festlegung der Wärmebehandlung wird in statischen und dynamischen Tests der Einfluss der
Oberflächenstruktur analysiert. Dazu werden die Proben gefertigt, wärmebehandelt und:
(1) As-built belassen
(2) Abrasiv und verfestigend gestrahlt
(3) Spanend nachbearbeitet
Die Zugprüfkörper für die statischen Tests werden zur Vergleichbarkeit nach dergleichen Norm wie
in Arbeitspaket 2.3 herstellt und geprüft. Dafür werden die Proben (1) und (2) in 90° Winkel zur
Plattform additiv gefertigt. Das anschließende Strahlen erfolgt manuell in Strahlkabinen des Typs
Peenmatic Micro 620 S. Für das abrasive Strahlen wird das Strahlmittel WIWOX EK 180 (53 µm –
90 µm), für das verfestigende Strahlen WIWOX KM 060 (125 µm - 250 µm) genutzt. Für die
spanende Nachbearbeitung mittels Fräsen werden ebenfalls wieder Quader mit den Abmaßen
105 mm x 9 mm x 1,5 mm hergestellt und durch den Projektpartner Kirchhoff Automotive
bearbeitet.
In Abbildung 15 sind die Spannungs-Dehnungsdiagramme der Zugversuche, durchgeführt von
Magna International Inc., mit den drei genannten Oberflächenzuständen abgebildet. Es ist
erkennbar, dass im statischen Versuch der Oberflächenzustand der Proben keine signifikanten
Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften zeigt. Die Zugfestigkeiten befinden sich wie in
Tabelle 21 ablesbar bei allen untersuchten Oberflächenzuständen zwischen 413 MPa – 436 MPa
und die Bruchdehnung liegt bei 18 – 19 %.
24
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 15: Spannungs-Dehnungsdiagramm für HC380LA bei unterschiedlichen
Oberflächenzuständen
Zusätzlich wird in einem weiteren Versuchsaufbau der Einfluss der Aufbaurichtung analysiert. Dazu
werden folgende Proben gefertigt:
(1) Stehend aufgebaut, 90° Winkel
(2) Angewinkelt aufgebaut, 30° Winkel
(3) Liegend aufgebaut, 0° Winkel
Die genannten Proben werden jeweils, um einem reellen Anwendungsfall möglichst nahe zu
kommen, normalisiert und lediglich gestrahlt. Dabei ist zu beachten, dass die 30° Proben der
Beschichtungsrichtung entgegengesetzt angeordnet sind. Die Vorbereitung der Proben entspricht
dem oben genannten Vorgehen zur Untersuchung des Oberflächeneinflusses. In Abbildung 16 sind
die Ergebnisse der durchgeführten Zugversuche dargestellt. Es wird deutlich, dass die
Aufbaurichtungen einen, wenn auch nicht erheblichen, Einfluss auf die mechanischen
Eigenschaften ausübt. Die Festigkeit ist bei stehend aufgebauten Proben mit 434 MPa am
höchsten, liegende Proben zeigen demgegenüber einen Abfall von ca. 10 % auf 391 MPa. Die im
30° Winkel aufgebauten Proben zeigen mit 374 MPa die im Vergleich geringste Festigkeit. Die
Bruchdehnung der Proben liegt in allen Fällen zwischen 17 % - 18 %.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 5 10 15 20 25 30
Span
nu
ng
in M
Pa
Dehnung in %
wärmebehandelt wärmebehandelt & gestrahlt wärmebehandelt & gefräst
25
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 16: Spannungs-Dehnungsdiagramm für HC380LA bei unterschiedlichen Aufbaurichtungen
Neben den statischen Versuchen werden zusätzlich die dynamischen Eigenschaften des additiv
gefertigten HC380LA ermittelt. Dazu werden je Oberflächenzustand 21 Umlaufbiegeproben im
Perlschnurverfahren getestet, dass bedeutet je drei Proben pro Lastniveau. Die Herstellung der
Proben erfolgt mit denselben Mitteln wie die Herstellung der statischen Proben. Auch diese Proben
werden demnach im 90° Winkel aufgebaut und anschließend manuell durch Strahlen oder durch
den Projektpartner Magna International Inc. spanend nachbearbeitet.
In Abbildung 17 sind die daraus entstandenen Wöhlerkurven dargestellt. Bei Betrachtung der
Lastwechsel bei 107 Lastfällen können zwischen des As-built und den gestrahlten Proben kaum
Unterschiede festgestellt werden. Beide Werte befinden sich ca. bei 180 MPa. Jedoch ist die starke
Streuung der gestrahlten Proben auffällig, dies kann u.U. auf die manuelle Bearbeitung
zurückgeführt werden. Die spanend nachbearbeiten Proben weisen hingegen ein höheres
Lastniveau von ca. 270 MPa bei 107 Lastwechseln auf. Hier wird der Einfluss der Oberflächenstruktur
auf die dynamischen Eigenschaften deutlich.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 5 10 15 20 25 30
Span
nu
ng
in M
Pa
Dehnung in %
liegend aufgebaut, normalisiert und gestrahlt
angewinkelt aufgebaut, normalisiert und gestrahlt
stehend aufgebaut, normalisiert und gestrahlt
26
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 17: Wöhlerkurven von HC380LA bei unterschiedlichen Oberflächenzuständen; oben: as-built,
mittig: abrasiv und verfestigend gestrahlt, unten: spanend nachbearbeitet mittels Fräsen
Lastwechsel
Lastwechsel
Lastwechsel
Bean
spru
chung in M
Pa
Bean
spru
chung in M
Pa
Bea
nsp
ruch
un
g in
MP
a
27
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
In Tabelle 21 sind die Kennwerte der statischen und dynamischen Tests bei unterschiedlichen
Oberflächenzuständen zusammengefasst.
Tabelle 21: Mechanische Kennwerte von additiv gefertigtem HC380LA bei unterschiedlichen
Oberflächenzuständen
Kennwert As-built Gestrahlt Spanend
nachbearbeitet
Zugfestigkeit RM 413 MPa 434 MPa 436 MPa
Streckgrenze ReH 258 MPa 279 MPa 279 MPa
Bruchdehnung Ag 17,5 % 17 % 18 %
Bruchdehnung A30 25,3 % 25,9 % 26,8 %
Dauerfestigkeit bei 107
Lastwechseln 180 MPa 180 MPa 270 MPa
2.4.1. Zusatz: Untersuchung der Rauheiten
Für die Ermittlung der Rauheiten werden Würfel in verschiedenen Richtungen und Winkeln auf der
Bauplattform positioniert. Dabei werden die Würfel in 45°, 60°, 75° und 90° wie auf Abbildung 18
erkennbar aufgebaut. Zusätzlich werden die Würfel mit den entsprechenden Winkeln in, gegen
und angewinkelt zur Beschichterrichtung ausgerichtet.
Abbildung 18: Probenaufbau für die Untersuchung von Rauheiten
28
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Die Würfel werden optisch sowohl im As-built-Zustand als auch gestrahlt untersucht. Gemessen
wird jeweils die Seite des Würfels, welche zum Beschichter ausgerichtet ist. Bei den As-built Proben
ergeben sich Rauheiten (Ra) von 12 µm – 26 µm, bei den gestrahlten Proben 7 µm – 20 µm. Wobei
die niedrigsten Werte bei 90° Aufbaurichtung erreicht werden (grüne Markierung) und die
höchsten Werte, wenn die Würfel der Beschichterrichtung entgegen geneigt sind (rote
Markierung).
29
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Arbeitspaket: Erarbeitung von Fertigungsrestriktionen und Designkonzepten
Ein Vorteil der additiven Fertigung ist die große Geometriefreiheit. Trotz der vielfältigen neuen
Möglichkeiten der Verfahren, gibt es aber auch hier Grenzen und Richtlinien beim Design von
Bauteilen zu beachten. Im dritten Arbeitspaket werden daher für die ausgewählte Legierung
spezifische Fertigungsrestriktionen ermittelt, um nutzbare Konstruktionen aus diesem Material zu
ermöglichen. Außerdem sind für die Fertigung von Bauteilen im Laserstrahlprozess Stützen zum
Aufbau von Überhängen notwendig. Aus diesem Grund werden dafür Parameter und eine
geeignete Struktur entwickelt. Des Weiteren werden in diesem Arbeitspaket bionische
Konstruktionsansätze für Leichtbau betrachtet und ausgearbeitet. Auch wird der Einfluss des
Designs auf die Kosten untersucht. Es wird ein Richtlinienkatalog erstellt, um Kosten durch
passende Konstruktionshinweise zu reduzieren.
3.1. Ermittlung von Fertigungsrestriktionen des ausgewählten Stahlwerkstoffs
3.1.1. Entwicklung von Parametern für Stützstrukturen
Zur Entwicklung von passenden Parametern für Stützstrukturen werden ausgehend vom
ermittelten Parametersatz verschiedene Kombinationen, insbesondere unter Erhöhung der
Scangeschwindigkeit, auf der Concept M2 getestet. Ziel ist es einen Parametersatz zu finden, der
zum einen schnell arbeitet und zum anderen Strukturen generiert, die eine ausreichende
Stützfunktion aufweisen, aber auch einfach zu entfernen sind. In Abbildung 19 ist ein Probekörper
zum Testen der Parameter dargestellt. Dabei ist zu erwähnen, dass die Stützen zur detaillierten
Bewertung der Parameter höher als üblich ausgeprägt sind. Die Form der Stützen ist an typische
am Fraunhofer IAPT verwendete Strukturen für Stahlwerkstoffe angelehnt und werden mit der
Software Magics von Materialise erzeugt. Dabei weist die Struktur rautenförmige Perforationen mit
je 1 mm Höhe sowie Zähne mit einer Höhe von 0,5 mm am Bauteil auf, um eine Entfernung zu
erleichtern. Neben diesen sogenannten Blockstützen, können beispielsweise auch Kegel aus
Vollmaterial als Stützstruktur verwendet werden, um eine stärkere Anbindung zu gewährleisten.
Abbildung 19: Darstellung eines Probekörpers zur Untersuchung von Stützstrukturen
Zur Beurteilung der Parameter werden die gefertigten Strukturen zunächst optisch bewertet.
Anschließend wird durch die manuelle Entfernung der Stützen die Qualität der Anbindung und die
30
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Entfernbarkeit getestet. Dadurch kann ein geeigneter Parametersatz gefunden werden, die
zugehörigen Werte sind in Tabelle 22 dargestellt. Es wird mit einer Scangeschwindigkeit von
1800 mm/s gearbeitet, sodass der Aufbau der Stützen zügiger erfolgt als die Fertigung der Bauteile.
Tabelle 22: Parametersatz zur Erzeugung von Stützstrukturen auf der Concept M2 mit HC380LA
Kennwert Einheit Wert
Partikelgrößenverteilung µm 20 – 45
Belichtungsrate - jede Schicht
Laserleistung W 200
Scangeschwindigkeit mm/s 1800
3.1.2. Entwicklung von Fertigungsrestriktionen
Um die Fertigungsrestriktionen der gewählten Legierung im laseradditiven Prozess zu ermitteln,
werden Varianten von Zylindern, Wänden, Spalten und Bohrlöchern gefertigt. In Tabelle 23 sind
verschiedene Designkörper unter Angabe der untersuchten Größen und Winkel dargestellt.
Beispielsweise werden Bohrungen mit Durchmessern von 0,4 mm bis 20 mm in drei verschiedenen
Winkeln (0°, 30° und 90°) gefertigt. Dabei wird der Winkel zwischen der Bauplattform und dem
Bauteil angegeben, das heißt bei einem Winkel von 90° stehen die Teile orthogonal zur
Bauplattform.
Tabelle 23: Darstellung verschiedener Designkörper mit Angabe der untersuchten Größen und Winkel
Bohrungen Zylinder Spalte Wandungen
Durchmesser:
0,4 – 20 mm
Durchmesser:
0,1 – 2 mm
Spaltbreiten:
0,05 – 1mm
Wanddicken:
0,1 – 1 mm
Winkel:
0°, 45° und 90°
Winkel:
30°, 60° und 90°
Winkel:
30° und 90°
Winkel:
30°, 60° und 90°
Insgesamt werden zwei Baujobs mit Designkörpern auf der Concept M2 mit dem ermittelten
Parametersatz aus Tabelle 16 gefertigt. Anhand der Qualität der aufgebauten Strukturen können
die Fertigungsrestriktionen festgelegt werden. In Abbildung 20 ist beispielhaft einer dieser Baujobs
als CAD und gedruckte Variante dargestellt.
31
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 20: Baujob zur Ermittlung der Fertigungsrestriktionen; links: CAD-Modell, rechts: gefertigter Baujob
Es ist deutlich erkennbar, dass das markierte Bauteil im CAD Modell in der Realität nicht vollständig
aufgebaut ist. Daraus lässt sich ablesen, dass die Wände ab einer gewissen Dicke zu dünn sind, um
gefertigt zu werden. Auf diese Weise lassen sich Grenzwerte festlegen und die
Fertigungsrestriktionen definieren. In Tabelle 24 sind die ermittelten Werte dargestellt.
Tabelle 24: Fertigungsrestriktionen für HC380LA
Bohrungen Zylinder Spalte Wandungen
Winkel Durchmesser Winkel Durchmesser Winkel Breiten Winkel Dicken
0° ab 1 mm 30° ab 0,6 mm 30° ab 0,6 mm 30° ab 0,6 mm
45° ab 2 mm 60° ab 0,6 mm 90° ab 0,4 mm 60° ab 0,4 mm
90° ab 4 mm 90° ab 0,6 mm 90° ab 0,4 mm
3.2. Leichtbauansätze durch Bionik
Im zweiten Arbeitspaket werden neuartige Leichtbauansätze durch die Adaption von natürlichen
Vorbildern betrachtet. Dazu werden von der Daimler AG entsprechende Bauteile zur Verfügung
gestellt, an denen basierend auf dem jeweiligen Belastungsfall bionische Optimierungen
vorgenommen werden. Dazu werden folgende Schritte durchgeführt:
(1) Festlegung der Anforderungen für automobile Strukturbauteile
(2) Durchführung eines bionischen Screenings
(3) Umsetzung in CAD und Validierung mittels FEM
(4) Fertigung von abstrahierten Testkörpern
Die Bauteile der Daimler AG sind Abbildung 21 dargestellt. Dabei handelt es sich um einen
Seitenschweller sowie um eine Crashbox.
32
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 21: Position der Bauteile im Automobil; links: Seitenschweller, rechts: Crashbox
(1) Festlegung der Anforderungen für automobile Strukturbauteile
Zur Definition der wirkenden Lasten auf die oben genannten Bauteile werden von der Daimler AG
die in Abbildung 22 dargestellten Lastfälle (Ausschnitt einer Animation) zur Verfügung stellt. Auf
Basis dieser Daten können für den Seitenschweller eine Biegungs- und Torsionsbelastung
festgestellt werden. Die Crashbox hingegen dient hauptsächlich zur Energieabsorbtion.
Abbildung 22: Daten der Daimler AG zur Definition wirkender Belastungen; links: Seitenschweller, rechts: Crashbox
(2) Durchführung eines bionischen Screenings
Nach der Definition der Anforderungen werden bionische Screenings nach den Belastungsfällen
durchgeführt. Dafür wird eine umfangreiche Recherche in biologischen Fachzeitschriften
durchgeführt sowie der hauseigene Bionikkatalog verwendet. In derartigen Katalogen sind diverse
bionische Vorbilder zu finden. Diese können nach Belastung und der Form des zu optimierenden
Bauteils durchsucht werden. In Abbildung 23 sind die identifizierten natürlichen Vorbilder
dargestellt. Für den Seitenschweller kann zum einen der Liebespfeil der Schnirkelschnecke und zum
anderen der Blattstiel der Bananenstaude zum Vorbild genommen werden. Der Liebespfeil der
Schnirkelschnecke wird im Rahmen der Fortpflanzung genutzt und ist hohen Biegungs- und
Seitenschweller Crashbox
33
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Torsionsbelastungen ausgesetzt. Der Blattstiel ist insbesondere durch Biegung beansprucht und
weist daher die erkennbare innenliegende Struktur auf. Für Crashbox werden unter dem
Suchbegriff „Energieabsorbtion“ beispielsweise die Beine einer Wanderheuschrecke oder die
Deckflügel eines Hirschkäfers gefunden. Eine Wanderheuschrecke kann durch einen Beul- bzw.
Knickbereich entlang der Hinterbeine die überschüssige Energie eines misslungenen
Sprungversuchs auffangen ohne Schädigungen davon zu tragen. Die Deckflügel des Hirschkäfers
müssen im Falle eines Sturzes die eigentlichen Flügel schützen und dafür die Aufprallenergie
abfangen können.
Abbildung 23: Biologische Vorbilder; Biegung/Torsion: l.o.: Liebespfeil der Schnirkelschnecke, r.o.: Blattstiel der Bananenstaude, Energieabsorbtion: l.u.: Wanderheuschrecke, r.u.: Hirschkäfer mit Nahaufnahmen der Deckflügel (a: Aufnahme mit Maßstab 500 µm, b: Aufnahme mit Maßstab 50 µm)
(3) Umsetzung in CAD und Validierung mittels FEM
Die vorliegenden Bauteile der Daimer AG werden anhand der gefundenen biologischen Vorbilder
abstrahiert und neu konstruiert. Dabei werden verschiedene Varianten designt. Für den
Seitenschweller sind in Abbildung 24 die Vorgehensweisen dargestellt. Eine Variante wird an die
Form des Blattstiels angelehnt und nach dem Vorbild der Bananenstaude versteift. Die zweite
Variante erhält die Form durch die Anwendung der sogenannten Kraft-Kegel-Methode und wird
an Druckbereichen durch die Liebespfeile der Schnirkelschnecke inspiriert.
a b
34
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 24: Vorgehensweise zur Konstruktion (Seitenschweller)
Die erwähnte Kraft-Kegel-Methode ist eine in der Bionik oft angewandte Vorgehensweise nach C.
Mattheck, bei welcher auf Basis der wirkenden Kräfte die Materialverteilung festlegt wird. In
Kraftrichtung baut sich nach dieser Methode ein sogenannter Druckkegel auf, in die
entgegensetzte Richtung ein Zugkegel. Anhand von im 90° zueinanderstehenden Streben werden
die Hauptlastpfade einer Konstruktion festgelegt.
In Abbildung 25 ist der aus Abbildung 22 abgeleitete Lastfall gezeigt. Dabei wird der Fokus auf die
Funktionsweise der Gesamtgeometrie gelegt. Die Anbindung an A- und B- Säule ist mit Flächen
gleicher Größe, die bei allen Designvarianten identisch sind, angedeutet und fließt lediglich durch
die Positionierung und Größe der Lagerflächen in die Konstruktion ein. Der Kraftangriff wird
vereinfacht als starrer Körper am offenen Ende, welcher Richtung C-Säule weist, modelliert. Das
Lager an der A- Säule ist als Festlager ausgeführt, das Lager an der B-Säule lässt den translatorischen
Freiheitsgrad in z-Richtung zu und der Kraftangriff am C-Säulenende entspricht einer Biegung in z-
Richtung und einer Torsion um die y-Achse im Uhrzeigersinn.
35
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 25: Lastfall des Seitenschwellers
In Abbildung 26 sind die daraus entstandenen Konstruktionen dargestellt. Links ist die
Ausgangssituation des Seitenschwellers dargestellt. Variante 1 zeigt eine Kombination aus der
Kraft-Kegel-Methode mit Druckstützen (mittig am Schweller) nach dem Vorbild der
Schnirkelschnecke. Des Weiteren ist ein sogenannter Torsionsanker (linke Seite des Schwellers)
erkennbar, dieser dient zum Auffangen von Torsionsbelastung und wird ebenfalls nach der Kraft-
Kegel-Methode konstruiert. Rechts dargestellt ist Variante 2, angelehnt an den Stiel einer
Bananenstaude. Die halbmondartige Struktur mit innenliegenden Streben ist deutlich
wiederzuerkennen.
Abbildung 26: Konstruktionen des Seitenschwellers; links: Ausgangssituation, mittig: Variante 1 (Kraft-Kegel-Methode und Liebespfeile der Schnirkelschnecke; rechts: Variante 2 (Blattstiel der Bananenstaude)
Im Anschluss an die Konstruktion müssen die Bauteile mittels FEM validiert werden. Dazu werden
dieselben Lasten wie im Ausgangszustand verwendet und die Ergebnisse hinsichtlich der maximalen
Spannung und Verschiebung verglichen. Die FEM-Validierung der verschiedenen Konstruktionen
ist in Abbildung 27 dargestellt. Die Ausgangssituation weist im gemeinsamen Lastfall von Biegung
und Torsion ein maximales Spannungsniveau von 50,2 MPa und eine maximale Verschiebung von
1,06 mm auf. Der konventionelle Seitenschweller wiegt hier rund 23 kg. Die bionische Variante 1
liegt zum einen sowohl mit der Spannung als auch der Verschiebung unterhalb der Referenz und
zum anderen ist die Konstruktion um 66 % leichter. Dabei sei jedoch erwähnt, dass hier lediglich
der Lastfall Biegung und Torsion betrachtet wird und auch die Form der Konstruktion zwar im zur
Verfügung stehenden Bauraum gestaltet ist, jedoch ohne Beachtung weiterer Restriktionen.
Variante 2 zeigt ein höheres Spannungsniveau als der Ausgangszustand und auch die Verschiebung
liegt mit 1,46 mm über der Referenz. Eine genauere Analyse dieser Variante ergibt, dass die
Struktur Biegungsbelastungen sehr gut standhält, Torsionsbelastungen jedoch nicht.
A-Säule B-Säule
C-Säule
36
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
m = 22,85 kg m = 7,69 kg m = 22,86 kg
max. Spannung: 50,2 MPa
max. Verschiebung: 1,06 mm
max. Spannung: 29,2 MPa
max. Verschiebung: 0,61 mm
max. Spannung: 62,4 MPa
max. Verschiebung: 1,46 mm
Abbildung 27: Validierung der Seitenschweller-Konstruktionen mittels FEM; links: Ausgangszustand,
mittig: Variante 1, rechts: Variante 2
In Abbildung 28 ist die Verfahrensweise zur Konstruktion der Crashbox angegeben. Dabei wird die
Energie nach dem Vorbild der Heuschrecke mittels Beulen aufgenommen. Die Konstruktion wird
zusätzlich durch die Anlehnung der mikroskopischen Aufnahmen der Deckflügel des Hirschkäfers
verstärkt. Dabei sei darauf hingewiesen, dass das Prinzip der irreversiblen Verformung zur
Energiedissipation, wie es bei der plastischen Verformung einer Crashbox aus Metall auftritt,
generell in der Natur selten anzutreffen ist. Dennoch gibt es strukturelle Maßnahmen, die sich trotz
unterschiedlicher materialspezifischer Effekte gut übertragen lassen. So zeigen Konstruktionen mit
geringeren Innendurchmessern, verstärkten Kantenbereichen (oder schaumartigen Strukturen)
höhere Festigkeiten bei gleichem Materialeinsatz und können zu Gewichtsersparnissen führen.
Der Abstraktionsschritt zwischen biologischem Vorbild und technischer Umsetzung kommt daher
in der bionischen Vorgehensweise eine besondere Wichtigkeit zu. Die Natur kann nicht als
Blaupause für die Technik fungieren.
Abbildung 28: Vorgehensweise zur Konstruktion (Crashbox)
In Abbildung 29 sind die dadurch entstandenen Konstruktionen dargestellt. Links wird die
Ausgangssituation der Crashbox gezeigt. Variante 1 ist an die in Abbildung 23 erkennbare Helix-
Struktur, siehe mikroskopische Aufnahme b, der Deckflügel des Hirschkäfers angelehnt. Variante 2
ist an die Mikroskopaufnahme a bei geringer Vergrößerung inspiriert. Außerdem sind hier durch
die wellenartige Struktur Trigger für die Faltenbildung eingebracht.
37
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 29: Konstruktionen der Crashbox; links: Ausgangssituation, mittig: Variante 1 (Helix-Struktur); rechts: Variante 2 (Struktur des Deckflügels)
Im Anschluss an die Konstruktion werden die erarbeiteten Konstruktionen ebenfalls mit Hilfe einer
FEM-Analyse geprüft. In Abbildung 30 sind Ausschnitte des Verformungsverhaltens dargestellt. Des
Weiteren ist die Kraftaufnahme über der Zeit in einem Diagramm erkennbar. Die Ausgangssituation
zeigt eine Faltung des Bauteils, bei einem ersten Kraftpeak von ca. 480 MPa. Das Bauteil wiegt ca.
0,59 kg. Variante 1 verformt sich bei einem Kraftpeak 240 MPa von schraubenförmig und wiegt
0,55 kg. Variante 2 ist mit 0.35 kg das leichteste der drei Bauteile und faltet sich entsprechend der
vorgesehenen Sollstellen mit einem Anfangswert von ca. 480 MPa. Sowohl Variante 1 als auch
Variante 2 weisen einen erneuten hohen Peak im Diagramm auf. Alle drei Varianten, inklusive der
Ausgangssituation, zeigen kein ideales Kraft-Weg-Diagramm. Im Idealfall müsste die Kurve nach
dem Anfangspeak möglichst waagerecht verlaufen und die Fläche unter dem Diagramm, welche
der aufgenommenen Energie entspricht, möglichst groß sein. Die einzelnen Peaks entstehen immer
dann, wenn lokal die Streckgrenze des Materials überschritten wird, also die elastische Verformung
in eine plastische Verformung übergeht. Je größer diese Bereiche ausgedehnt sind, desto stärker
ist das Kraftpeak ausgeprägt. Auf mikroskopischer Ebene beginnen an diesem Punkt die
Versetzungsbewegung im Metallgitter, welche sich makroskopisch als plastische Verformung
zeigen. Die Kraft, die für diese Bewegung benötigt wird, führt zu einer fallenden Kraft-Zeit-Kurve.
Bei jeder Falte werden neue Bereiche diesem Mechanismus unterzogen, sodass je nach Faltengröße
kleine oder große lokale Maxima entstehen. Bei den bionischen Variante Abbildung 30 (mittig)
verläuft der Deformationsmechanismus zunächst relativ gleichförmig in einer Rotationbewegung
ab und nach 20 ms stagniert diese Verformung und es wird eine unförmige Falte gebildet. Da die
Verformung unstetig verläuft und eine freie Rotation im eingebauten Zustand nicht möglich ist,
wird diese Variante verworfen. Bei Variante 2 Abbildung 30 rechts ergibt sich ebenfalls nach 20 ms
ein Peak, jedoch resultiert dieser aus der regulären Faltenbildung, die lediglich in größeren
Intervallen verläuft als bei der Referenz.
38
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
m = 0,59 kg m = 0,55 kg m = 0,35 kg
Abbildung 30: Validierung der Crashbox-Konstruktionen mittels FEM; links: Ausgangszustand, mittig:
Variante 1, rechts: Variante 2
(4) Fertigung von abstrahierten Testkörpern
Im vierten und letzten Schritt werden die entwickelten Bauteile additiv auf Concept M2 gefertigt.
In Abbildung 31 sind die Bauteile dargestellt. Der Seitenschweller (Variante 1) ist aufgrund des zur
Verfügung stehenden Bauraums skaliert hergestellt. Zusätzlich dazu wird unten links ein
Demonstrator gezeigt, welcher biologische Vorbilder wie die Liebespfeile der Schnirkelschnecke
oder den Blattstiel der Bananenstaude vergrößert verdeutlichen. Für Crashbox ist unter rechts
beispielhaft Variante 2 dargestellt.
39
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 31: Additiv hergestellte Testkörper; oben: Seitenschweller (Variante 1), links unten:
Demostrator mit verschiedenen bionischen Vorbildern, rechts unten: Crashbox (Variante 2)
3.3. Entwicklung von Designrichtlinien mit Fokus Design-to-Cost
Um Bauteile aus HC380LA für die laseradditive Fertigung möglichst kostengünstig herzustellen,
werden in diesem Arbeitspaket Richtlinien zur Kosteneinsparung durch geeignete Maßnahmen
entwickelt. Durch Literaturrecherche und diverse Versuche werden diese Richtlinien erarbeitet,
welche an einem Referenzbauteil validiert werden. Dazu wird in folgender Weise vorgegangen:
(1) Kostenaufnahme am Referenzbauteil
(2) Entwicklung und Recherche von Designrichtlinien
(3) Anwendung der Designrichtlinien auf das Referenzbauteil und erneute Kostenaufnahme
zur Validierung der Richtlinien
Als Referenzbauteil wird ein Pedal aus dem Automobilbereich in konventioneller und
leichtbauoptimierter Form, siehe Abbildung 32, gewählt. Zur Entwicklung der Richtlinien wird aus
Kapazitätsgründen auf die TruPrint 1000 zurückgegriffen und der dafür entwickelte 30 µm
Parametersatz für HC380LA verwendet.
40
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 32: Referenzbauteile zur Validierung der Richtlinien Design-to-Cost; links: konventionelles Pedal, rechts: leichtbauoptimiertes Pedal
(1) Kostenaufnahme am Referenzbauteil
Im ersten Schritt werden die Referenzbauteile jeweils einzeln auf der TruPrint 1000 gefertigt. Alle
Kosten wie die Datenvorbereitung, das Rüsten und Vorbereiten der Anlage, die Maschinenlaufzeit,
das Entfernen der Stützstrukturen und weitere Nachbehandlungsschritte werden aufgenommen.
In Tabelle 25 sind die bauspezifischen Daten der Bauteile sowie die errechneten Kosten unter
Angabe der Zusammensetzung dargestellt. Es ist erkennbar, dass das Leichtbaupedal ca. 40 %
weniger Volumen hat als die konventionelle Version. Dabei sei erwähnt, dass aufgrund des
verfügbaren Bauraums die Pedale um den Faktor 0,3 skaliert werden müssen und dadurch nicht
der Originalgröße entsprechen.
Die Gesamtkosten der Pedale liegen bei beiden Ausführungen in etwa bei 245 €. Den Hauptanteil
mit über 60 % trägt dabei jeweils die Generierung selbst, das heißt die Belichtungs- und
Beschichtungszeit sowie das Rüsten der Anlage. Mit ca. 20 % folgt die Datenvorbereitung. Wenig
Einfluss auf die Kosten hat das benötigte Pulver (für Bauteilvolumen, Stützvolumen und
Schwundvolumen), der Anteil an den Gesamtkosten beträgt hier weniger als 1 %.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 25: Zusammenfassung der Kostenaufnahme
Eigenschaft Einheit Konventionelles
Pedal
Leichtbauoptimiertes
Pedal
Volumen cm³ 3,6 2,3
Aufbau
Gesamtkosten € 244,30 248,91
Generierung % 63,2 61
Datenvorbereitung % 21,4 21
Nachbearbeitung % 8 11,2
Verbrauchsmittel % 6,8 6,4
Material % 0,6 0,3
(2) Entwicklung und Recherche von Designrichtlinien
Für die Entwicklung der Richtlinien gilt es jene Merkmale des Laserstrahlprozesses zu identifizieren,
welche die Kosten im besonderen Maße beeinflussen. Dazu werden diverse Merkmale definiert
und deren Einfluss auf die einzelnen Kostenpunkte analysiert. Zu den Merkmalen zählen:
Material: Werkstoff, Partikelgrößenverteilung, usw.
Stückzahl / Auslastung: Anzahl der Bauteile im Baujob und die Auslastung des Baujobs
Prozessparameter: Schichthöhe, Laserleistung, Belichtungsgeschwindigkeit, Belich-tungsstrategie usw.
Aufbauhöhe: Aufbauhöhe des Bauteils
Bauteilvolumen: Volumen des Bauteils
Stützstrukturen: Typ, Volumen, Anbindung und sonstige Gestaltung der Stützstrukturen
Funktionsflächen: Umfang zur Herstellung der Funktionsflächen des Bauteils
Mechanische Eigenschaften: Umfang zur Herstellung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils
42
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Insbesondere die Stückzahl bzw. die Auslastung eines Baujobs hat hierbei großen Einfluss auf die
entstehenden Kosten. Aber auch die Aufbauhöhe, die Prozessparameter und die Stützstrukturen
steuern die anfallenden Kosten. Auf Basis dieser identifizierten Merkmale und ebenfalls durch
intensive Literaturrecherche zu bereits bestehenden Richtlinien zu Kostensenkung werden Versuche
zur Überprüfung/Identifizierung von optimierten Konstruktionen durchgeführt. Beispielsweise wird,
wie Tabelle 26 dargestellt, das Stapeln und Verschachteln von Bauteilen untersucht. Dabei werden
verschiedene Baujobs gefertigt und anschließend die Kosten aufgestellt und verglichen.
Tabelle 26: Untersuchung von Verschachteln und Stapeln auf die Kosten
Variante Anordnung Kosten pro Probe
Referenz
22,93 €
Ver-
schachteln
19,28 €
Stapeln
14,74 €
In diesem dargestellten Fall ist das Stapeln trotz der erhöhten Nachbearbeitung der Oberflächen
kostentechnisch am günstigsten. Die daraus entstehende Richtlinie empfiehlt dementsprechend
möglichst den Bauraum auszunutzen und die Bauteile, sofern es die Oberflächenanforderungen
zulassen, zu stapeln. Im nachfolgenden Richtlinienkatalog, siehe Tabelle 27, sind insgesamt 15
derartig erarbeitete Richtlinien aufgelistet. Zu jeder dieser Richtlinien werden günstige und
ungünstige Beispiele gezeigt sowie auch Restriktionen und Einschränkungen erläutert. Dabei sei
erwähnt, dass die Anwendung der Richtlinien und die Effektivität der daraus folgenden
Kostensenkung stark vom Bauteil abhängig ist.
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Tabelle 27: Richtlinienkatalog mit Fokus Design-to-Cost für HC380LA im Laserstrahlschmelzprozess
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(3) Anwendung der Designrichtlinien auf das Referenzbauteil und erneute Kostenaufnahme
zur Validierung der Richtlinien
Die Designrichtlinien werden im Folgenden auf die Referenzbauteile angewandt, um den Nutzen
zu validieren. Die Abbildung 33 ist beispielhaft die Anwendung der Richtlinien auf das
leichtbauoptimierte Pedal dargestellt. Die Nummern kennzeichnen hierbei die entsprechenden
Richtlinien aus Tabelle 27. Dabei kommen insbesondere Richtlinien zur Reduzierung der
Aufbauhöhe (3) und zur Vermeidung/Reduzierung von Stützstrukturen (5,6,7) zum Einsatz.
Abbildung 33: Anwendung der Designrichtlinien auf das leichtbauoptimierte Pedal
Im Anschluss an die Anpassungen im 3D-Datenmodell und in der Datenvorbereitung werden die
Referenzbauteile erneut auf der TruPrint 1000 gefertigt und sämtliche Kosten aufgenommen. In
Tabelle 28 sind die bauteilspezifischen Eigenschaften sowie die Kosten vor und nach der
Anwendung der Designrichtlinien gegenübergestellt. Es wird deutlich, dass durch die Kosten
infolge der entwickelten Richtlinien gesenkt werden können. Diese können um 9 % beim direkten
Vergleich bei Einzelfertigung gesenkt werden, bei voller Ausnutzung des Bauraums durch Stapeln
sogar um 74 %. Anzumerken ist, dass die Kosten reduziert werden können, aber infolgedessen
das Volumen um 8 % steigt. Das heißt hier muss ein Kompromiss zwischen Kosten und Gewicht
gefunden werden. Bei der konventionellen Variante können die Kosten um 17 % bzw. 65 %,
ebenfalls unter Gewichtszunahme, reduziert werden. In allen Fällen können insbesondere durch
die Reduzierung der Beschichtungszeit sowie durch die Verringerung der Entfernungszeit für
Stützstrukturen Kosten gesenkt werden.
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Tabelle 28: Zusammenstellung der Kosten nach und vor der Anwendung von Designrichtlinien auf das leichtbauoptimierte Pedal aus HC380LA
Eigenschaft Einheit Ausgangszustand Anwendungen der
Richtlinien
Anwendung der
Richtlinien
Volumen cm³ 2,3 2,5 2,5
Aufbau
Gesamtkosten € 248,91 227,36 64,70
Generierung % 61 57,5 48,2
Datenvorbereitung % 21 23 18,8
Nachbearbeitung % 11,2 9,3 26,2
Verbrauchsmittel % 6,4 9,8 5,2
Material % 0,3 0,4 1,6
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Arbeitspaket: Hybride Bauweisen
4.1. Entwicklung von Prozessparametern für das Laserstrahlschweißen
Um die additiv gefertigten Bauteile mit konventionellen Halbzeugen und Werkstücken zu verbinden, wird in diesem Projekt das Laserstrahlschweißen untersucht, weil das Schweißen mittels Laserstrahl eine Verbindung der Bauteile mit minimalen Wärmeeintrag erlaubt. Zunächst werden relevante Stoßgeometrien für die zu untersuchenden Stoßarten festgelegt. Dabei orientiert sich die Auswahl an heute im Automobilbau üblichen Stoßgeometrien. Die ausgewählten Geometrien sind in Abbildung 34 schematisch dargestellt.
1) Blindnähte zur Einschweißtiefenanalyse
2) Überlappstoß nur additiv 3) Überlappstoß nur konventionell 4) Überlappstoß LAM auf
konventionell
5) Stumpfstoß nur additiv
6) Stumpfstoß nur konventionell
Abbildung 34: Schematische Darstellung der zu untersuchenden Stoßarten
Die Schweißungen werden in Anlehnung an den Stand der Technik für Großserienverbindungen
im Automobilbau mit einem Scanner (Trumpf 3D-PFO) ausgeführt. Diese Scannermechanik erlaubt
in Verbindung mit einem geeigneten Scheibenlaser die Ausführung von Schweißungen mit
Laserleistungen von bis zu 6 KW bei einer für Schweißungen üblichen Spotgröße von ca. 600 µm
(Abbildung 35).
LAM
LAM
LAM
51
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 35: Für die Schweißversuche verwendeter Versuchsaufbau
Im Schweißversuch 1) wird zunächst durch eine Parameterstudie die Einschweißtiefe analysiert.
Hierzu werden folgende Parameter variiert:
Laserleistung (2 – 5 KW)
Schweißgeschwindigkeit (20 – 100 mm/s)
Dies dient als Grundlage für die weiteren Schweißversuche. Ziel der Parameterstudien ist es
qualitativ hochwertige Schweißverbindungen bei möglichst großer Schweißgeschwindigkeit zu
erreichen. Die Schweißversuche werden anhand von Querschliffen der Proben und
Härtemessungen beurteilt (DIN EN ISO 13919-1). Zur Parameterentwicklung werden folgende
Probengeometrien definiert. Der Probenplan ist in Tabelle 29 dargestellt.
Probengeometrie A für Schweißversuch 1): 60x35x5 (LxBxH) in mm
Probengeometrie B für Schweißversuche 2) – 6): 60x35x2 (LxBxH) in mm
Tabelle 29: Probenplan für Prozessparameterstudien Laserstrahlschweißen
Geometrie Zustand bzw. Herstellung Anzahl
A LAM (stehend) 30
B LAM (stehend) 270
B LAM (stehend + gestrahlt) 30
B LAM (entfernte Supports) 30
B Blech verzinkt 165
Trudisc 5000 (5 KW)
200 µ Fiber
PFO 3D (fcol: 138 mm; ffoc: 450 mm)
Spotdurchmesser: 0,65 mm
Arbeitsabstand: ca. 470 mm
Schutzgas: Argon
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Die Blechproben werden in der oben definierten Probengeometrie mittels Laserschneiden aus
Platinen geschnitten. Die LAM-Proben werden mit den optimierten Prozessparametern aus AP 2
additiv auf einer Concept M2 Anlage gefertigt. Dazu gehört auch die in AP 2 für eine optimierte
Festigkeit / Bruchdehnung ermittelte Wärmebehandlung der LAM Proben. Alle LAM Proben werden
vor dem Schweißen entsprechend wärmebehandelt. Nach dem Schweißen findet keine erneute
Wärmebehandlung der Fügepartner statt, weil dies in einem typischen späteren Serieneinsatz
üblicherweise nicht möglich sein wird.
Abbildung 36 zeigt die erreichte Einschweißtiefe über der Streckenenergie. Besonders
hervorgehoben sind die relevanten Einschweißtiefen für 2mm (Materialdicke beim Stumpfstoß) bei
50 J/mm und 4 mm (Überlappverbindung von 2 x 2 mm Blechdicke) bei 114 J/mm, weil diese
Parametersätze für die weiteren Schweißungen relevant sind.
Abbildung 36: Einschweißtiefe in Abhängigkeit der Streckenenergie
4.2. Bewertung der Schnittstelle hinsichtlich Nahtgeometrie und
Mikrohärteverlauf
Die Versuche zum Verbinden der Proben werden als Überlappstoß und als Stumpfstoß (siehe
Abbildung 34) ausgeführt. Zunächst werden einfache Probebleche in verschiedenen
Materialkonfigurationen, in Tabelle 30 dargestellt, geschweißt und bzgl. der Nahtgeometrie und
Härte untersucht. Dazu werden Schliffbilder erstellt und Mikrohärtemessungen in der Schliffebene
durchgeführt.
Tief
e in
mm
Streckenenergie in J/mm
53
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 30: Untersuchte Material / Geometrievarianten
Prüfmatrix zur Parameterentwicklung
Verbindungsgeometrien Materialkombinationen Überlapp Stumpfstoß Konventionell / Konventionell (KV / KV) X X Additiv / Konventionell (AM / KV) X X Additiv / Additiv (AM / AM) X X
Sowohl die Überlappverbindungen, als auch die Stumpfstoßverbindungen zeigen keinerlei
signifikante Unterschiede in der Nahtgeometrie. Lediglich in der Nahtbreite an der Oberseite ist bei
den additiv hergestellten Proben eine leichter Nahtverbreiterung erkennbar, die aber nicht weiter
untersucht wird (Abbildung 37). Die leichte Verbreiterung der Schweißnaht ist wahrscheinlich auf
die rauere Oberfläche der AM-Proben zurückzuführen. Die breitere Naht stellt für die geplante
Verwendung aber keinen technologischen Nachteil dar.
Abbildung 37: Typische Ausbildung der Schweißnahtgeometrie für unterschiedliche Verbindungstypen
Die Härtemessung wird mittels Mikrohärtemessung nach Vickers berührend durchgeführt. Bei allen
Verbindungen zeigt sich nach dem Schweißen in der Schweißnaht eine Härte von ca. 300 –
350 HV 0,5. In dem konventionellen Material (KV) liegt die Grundhärte bei ca. 150 HV 0,5
(Abbildung 38, links), bei den nicht wärmebehandelten, additiv hergestellten Probe ist die
Grundhärte im Material ähnlich hoch wie in der Schweißnaht. Die vor der Schweißung
wärmebehandelte AM Proben (WB) zeigen im Grundmaterial ebenfalls eine Grundhärte von ca.
150 HV 0,5. (Abbildung 38, rechts). Bei dieser Probenvorbehandlung sind keine Unterschiede im
prinzipiellen Härteverlauf zwischen KV und AM Proben erkennbar.
54
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 38: Härteverlauf für ausgewählte Überlappverbindungen (4 KW, 35 mm/s), links:
konventionell-konventionelle Überlappverbindung, rechts: additiv-additive Überlappverbindung
Die unter vergleichbaren Bedingungen geschweißten Stumpfstoßverbindungen zeigen
grundsätzlich einen ähnlichen Härteverlauf (Abbildung 39). Auch hier ist die Grundhärte in den
nicht wärmebehandelten AM Proben entsprechend höher.
Abbildung 39: Härteverlauf für ausgewählte Stumpfstoßverbindung (3 KW, 60 mm/s) links:
konventionell-konventionelle Stumpfstoßverbindung, rechts: additiv-additive Stumpfstoßverbindung
Zur weiteren Qualifikation der Schweißverbindungen werden Proben für zerstörende
Festigkeitstests (statisch und dynamisch) entsprechend dem in Tabelle 31 dargestellten Prüfplan
geschweißt.
Tabelle 31: Prüfplan statische Zugversuche
AM-AM AM-KV KV-KV
Scherzug DIN EN ISO 14273: Überlappstoß (I-Naht)
5 statisch
5 statisch
5 statisch
Schälzug DIN EN ISO 14270: Überlappstoß (I-Naht)
5 statisch
5 statisch
5 statisch
Abstand von Nahtmitte in mm Abstand von
Nahtmitte in mm
Här
te in
HV
0,5
Här
te in
HV
0,5
Här
te in
HV
5
Här
te in
HV
5
Abstand von Nahtmitte in mm Abstand von Nahtmitte in mm
55
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
AM-AM Materialkombination Additiv Manufactured (AM) auf Additiv Manufactured
(AM)
AM-KV (Nur die Kombination AM auf KV, weil üblicherweise später ein AM Teil an
ein konventionelles Blech geschweißt wird)
KV-KV (Als Referenz zur konventionellen Technologie)
Die AM Prüfkörper für die zerstörende Prüfung werden nach dem Drucken und vor dem Schweißen
der im AP 2 beschriebenen Wärmebehandlung unterzogen. Nach dem Schweißen erfolgt keine
weitere Wärmebehandlung.
4.2.1. Statische Zugversuche (Scherzug und Schälzugproben)
Für die Versuche werden die Proben zunächst durchgehend mit 4 KW, 35 mm/s geschweißt und
anschließend mit ca. 5 mm Randabstand mittels Drahterodieren entsprechend der roten
Markierungen in Abbildung 40 herausgeschnitten. Dadurch sollen Nahtunregelmäßigkeiten am
Nahtanfang und -ende aus der Untersuchung ausgeblendet werden. Die Schweißungen und die
Probenvorbehandlung werden am Fraunhofer IAPT durchgeführt, die Zugversuche werden von
Ford durchgeführt.
Abbildung 40: Probengeometrie für die Scherzug- (links) und die Schälzugproben (rechts)
56
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 41. Ergebnisse statische Zugversuche (Scherzug und Schälzugproben)
Abbildung 41 zeigt im linken Bereich die Kraft/ Dehnungswerte für die Scherzugverbindung und
im rechten Bereich die Werte für die Schälzugproben. Alle Proben versagen durch einen Bruch
innerhalb der Schweißnaht oder in der Wärmeeinflußzone direkt neben der Schweißnaht
(Abbildung 42). Dieses Verhalten ist bei 0,9 mm mittlerer Nahtbreite im Fügespalt und einer Blech-
/ Probendicke von 2 mm auch zu erwarten. Die Scherzugproben zeigen im auslegungsrelevanten
linearen Bereich bis zur Dehngrenze keine signifikanten Unterschiede zwischen den
unterschiedlichen Materialpaarungen.
57
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 42: Versagensbild Schälzugproben (links) und Scherzugproben (rechts)
Interessanterweise haben die AM-AM Proben bei den Scherzugtests die höchste Streckgrenze, die
aber zwischen den einzelnen Proben stark schwankt. Eine mögliche Erklärung für die generell
größere Streuung der Messwerte an dem AM-AM Proben kann in der prozessbedingt raueren
Oberfläche liegen, denn die für die Schweißnahttests verwendeten Proben wurden nicht speziell
mit oberflächenverdichtenden Verfahren bearbeitet.
Bei den Schälzugproben zeigt sich ein komplett umgekehrtes Bild. Aufgrund der ungünstigen
Belastungssituation kommt es bereits bei geringen Kräften zu einer bleibenden Verformung der
Proben. Das mechanische Versagen der AM-AM Proben setzt hier deutliche früher ein. Die KV-KV
Proben haben hier die höchsten Werte für die übertragbare Maximalkraft.
4.2.2. Zugprüfung KS2-Proben
Zusätzlich zu den statischen Tests werden jeweils fünf statische und zwölf dynamische Prüfungen
unter 0° und 90° Belastung an KS2-Proben von Daimler durchgeführt. Auch für diese Tests werden
wieder drei Materialkombinationen (AM-AM, AM-KV, KV-KV) entsprechend dem in Tabelle 32
dargestellten Prüfplan verschweißt Die Anordnung der AM Proben auf der Bauplattform zeigt
(Abbildung 43).
Tabelle 32: Prüfplan für die dynamischen Festigkeitsprüfungen
Orientierung für die Prüfung
AM-AM AM-KV KV-KV
0°
5 statisch
12 dynamisch
5 statisch
12 dynamisch
5 statisch
12 dynamisch 90°
5 statisch
12 dynamisch
5 statisch
12 dynamisch
5 statisch
12 dynamisch
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 43: KS2 Probenrohlinge auf der Bauplattform
Die für die Aufnahme in der Prüfmaschine notwendigen 10 mm Bohrungen wurden mitgedruckt,
sind aber nach dem Drucken noch mit Stützstrukturen gefüllt (Abbildung 43). Diese werden in einer
einfachen Vorrichtung mit einem zylindrischen Durchtreiber herausgeschlagen. Die Rohlinge für die
konventionell gefertigten Proben werden inkl. der Löcher aus Blech lasergeschnitten und
anschließend gekantet.
Für diese Proben ist mit Daimler eine C-förmige Schweißnaht wie in Abbildung 44 dargestellt,
abgestimmt (Daimler Normbezeichnung KL_5x12, 5mm breit und 12mm lang). Die Lasernaht wird
dabei in 2 Stepps jeweils vom Ende der Naht ausgehend bis zur Mitte der C-Geometrie geschweißt.
Im mittleren Bereich überlappen die beiden Enden der Einzelnähte und unterbinden damit eine
ausgeprägte Ausbildung eines Endkraters.
Abbildung 44: Schweißnahtgeometrie (KL_5x12) an den KS2-Proben
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 45: Definition der Prüflingslagen (0° und 90°) für die KS2-Proben
Die Ergebnisse dieser dynamischen Tests sind (aufgrund Ihres Umfangs) in einer separaten Datei
dokumentiert.
Stellvertretend sind in Abbildung 46 die Ergebnisse für einen statischen Zugversuch mit 10 mm/min
Prüfgeschwindigkeit in der Einspannlage 0° und in Abbildung 47 die Ergebnisse für einen statischen
Zugversuch mit 10 mm/min und Einspannlage 90° für die drei Materialkombinationen dargestellt.
60
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 46: Zugversuch-KS-2-0° bei 10 mm/min, Längenänderung lokal am Prüfling gemessen. Quelle: Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik. Universität Paderborn
AM-AM AM-KV KV-KV
Weg [mm]
Kra
ft [
kN
]
61
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 47: Zugversuch-KS-2-90° bei 10 mm/min, Längenänderung lokal am Prüfling gemessen. Quelle: Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik. Universität Paderborn
Bis auf 3 Ausnahmen versagen alle Proben durch einen Riss in der Schweißnaht in der Fügeebene.
Die höheren Werte für die übertragbare Maximalkraft bei den Prüflingen mit mindestens einem
gedruckten Fügepartner lassen sich durch die etwas breitere Schweißnahtausbildung in dem
gedruckten Material erklären. Bei gleichen Schweißparametern zeigen die Proben mit Beteiligung
eines additiv hergestellten Fügepartners eine deutlich höhere Maximalkraft.
Exkurs: Punktschweißversuche bei EDAG
Zwischenzeitlich hat EDAG Punktschweißversuche als AM-AM Überlappverbindung durchgeführt,
die nicht zum Projektinhalt gehören, aber aufgrund ihrer vielversprechenden Ergebnisse hier kurz
dargestellt werden. In den Schliffbildern sind keine Poren erkennbar und beim Ausknöpftest reißen
KV-KV AM-KV AM-AM
Weg [mm]
Kra
ft [
kN
]
62
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
die Schweißpunkte ausschließlich außerhalb der direkten Fügezone im Bereich der
Wärmeeinflußzone (Abbildung 48).
Abbildung 48: Ergebnisse der Punktschweißversuche an AM-AM Proben, EDAG Engineering
GmbH, Wiesbaden
4.3. Entwicklung von Designrichtlinien zur fügegerechten
Schnittstellengestaltung
Der Serieneinsatz gedruckter Komponenten scheitert heute oftmals noch an den hohen Kosten für
die gedruckten Teile. Um hier die Gesamtkosten für ein Bauteil bestmöglich zu minimieren bietet
sich der Einsatz sogenannter Hydrid-Teile an. Bei diesen Bauteilen werden nur die Bereiche additiv
hergestellt bei denen ein Einsatz der Drucktechnik sinnvoll bzw. notwendig ist. Die restlichen
Strukturen des Bauteils werden dann idealerweise aus kostengünstigen Standard-Halbzeugen
hergestellt, die dann mittels geeigneter Verbindungstechnik mit den gedruckten Strukturen
verbunden werden. Ein typisches Beispiel für diese Technik könnte ein Fahrradrahmen sein, bei
dem die Knotenpunkte zur Aufnahme der Gabel oder des Tretlagers gedruckt sind, die
Verbindungen aber aus Standard-Rohren hergestellt werden. Für die Verbindung bieten sich
grundsätzlich unterschiedliche Verfahren wie: Kleben, Verpressen, Verschrauben, Verlöten oder
Verschweißen an. In diesem Projekt wird der Schweißprozess in der speziellen Ausprägung als
Laserschweißprozess ohne die Verwendung von Zusatzmaterial näher betrachtet.
Bei den Schweißversuchen wird der Einfluss der Oberflächenrauheit auf den Schweißprozess
untersucht. Dazu werden additiv gefertigte Proben in drei verschiedenen Zuständen untersucht:
gestrahlt
stehend gebaut
entfernte Supports
Im AP 2.4 wird gezeigt, dass die Bearbeitung der Oberflächenstruktur keine signifikante
Auswirkung auf die statische Festigkeit der Materialproben hat. Mit Bezug auf die erstellten
Schliffbilder unterschiedlichster Fügegeometrien ergibt sich aus der Oberflächenstruktur der
gedruckten Proben kein Einfluss auf das in der Schmelze ausgebildete Gefüge (keine Häufung von
Poren oder Rissen). Daraus wird abgeleitet, dass die Stoßgeometrien nicht zwingend mechanisch
im Fügebereich bearbeitet werden müssen.
63
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Zu große Fügespalte (sowohl bei Überlapp, als auch bei Stumpfstoßverbindungen) führen beim
Laserschweißen immer zu einem entsprechenden Nahteinfall oder bei Überlappverbindungen zu
den sogenannten „falschen Freunden“ (äußerlich gutaussehende Naht an Ober- und Unterblech,
aber keine metallische Verbindung zwischen den Blechen). Dieses grundsätzlich bekannte
Verhalten wird auch bei den Verbindungsschweißversuchen mit Beteiligung von gedruckten
Materialproben beobachtet. Weitere, eine Gestaltung einer möglichen Fügeverbindung speziell
beeinflussende Eigenschaften der AM Proben werden nicht beobachtet.
Die Entwicklung von Designrichtlinien kann sich daher neben bekannten Verfahren zum
Toleranzausgleich speziell auf die Designfreiheit für den 3D Druckprozess konzentrieren. Damit sind
Fügegeometrien zwischen zwei Bauteilen denkbar, die mit konventioneller Technologie nicht oder
nur zu sehr hohen Kosten umsetzbar sind. Diese Möglichkeiten werden im Folgenden exemplarisch
dargestellt:
(1) Verbindung einer Verstärkungsrippe mit einem geraden Blech
Abbildung 49: Anbindungsgeometrien einer 3D gedruckten Rippe
Zur Positionierung der Rippe kann im Blech mit einfachsten Mitteln eine V-förmige Sicke geprägt
werden (Abbildung 49, links). Der entsprechende „Fuß“ der Rippe wird geometrisch passend zur
Sicke gestaltet und kann ohne Zusatzmaterial beidseitig vollflächig mit dem Blech verbunden
werden. Verfahrensvarianten könnten eine unterbrochene Rippe oder eine einseitig zu
verschweißende, asymmetrische Zentriersicke beinhalten. Zusätzlich ist es bei der „3D-Rippe“ ohne
großen Aufwand möglich, den Fuß der Rippe zu verbreitern, um so eine höhere Biegesteifigkeit
der Rippenanbindung an das Grundmaterial zu realisieren und die Zugänglichkeit für den
Laserstrahl zu verbessern (Abbildung 49, rechts)
64
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
(2) Flanschblech an ein Rundrohr
Abbildung 50: Anbindung Flanschblech an Rundrohr
Die dargestellten Verbindungen, die in dieser Form z.B. an PKW Sitzen, Armaturenbrettträgern oder
Motorradrahmen zum Einsatz kommen, werden heute oftmals konventionell mit Zusatzdraht
geschweißt, um die für die Festigkeit notwendige Anbindungsbreite bei einem gleichzeitigen
Ausgleich der Fertigungstoleranzen zu schaffen. Werden die Anbauteile 3D gedruckt, kann die
Anbindungsgeometrie besser an die Lasteinleitung angepasst werden. Dadurch ist es möglich, den
Fügeprozess auch ohne Zusatzdraht zu realisieren, was den Prozess deutlich vereinfacht und
insgesamt stabiler macht. Optional ist es auch denkbar, an dem gedruckten Bauteil in der
unmittelbaren Fügezone kleine „Materialdepots“ mit genau definierten Volumen zu platzieren, die
dann mittels eines oszillierenden Laserstrahls in den Fügebereich abgeschmolzen werden. Die
erforderliche Schweißung kann dann als Überlapp oder Kehlnahtschweißung ausgeführt werden
(Abbildung 50).
(3) Gabelkopf mit einem Rohrende verschweißen
Abbildung 51: Anbindung Gabelkopf an ein Rohrende (mit Drehlageorientierung)
Mittels 3D Druck kann der Zentrieransatz an dem Gabelkopf im Vergleich zu einem Schmiedeteil
genauer ausgeführt werden. Speziell die zusätzlich vorhandene Geometrie zur Sicherstellung einer
korrekten Drehlage des Bauteils lässt sich ohne großen Aufwand mitdrucken. Werden
unterschiedliche Drehlagen benötigt, so können diese leicht (ohne die Verwendung von
entsprechenden unterschiedlichen Schmiedewerkzeugen) durch Variation der Druckdaten erzeugt
werden. Abbildung 51 zeigt ein Beispiel einer Schnittstellengestaltung inkl. einem
drehlageorientierenden Elementes am gedruckten Teil.
65
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(4) Verbindung unterschiedlicher Profil- / Rohrquerschnitte
Abbildung 52: Verbindung unterschiedlicher Profilquerschnitte über einen gedruckten Knoten
Die Verbindung unterschiedlicher Profilquerschnitte benötigt in der Regel ein „Adapterstück“. Soll
dieses Adapterstück zusätzlich noch mit gewichts- / materialeinsparenden Eigenschaften versehen
werden, dann kann dies sehr einfach über einen 3D-Druck realisiert werden (Abbildung 52). Als
Schmiedeteil ist dies nur schwer bzw. nicht umsetzbar.
(5) Steg-Schlitz Verbindungen
Abbildung 53: Ausbildung einer Steg-Schlitz Verbindung mit Wurzelschutzfunktion im gedruckten
Bauteil
Für die über lasergeschnittene Schlitzbleche realisierbare Technik einer sogenannten Steg-Schlitz
Verbindung können mittels 3D gedruckter Komponenten weitere Anwendungsfelder erschlossen
werden.
Am 3D gedruckten Teil kann mit wenig Mehraufwand eine Wurzelschutzfunktion für die
spätere Schweißnaht realisiert werden (Abbildung 53).
Die Steg-Schlitz Technologie lässt sich auch für 3-dimensionale Anbauteile einsetzen, so
dass diese leicht am Grundmaterial positioniert werden können.
Der Steg kann auch als Kreis oder Kreissegment ausgeführt sein.
Der Steg kann mit federnden Elementen versehen werden, die ein „Einklipsen“ des Bauteils
in den zugeordneten Schlitz erlaubt und damit die Positionierung vereinfacht. Die federnde
Funktion kann später mit verschweißt werden.
Beispiel für die Positionierfunktion der Steg-Schlitz Verbindung ist die Positionierung des
Demonstrators für die hintere Achsaufhängung und in abgewandelter Form auch die
Lenksäulenaufhängung (AP 5.1).
66
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(6) Integration von Positionierhilfen in das AM Teil
Abbildung 54: Integration einen Positionierzapfens in den gedruckten Fügepartner
An einem gedruckten Anbauteil können auch komplexe Positionierhilfen einfach in einer hohen
Genauigkeit realisiert werden (Abbildung 54). Anders als bei geschmiedeten Anbauteilen ist eine
Feinabstimmung der Position der Positionierhilfe ohne teure Änderungen am Schmiedewerkzeug
möglich. Mit den so sehr kostengünstig herstell- und anpassbaren Positionierhilfen ist eine
Vereinfachung der Spannvorrichtung zum Schweißen möglich, weil hier jetzt keine justierbaren
Positionierhilfen vorgesehen werden müssen.
(7) Zinkausgasung bei Verschweißen verzinkter Bauteile
Abbildung 55: Herstellung eines Zinkausgasungsspaltes über mitgedruckte Noppen am AM Teil
Bei Verbindungen zwischen einem AM Teil und einem verzinkten Fügepartner erweist sich die raue
Oberfläche des AM Teils als durchaus vorteilhaft, denn über den sich zwangsweise ausbildenden
Luftzwischenraum kann das während der Schweißung verdampfende Zink problemlos entweichen.
Die aus der automobilen Praxis bekannten geprägten Noppen, Lasernoppen, geprägte
Riffelstrukturen oder Kehlnahtschweißungen zur Unterstützung der Zinkausgasung können hier
ersatzlos entfallen. Falls erforderlich kann der Ausgasungsprozess zusätzlich durch mitgedruckte
Noppen weiter optimiert werden (Abbildung 55). Die so hergestellten Noppen haben immer die
definierte Höhe, denn der Herstellungsprozess unterliegt keinem Verschleiß wie er z.B. bei
mechanischen Prägewerkzeugen auftritt.
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(8) Anlagepunkte für Spanner mitdrucken
Zum einfachen Spannen eines Bauteils in einer Schweißvorrichtung kann es hilfreich sein, am
gedruckten Teil Anlagepunkte für Spanner mit zu drucken (Abbildung 56). (Diese Thematik ist
praktisch am Demonstrator Bauteil für die Lenksäulenaufhängung realisiert, AP 5.1)
Abbildung 56: Mitgedruckte Anlagepunkte für Spanner können den mechanischen Aufwand in einer
Schweißvorrichtung minimieren
Durch geeignete Anlageflächen an dem AM-Teil können standardisierte Spannelemente verwendet
werden. Der Fixierungsprozess wird dadurch sicherer und verursacht weniger Fehlspannungen des
Bauteils.
(9) temporäre Befestigungsklipse zur Vereinfachung des Montage- / Fügeprozesses
Abbildung 57: Befestigungsklips zur Positionierung eines AM-Teils an einem Rundrohr
Am gedruckten Teil können temporäre Befestigungsklipse zur Vereinfachung des Montage- /
Fügeprozesses vor dem Verschweißen realisiert werden. Die heute bereits bei der Montage von
Kunststoffteilen verwendete „Klipstechnik“ kann in einigen Bereichen auch auf die Anbindung von
metallischen Bauteilen übertragen werden. Dabei kann der gedruckte Klips für eine temporäre
Fixierung, aber auch für eine finale Befestigung des AM-Teils vorgesehen werden. Abbildung 57
zeigt ein Beispiel für eine geklipste Verbindung zwischen einem AM-Teil und einem Rohr.
(10) Hilfskonstruktion zu Positionierung mehrerer Teile
Für die Positionierung mehrerer gedruckter Anbauteile untereinander kann es sinnvoll sein, diese
Anbauteile untereinander mit einer Hilfskonstruktion zu verbinden. Ein Beispiel hierzu findet sich
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
ebenfalls im Demonstrator zu der Lenksäulenaufhängung. Hier sorgt die Verbindungsbrücke für
die korrekte Positionierung der Teile zueinander und dient gleichzeitig noch als Anlagepunkt für
einen Spanner. Abbildung 58 zeigt hierzu ein Beispiel zur Positionierung von zwei Flanschen.
Abhängig vom Anwendungsfall kann die Verbindungsbrücke auch so gestaltet werden, dass sie
nach erfolgter Fixierung der beiden Flansche entfernt wird.
Abbildung 58: Gedruckte, temporäre Abstandshalter zwischen 2 AM-Teilen
(11) Zentrier- / Positionierstifte mitdrucken
Die vielfach in Schweißvorrichtungen integrierte Positionierstifte für ein anzuschweißendes Teil
können ersatzlos entfallen wenn an dem AM Teil ein Zentrierflansch mitgedruckt wird. Dadurch
reduziert sich zusätzlich der Instandhaltungsaufwand für die Vorrichtung, weil der im unmittelbaren
Schweißbereich angeordnete Zentrierzapfen ersatzlos entfällt. Abbildung 59 zeigt ein Beispiel für
einen mitgedruckten Zentrierstift, der zusätzlich zur Einsparung von Material als Hohlstift
ausgeführt ist.
Abbildung 59: Konventioneller Zentrierstift (links) und mitgedruckter Zentrier- / Positionierabsatz (rechts)
(12) Positionierhilfen mitdrucken
Zum Verschweißen der im Projekt hergestellten KS2 Zugproben ist eine vergleichsweise aufwendige
Positionierung der Bauteile zueinander in der Vorrichtung notwendig. Hier können (ggfls.
entfernbare) äußere Positionierhilfen an einem der Fügepartner eine Vereinfachung bewirken. Im
Fall der KS2 Proben haben diese Zentrierhilfen später keine Funktion und können am Prüfling
verbleiben oder aber über mitgedruckte Sollbruchstellen leicht entfernt werden. Abbildung 60 zeigt
69
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
prinzipiell eine Ausführungsvariante dieser Systematik in Form von zwei seitlich angeordneten
Orientierungsklammern, die nach dem Verschweißen entfernt werden.
Abbildung 60: Mitgedruckte und nach dem Verschweißen entfernbare äußere Positionierhilfen
(13) Stumpfstoß bei großen Materialdickenunterschieden
Stumpfstoßverbindungen an Materialien unterschiedlicher Blechdicke finden vielfach
Anwendungen im Bereich der Tailored Blank Herstellung. Über den richtig positionierten Laserstrahl
wird ein harmonischer Materialdickenübergang durch den Schweißprozess erzeugt. Sind die
Materialdickenunterschiede aber zu groß kommt diese Technik an ihre Grenzen, und ein
harmonischer Übergang ist nicht mehr herstellbar. Hier kann der 3D gedruckte Fügepartner sehr
einfach an die geforderte Geometrie angepasst werden (Abbildung 61).
Abbildung 61: Angepasste Kantengeometrie zum Verschweißen unterschiedlich dicker Materialien als
Stumpfstoß
(14) Schweißbuckel auch bei kleinen Losgrößen sinnvoll
Buckelschweißverbindungen lassen sich in der Serienproduktion für kostengünstige
Schweißverbindungen einsetzen, benötigen aber für die Herstellung des Halbzeuges ein
entsprechendes (teures) Werkzeug. Bei geringen Stückzahlen ist dies nicht immer wirtschaftlich.
Mittels 3D Drucken kann ein fügegerechter Schweißrohling (mit Schweißbuckeln) auch in kleinen
Losgrößen hergestellt werden. Abbildung 62 zeigt eine geschmiedete Buckelschweißmutter, die in
kleinen Losgrößen auch mittels additiver Verfahren hergestellt werden kann.
70
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 62: Geschmiedete Mutter mit Schweißbuckeln
(15) Substitution mehrerer Blechbiegeteile zu einer gedruckten Baugruppe
Abbildung 63: Geschweißte PKW Strukturbaugruppe (Armaturenbrettträger) aus ca. 36 Einzelteilen
Die in Abbildung 63 beispielhaft dargestellte Baugruppe besteht im Urzustand aus ca. 36
Einzelteilen (Blechbiegeteile) die an ein zentrales Rohr angeschweißt werden. Die Anzahl der
Einzelteile lässt sich durch Zusammenfassung in 3D gedruckte Baugruppen auf ca. sieben ZSB-
Gruppen (rot eingekreist) und fünf verbleibende Einzelteile reduzieren.
Einsparung von Einzelteilen (Lagerhaltung, Dokumentation, Produktpflege)
Einsparung von Schweißprozessen (Schweißzeit, Schweißmaschinen / Produktionsfläche),
Vorrichtungen)
Gewichtsreduzierung am Bauteil, weil der Überlappanteil in vielen Fügebereichen entfällt.
4.4. Entwicklung von Prozessparameter für das Laser-Pulver-Auftragschweißen
Ziel dieses Arbeitspakets ist die Durchführung einer Machbarkeitsstudie zur mechanischen
Verstärkung automobilrelevanter Blechbauteile, durch den Aufbau von 2,5D- und 3D-Strukturen
mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). LPA ist ein düsenbasiertes additives
Fertigungsverfahren. Im Gegensatz zum Pulverbettverfahren wird das Pulver bei LPA direkt und
71
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
lokal dem Substrat zugeführt, während es gleichzeitig durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird.
LPA ist in der Lage 3D-Strukturen mit komplexen Geometrien flexibel und relativ schnell
(Aufbaurate ca. Faktor 5 bis 10 gegenüber dem Pulverbettverfahren) aufzubauen. Ein weiterer
Vorteil des LPA-Verfahrens ist die Möglichkeit, die gewünschte Geometrie mit hohen Aufbauraten
herzustellen, was den Prozess für die industriellen Anwendungen attraktiv macht. Mit dem LPA-
Verfahren können bereits bestehende 3D-Bauteile bearbeitet werden, wodurch eine
Bauteilverstärkung möglich ist. Die Oberflächenrauheit ist bei dem LPA-Verfahren etwas höher als
bei dem Pulverbettverfahren.
Dieses Arbeitspaket zielt auf die Entwicklung und die Optimierung des LPA-Prozesses und der
zugehörigen Parameter ab, um 3D-Verstärkungsstrukturen auf den für die Automobilindustrie
relevanten Blechen aufbringen zu können. Die Entwicklung in diesem Arbeitspaket beginnt mit der
Optimierung der Prozessparameter unter Verwendung eines Blechs mit einer Stärke von 10 mm. In
den nächsten Phasen werden die Parameter an dünnere Bleche von 5 mm, 3 mm und 2 mm
angepasst. Die Blechstärke von 10 mm wird zu Beginn gewählt, um einen möglichen Einfluss des
Substrats (z. B. den Verzug des Blechs) auf den Prozess zu vermeiden. Nach dem Verständnis des
Prozesses und des Einflusses verschiedener Parameter, wird das Verfahren jedoch auf dünneren
Blechen weiterentwickelt. In der letzten Phase dieses Arbeitspakets werden 3D-Strukturen mit dem
optimierten Prozess auf die für die Automobilanwendungen relevanten Demonstratoren
aufgetragen.
Die Bleche bestehen in diesem Projekt aus dem Stahl HC380LA (DIN ISO 1.0550). Darüber hinaus
wird Pulver desselben Stahls (mit einer Partikelgröße von 45 bis 90 µm) verwendet. Dies ist
vorteilhaft für den Prozess und bietet gleichzeitig die Möglichkeit das gröbere Korn weiter zu
nutzen, welches für das Pulverbettverfahren untauglich ist. Zum Einsatz kommt eine Trumpf
TruLaser Robot 5020 Anlage, welche über eine Laserquelle (TruDisk 6001) mit maximal 6 kW
Leistung und einer Wellenlänge von 1030 nm verfügt. An dem sechsachsigen Industrieroboter ist
der Schweißkopf mit einer koaxialen Dreistrahldüse befestigt. Als Schutzgas wurde Argon und als
Trägergas Helium verwendet.
4.4.1. Parameterstudie an Einzelspuren bei 10mm Blechstärke
Zur Identifizierung eines optimalen Prozessfensters mit möglichst geringem experimentellen
Aufwand, wird ein computergestützter evolutionärer Optimierungsalgorithmus NSGA-II (non-
dominated sorting genetic algorithm II) verwendet. Der Optimierungsalgorithmus erzeugt neue
Parametersätze durch Rekombination und Mutation bestehender Parameter. Ein solcher
Algorithmus wird üblicherweise verwendet, wenn keine vorherigen Informationen zum
Prozessparameterfenster vorliegen und wenn verschiedene Einzelparameter mehrere Zielgrößen
beeinflussen. Abbildung 64 zeigt den Iterationsprozess, mit dem der NSGA-II die optimalen
Parameter erreicht.
72
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 64: Der im Optimierungsprozess mit dem NSGA-II-Algorithmus verwendete Iterationsprozess
In diesem Teil der Studie werden Einzelspuren mit einer Länge von 40 mm aufgetragen. Die
hergestellten Schweißspuren werden für die Analyse getrennt und im Querschnitt metallographisch
präpariert und mikroskopiert. Die Beurteilung der Proben erfolgt nach vier Kriterien, welche in
Tabelle 33 aufgeführt.
Das erste Beurteilungskriterium ist die Porosität, die sowohl in der aufgetragenen Spur, als auch im
aufgeschmolzenen Substrat auftreten kann. Es ist bekannt, dass die Porosität in einem Bauteil seine
mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei zyklischer Belastung, verringert. Hierbei ist jedoch
zu beachten, dass die zulässige Porosität vom Bauteil, dem Material und der Anwendung abhängt.
Die Porosität wird mit dem Mikroskop gemessen, indem die Fläche der Poren durch die
Gesamtfläche der aufgetragenen Spur und des geschmolzenen Substrats geteilt wird. Ziel ist eine
Porosität unter 0,5 %.
Das nächste Kriterium ist der Aufmischungsgrad, der als die Fläche des aufgeschmolzenen Substrats
(in Tabelle 33 gelb markiert) über die Gesamtfläche der aufgetragenen Spur (in der Tabelle 33 grün
dargestellt) inklusive des Schmelzbads (gelb) im Substrat definiert ist. Ein großes Schmelzbad und
eine große Wärmeeinflusszone (WEZ) führen zu hohen Eigenspannungen zwischen der
aufgetragenen Spur, der WEZ und dem Grundmaterial und äußern sich im Verzug des Blechs.
Daher ist das Ziel eine Aufmischung von unter 30 %.
Das nächste Kriterium ist die Anbindung. Diese wird als die Gesamtbreite der aufgetragenen Spur
über die Breite der Grenzfläche auf dem Substrat beschrieben. Die Anbindung stellt dabei einen
wichtigen Parameter dar, da dieser ein Maß für die Verbindung zwischen aufgetragener Spur und
dem Substrat ist. Eine Anbindung unter 1 bedeutet eine unvollständige Verbindung über die
gesamte Spurbreite, was sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der aufgetragenen
Spur unter Belastung auswirken kann.
Das Aspektverhältnis bezeichnet das Verhältnis zwischen Höhe und Breite der aufgetragenen Spur
und ist das vierte und somit letzte Kriterium zur Optimierung der Prozessparameter. Um mehrere
Spuren layerweise aufzubauen, wird ein Aspektverhältnis von 1/4 angestrebt (Höhe / Breite).
73
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 33: Die Kriterien zur Bewertung der Prozessparameter
Zielgrößen Bild Definition Zielbereich
Porosität
p = APore/Agesamt P < 0,5%
Aufmischungsgrad
AG = A2/(A1+A2) AG < 10% - 30%
Anbindung
B = L1/L2 B = 1
Aspektverhältnis
AV = H/B AV = 1/4
Die Spuren der verschiedenen Parameterpaarungen werden anhand der vier Kriterien evaluiert. Je
näher die einzelnen Zielvorgaben erreicht wurden, desto niedriger ist die Bewertungszahl (1 =̂ gut
=̂ im Zielbereich; 10 =̂ schlecht =̂ weit entfernt vom Zielbereich). Für jeden Satz von
Prozessparametern werden nach dem individuellen Kriterium individuelle Bewertungswerte (Rating)
vergeben. Schließlich wird eine Gesamtbewertung als Summe der Einzelbewertungen wie folgt
berechnet:
Gesamtbewertung = Bewertung (Porosität) + Bewertung (Aufmischungsgrad) + Bewertung
(Anbindung) + Bewertung (Aspektverhältnis)
Neben diesen Kriterien wird der Pulvernutzungsgrad stets als wichtiger Parameter für die Effizienz
der Pulvernutzung angesehen. Der Pulvernutzungsgrad wird als die Pulvermenge beschrieben, die
vom eintreffenden Laserstrahl geschmolzen wird und tatsächlich zur Herstellung eines Bauteils
verwendet wird, im Verhältnis zum insgesamt geförderten Pulver. Der Pulvernutzungsgrad wird in
der Regel durch verschiedene Parameter wie Pulverförderrate, Fokusdurchmesser,
Vorschubgeschwindigkeit, indirekt durch Laserleistung und deren Wechselwirkungen beeinflusst.
Wird dem System beispielsweise zu viel Pulver zugeführt, aber eine geringere Laserleistung oder
eine schnelle Vorschubgeschwindigkeit verwendet, wird weniger Pulver aufgeschmolzen, was zu
einem geringen Pulvernutzungsgrad führt.
Es wurden fünf relevante Prozessparameter ausgewählt. Diese Parameter sowie ihr
Variationsbereich sind in Tabelle 34 aufgeführt.
74
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 34: Die Liste der Prozessparameter
Parameter Einheit untere Grenze obere Grenze
Laserleistung (P) [W] 700 3000
Geschwindigkeit (V) [m/s] 0,005 0,02
Pulvermassenstrom (P-m.) [g/min] 8,9 30
Fokusdurchmesser [mm] 2 3
Argonstrom [l/min] 5 20
Parameterstudie an Einzelspuren bei Blechstärke 10 mm
Eine Gesamtzahl von 96 Proben (Parametersätze) wird experimentell ausgewertet, um einen
optimalen Satz von Prozessparametern gemäß den oben genannten ausgewählten Kriterien zu
erhalten. Aus allen verschiedenen Parameterkombinationen werden drei Sätze anhand ihrer
Gesamtbewertung (GB) und ihres Pulvernutzungsgrades (PN) ausgewählt, welche in Tabelle 35
aufgeführt.
Tabelle 35: Die drei besten Sätze von Prozessparametern
Probe Nr.
P [W]
V [m/s]
P-m. [g/min]
Fokusdurchmesser [mm]
Argonstrom [l/min] GB
Aufbaurate [cm3/h]
PN
55 1100 0,020 27,7 2 20 5 32,8 15,5%
51 2300 0,014 27,7 2 20 9 89,5 42,3%
81 2800 0,012 18,5 3 10 9 89,9 63,7%
Zusätzlich zu diesen Ergebnissen zeigt Abbildung 65 den Querschnitt dieser Proben, in denen die
aufgetragene Spuren und die geschmolzene Bereiche der Substrate hervorgehoben sind.
Probe 55
Probe 51
75
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Probe 81
Abbildung 65: Der Querschliff der drei Proben mit der besten GB und PN
Aus Tabelle 35 und Abbildung 65 geht hervor, dass die Probe 55 zwar die beste Gesamtbewertung
(GB) von 5 aufweist, jedoch aus zwei Gründen von unzureichender Qualität ist. Erstens ist der
Pulvernutzungsgrad mit 15,5 % sehr niedrig und somit für den Prozess ineffizient. Darüber hinaus
sieht man aus der Querschnittsbewertung, dass das Volumen des aufgeschmolzenen Substrats eher
klein und in der Mitte der aufgetragenen Spur konzentriert ist. Dies bedeutet, dass die Verbindung
zwischen der Spur und dem Substrat an den Rändern der Spur eher schwach ist.
Andererseits zeigt die Probe 81 eine relativ gute GB und einen hohen Pulvernutzungsgrad von
63,7%. Diese Probe zeigt jedoch auch keine vollständige Anbindung und vor allem vollständige
Aufschmelzung des Substrats zwischen der Spur und dem Substrat über die gesamte Breite.
Darüber hinaus ist aufgrund der hohen Laserleistung und der langsamen Vorschubgeschwindigkeit
die Porosität in dieser Probe relativ hoch.
Im Gegensatz zu diesen beiden Proben zeigt die Probe 51 eine akzeptable GB, einen akzeptablen
Pulvernutzungsgrad von 42,3% und eine vollständige Anbindung zwischen der aufgetragenen
Spur und dem Substrat. Die vollständige Anbindung zwischen der Spur und dem Substrat ist
wichtig, um im Allgemeinen gute mechanische Eigenschaften zu erzielen.
Die Aufbaurate dieser Proben ist ebenfalls in Tabelle 35 aufgeführt. Die Aufbaurate wird durch die
Kombination aller Prozessparameter beeinflusst. Probe 55 hat eine geringe Aufbaurate, da sie eine
geringe Laserleistung (weniger Energie, um genügend Pulver zu schmelzen) und eine hohe
Geschwindigkeit (weniger Zeit, um das Pulver zu schmelzen) aufweist. Im Gegensatz dazu haben
beide Proben 51 und 81 aufgrund ihrer höheren Laserleistung und langsameren
Vorschubgeschwindigkeit eine höhere Aufbaurate.
Zusätzlich zu den obigen Untersuchungen wird die Härte der Proben mit zwei Parametersätzen
gemessen, wie in Abbildung 66 gezeigt.
76
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 66: (links) Horizontales und (rechts) vertikales Härteprofil von Proben mit hohem und niedrigem Wärmeeintrag
Beide Proben zeigen in Abbildung 66 eine Zunahme der Härte im relevanten Bereich (der
aufgeschmolzenen Fläche und der Wärmeeinflusszone im Substrat) im Vergleich zum
Grundmaterial. Aus dem horizontalen Profil ist ersichtlich, dass beide Proben die Spitzenhärte von
ungefähr 450 HV aufweisen. Die Wärmeeinflusszone unter der Oberfläche des Substrats ist jedoch
viel größer (mehr als 2,5 mm), wenn der Auftrag mit höherer Laserleistung und niedrigerer
Geschwindigkeit (daher höherer Wärmeeintrag) durchgeführt wird, im Vergleich zur Probe mit
niedrigem Wärmeeintrag (ca. 1,5 mm). Eine derart große Wärmeeinflusszone kann sich nachteilig
auf den Verzug auswirken, wenn größere Aufträge vorgenommen werden. Der Unterschied ist
auch aus dem vertikalen Profil ersichtlich, welches bei Prozessparametern mit geringer
Wärmeeinbringung eine Zunahme der Härte an der Oberfläche des Substrats aufzeigt, an der Stelle
an der der Spurauftrag beginnt. Bei höherem Wärmeeintrag erstreckt sich die Wärmeeinflusszone
jedoch ca. 0,75 mm unter die Oberfläche. Eine große Wärmeeinflusszone führt zu größerem
Verzug. Hierbei ist zu beachten, dass bei der hohen Laserleistung von 2300 W die
Vorschubgeschwindigkeit gleichzeitig mit 0,014 m/min geringer ist und es somit zu einer deutlich
höheren Streckenenergie (J/mm) kommt.
Am Ende dieser Phase werden die Prozessparameter zur Herstellung der Probe 51 als optimaler
Parametersatz für die Blechdicke von 10 mm ausgewählt.
4.4.2. Reduzierung der Blechstärke
Um nun die Ergebnisse der ersten Phase auf die für die Automobilindustrie relevanten, geringeren
Blechstärken anzupassen, werden die optimierten Prozessparameter für die Blechstärke von 10 mm
auf kleinere Blechstärken von 5 mm, 3 mm und 2 mm adaptiert. Der Ansatz in diesem Teil besteht
darin, die Laserleistung und die Vorschubgeschwindigkeit gemäß dem im letzten Abschnitt
aufgeführten optimalen Parametersatz geringfügig zu variieren. In Tabelle 36 sind diese neuen
Prozessparametersätze aufgeführt. Die drei Blechstärken werden dabei mit den gleichen
Parametersätzen untersucht.
77
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Tabelle 36: Die ausgewählten Prozessparameter auf die reduzierten Blechdicken
Probe Nr.
Basi
s Pa
ram
ete
r
Prozessparameter Produktivität Bewertung
P
[W]
V
[m/s
]
P-m
. [g
/min
]
Fo
ku
sdu
rch
mess
er
[mm
]
Arg
on
stro
m
[l/m
in]
Au
fbau
rate
[cm
3/h
]
Fö
rderr
ate
[cm
3/h
]
Pu
lve
rnu
tzu
ng
s-g
rad
Ble
chst
ärk
e 5
mm
Ble
chst
ärk
e 3
mm
Ble
chst
ärk
e 2
mm
102
51
2300 0,014 27,7 2 20 77,4 211,7 36,6% 14 12 11
103 2300 0,016 27,7 2 20 80,6 211,7 38,1% 12 11 11
104 2300 0,018 27,7 2 20 77,9 211,7 36,8% 11 10 10
105 2100 0,012 27,7 2 20 77,2 211,7 36,5% 13 11 12
106 2600 0,016 27,7 2 20 86,1 211,7 40,7% 13 10 10
Für alle drei Blechstärken wird der Querschnitt der aufgetragenen Spur unter dem Mikroskop
analysiert und die Gesamtbewertung nach den erläuterten Kriterien evaluiert. Aus Tabelle 36 geht
hervor, dass in allen Fällen zwei Sätze von Prozessparametern besser abschneiden und eine relativ
gute Gesamtbewertung erzielen. Dies sind Prozessparameter der Proben 104 und 106,
insbesondere bei den geringen, in der Autoindustrie wichtigen, Blechdicken (2 mm und 3 mm). Um
die besten Prozessparameter zu finden, wird der Querschliff beider Proben wie in Abbildung 67
dargestellt betrachtet.
Probe 104
Probe 106
Abbildung 67: Der Querschliff der Proben 104 und 106 mit der besten GB (auf Blechstärke 2 mm)
78
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Es ist ersichtlich, dass bei Probe 104 eine vollständige Anbindung über die gesamte Spurbreite
gebildet wird, wohingegen Probe 106 eine unvollständige Anbindung zeigt. Dies ist wahrscheinlich
auf die höhere Laserleistung in Probe 106 zurückzuführen. Eine höhere Laserleistung (was eine
höhere Laserintensität bedeutet) erzeugt mehr Energieeintrag in tiefere Bereiche des Substrats und
erzeugt somit einen tieferen Schmelzbereich. Daher wird der Parametersatz der Probe 104 als
optimaler Satz für die nächsten Phasen ausgewählt. Hierbei ist zu erwähnen, dass der Verzug noch
nicht bewertet wird. Dies liegt daran, dass die hergestellten Proben kleine Einzelspuren sind und
somit nicht ausreichend Energie in die Substratbleche eingebracht wird, um den Verzug bewerten
zu können.
Weitere Parameteradaption an Einzelspuren zur Produktivitätssteigerung
In der letzten Phase dieses Teils soll die Produktivität des Prozesses durch Änderung des
Pulvermassenstroms gesteigert werden. Es ist erwähnenswert, dass in dieser Studie die Produktivität
als höherer Pulvernutzungsgrad angesehen wird. Tabelle 37 listet den ausgewählten
Pulvermassenstrom für diese Studie auf. Andere Prozessparameter werden gemäß der Probe 104
aus Tabelle 36 übernommen. Darüber hinaus wurde die Blechdicke von 2 mm für diesen Teil der
Arbeit ausgewählt.
Tabelle 37: Die Liste der ausgewählten Pulvermassenströme und daraus resultierende Produktivität (Pulvernutzungsgrad) für die Blechdicke von 2 mm erhöhen
Pulvermassenstrom [g/min]
Produktivität
Au
fbau
rate
[cm
3/h
]
Fö
rderr
ate
[cm
3/h
]
Pu
lve
rnu
tzu
ng
sgra
d
27,7 77,4 211,7 36,4%
24,6 67,4 188,2 35,8%
21,5 61 164,4 37%
18,5 58,5 141,1 41,5%
Eine höhere Förderrate und somit ein größerer Pulvermassenstrom von bis zu 27,7 g/min führt dem
System logischerweise mehr Pulver zu, dies führt allerdings nicht zwangsläufig zu einer besseren
Produktivität, welche maßgeblich von dem Pulvernutzungsgrad und der Aufbaurate (die Menge
des Pulvers, die tatsächlich zum Aufbau des Produkts während einer bestimmten Zeit verwendet
wird) beeinflusst wird. Hierbei ist entscheidend wie viel von dem zugeführten Pulver
aufgeschmolzen und in die Spur aufgetragen wird. Dies hängt von der Laserleistung, der
Vorschubgeschwindigkeit und natürlich vom Fokusdurchmesser ab. Daraus ist abzuleiten, dass die
Erhöhung des Pulvermassenstroms unterschiedliche Einflüsse auf die Aufbaurate und die Förderrate
hat. In dieser Versuchsreihe erhöht eine Steigerung des Pulvermassenstroms von 18,5 g/min auf
79
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
27,7 g/min die Aufbaurate um ca. 30 %, während es die Förderrate um 50 % erhöht. Die Erhöhung
des Pulvermassenstroms führt daher letztendlich zu einem geringen Pulvernutzungsgrad. Die
Erkenntnis kann jedoch nicht auf andere Systeme mit anderen Prozessparametern und Pulver
verallgemeinert werden.
Am Ende dieses Versuchsabschnittes werden Prozessparameter identifiziert, die zuverlässige
Einzelspuren mit sehr geringer Porosität (nahe null) erzeugen und einen relativ guten
Pulvernutzungsgrad von 41,5 % aufweisen. In Tabelle 38 sind diese Prozessparameter aufgeführt.
Tabelle 38: Der optimale Satz von Prozessparametern durch Optimierung der Einzelspuren
P [W] V [m/s] P-m.
[g/min] Fokusdurchmesser
[mm] Argonstrom
[l/min] Fokus Abstand
[mm]
2300 0,018 18,5 2 20 17
Abbildung 68 zeigt den Querschliff der aufgetragenen Spur, die durch die oben genannten
optimalen Parameter erzeugt wird. Die Spur hat eine Breite von 2200 ± 40 µm und eine Höhe von
590 ± 13 µm.
Abbildung 68: Der Querschliff einer aufgetragenen Spur auf dem Substrat unter Verwendung der optimalen Prozessparameter
4.4.3. Flächiger und schichtweiser Aufbau
Nachdem ein optimaler Parametersatz gefunden wurde, wird der Prozess weiter optimiert, um
mehrere Schichten sowohl in horizontaler (flächiger Aufbau) als auch in vertikaler (schichtweiser
Aufbau) Richtung aufzubauen. Auf diese Weise können 3D-Strukturen erstellt werden.
Untersuchung von mehreren Lagen in der Ebene
Im ersten Schritt besteht das Ziel darin, den optimalen Überlappungsgrad zwischen angrenzenden
Schichten zu finden, um eine relativ ebene Oberfläche zu erhalten. Die Prozessparameter werden,
wie in Tabelle 38 aufgeführt, festgelegt und der Überlappungsgrad wird zwischen 25 % und 35 %
(entsprechend einer Verschiebung jeder Spur von 65 % bis 75 % seiner Breite im Vergleich zum
benachbarten Spur) in Schritten von 1% untersucht. Abbildung 69 zeigt, wie der
Überlappungsgrad und der Versatz berücksichtigt und definiert wurden.
80
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 69: Eine Illustration des flächiger Aufbaus; (a) zeigt den Überlappungsgrad und (b) zeigt den Versatz
Da die Breite eines einzelnen Layer 2200 µm beträgt (wie im vorherigen Abschnitt erwähnt),
variierte die ausgewählte Überlappung zwischen 550 und 770 µm.
Abbildung 70: Der Querschliff der Proben mit mehreren angrenzenden Schichten und einem Überlappungsgrad von 35 %, 30 % und 25 %
Wie in Abbildung 70 dargestellt, weisen die Proben im gewählten Bereich des Überlappungsgrads
eine relativ ebene Oberfläche auf. Zur Auswahl des optimalen Überlappungsgrads wird die Höhe
der aufgetragenen Spuren über die gesamte konstante Länge gemessen. Dies bedeutet, dass die
Ränder der Proben, bei denen die Höhe nicht konstant ist, bei den Messungen nicht berücksichtigt
werden. In Tabelle 39 sind die erreichte maximale und minimale Höhe sowie die Differenz zwischen
der max. und min. Höhe aufgelistet.
Tabelle 39: Die max. und min. Höhe mit unterschiedlichem Überlappungsgrad
Überlappungsgrad max. Höhe [µm] min. Höhe [µm] Differenz [µm]
35% 710 438 272
30% 726 471 255
25% 625 494 131
81
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Eine größere Überlappung von 35 % erzeugt eine etwas unebenere Oberflächenschicht als die von
25 %. Dies ist zu erwarten, da die benachbarten Spuren zu einem höheren Grad überlappen und
sich somit etwas mehr in der Höhe ausbauen. Der Unterschied zwischen max. und min. Höhe
verringert sich mit der Reduzierung des Überlappungsgrads. Dies bedeutet, dass der
Überlappungsgrad von 25 % eine glattere Oberfläche bei einer akzeptabel erreichten Höhe.
Darüber hinaus führt eine geringere Überlappung zu einem schnelleren Ausbau in der Fläche,
indem weniger Spuren aufgetragen werden (da die Überlappung geringer ist), was am Ende zu
einem wirtschaftlicheren Prozess führt.
Wenn der Überlappungsgrad nicht angemessen gewählt wird, zeigt die Probe eine wellige
Oberfläche, die den Aufbau einer 3D-Struktur behindert. Der Einfluss einer solchen
unangemessenen Auswahl des Überlappungsgrads ist in Abbildung 71 dargestellt.
Abbildung 71: Der Querschliff der Probe mit welliger Oberfläche wegen geringem Überlappungsgrad (10%)
Untersuchung von mehreren Lagen in der Höhe
Die nächste Phase bei der Entwicklung des LPA-Prozesses für das ausgewählte Material besteht
darin, mehrere Spuren/Layer übereinander aufzubauen, um eine stabile Wand mit den
erforderlichen Abmessungen zu erhalten. Im ersten Schritt werden die in Tabelle 38 aufgelisteten
optimalen Parameter ausgewählt, um fünf Layer übereinander aufzutragen. In diesem Fall wird der
Abstand zwischen jeder Schicht (z-Zustellung des Roboters) zwischen 60 % und 80 % der Höhe
einer einzelnen Spur (590 µm) variiert. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen den Layern von
354 µm bis 472 µm variiert wird. Die endgültige Höhe der fünf Layer variiert zwischen 2050 und
2250 µm und die Breite variiert zwischen 2700 und 2900 µm. Der Prozess ist in allen Fällen stabil
und der Unterschied zwischen Höhe und Breite der Proben ist gering. Abbildung 72 zeigt einen
repräsentativen Querschliff einer Probe, die mit einer z-Zustellung von 70 % (413 µm) hergestellt
wurde.
82
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 72: Schichtweiser Aufbau aus 5 Lagen mit einer z-Zustellung von 70% (413 µm)
Um den Prozess weiter zu evaluieren, werden im nächsten Schritt Probekörper mit 40 Layern und
der z-Zustellung von 60 % bis 80 % hergestellt. Abbildung 73 zeigt beispielhaft eine repräsentative
Probe dieser Versuchsreihe. Das Problem, das zu einer solchen instabilen fehlerhaften Probe führt,
ist klar. In den zuerst aufgetragenen Spuren wird die durch den Prozess erzeugte Wärme sowohl
durch Konvektion, aber vorallem durch Wärmeleitung zum Substrat abgegeben. Wenn die Anzahl
der Layer zunimmt, wird die erzeugte Wärme zusätzlich, zur Wärmeübertragung zu den vorherigen
Spuren (anstatt des Substrats), über Konvektion und Wärmestrahlung an die Luft abgeleitet. Dies
bedeutet, dass die Temperatur der aufgetragenen Spuren kontinuierlich ansteigt. Daher beginnen
die oberen Layer zu schmelzen und an den Seiten der Wand herunterzufließen, anstatt die Höhe
der Wand in erwartetem Ausmaße zu erhöhen.
Abbildung 73: Schichtweiser Aufbau von 40 Lagen mit einer z-Zustellung von 70% (413 µm)
Zwei Ansätze werden ausgewählt, um das Problem zu überwinden. Zunächst wurde die
Laserleistung nach jeweils fünf Layer schrittweise reduziert, bis die vorgegebene Gesamtzahl der
Layer erreicht ist. Die Laserleistung der letzten Layer wird zu 70 %, 80 % und 90 % der
Anfangsleistung von 2300 W gewählt. Die Laserleistung der dazwischenliegenden Layer wird
entsprechend gewählt. In Abbildung 74 ist das Konzept der Reduzierung der Laserleistung
dargestellt, und in Tabelle 40 ist die ausgewählte Laserleistung detailliert aufgeführt.
83
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 74: Die Reduzierung der Laserleistung entspricht der Ausgangsleistung von 2300 W
Tabelle 40: Angaben zur Laserleistung in jeweils 5 Layer basierend auf der ausgewählten endgültigen Laserleistung
Laserleistung (ΔP) [W] Spur 1-5 Spur 6-10 Spur 11-15 Spur 16-20 Spur > 20
70% 2300 1921 1775 1658 1600
80% 2300 2047 1950 1872 1833
90% 2300 2174 2125 2086 2067
Neben der Reduzierung der Laserleistung, wird eine Wartezeit von ca. 20 s zwischen jedem Layer
in die Programmierung des Laserroboters eingefügt, sodass die Probe zwischen den einzelnen
Layern abkühlen kann. Ziel bei diesem Schritt ist es, Wände mit einer Höhe von ca. 10 mm
herzustellen. Zusätzlich wird für jede Laserleistung eine z-Zustellung von 65 %, 70 % und 75 %
verwendet, um die optimale Einstellung herauszufinden. Abbildung 75 zeigt eine repräsentative
Probe, die durch eine Laserleistungsdifferenz von 70 % und die z-Zustellung von 75% herstellt
wird. In diesem Fall sind 23 Layer aufgetragen, um die Höhe von 10 mm zu erreichen.
84
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Abbildung 75: Schichtweiser Aufbau einer repräsentativen Probe mit 23 Layer, Laserleistungsdifferenz von 70 % und der z-Zustellung von 70 % (413 µm)
Es ist zu beobachten, dass bei Auswahl einer geeigneten Reduzierung der Laserleistung und einer
Wartezeit eine gut definierte und zuverlässige Wand mit der Höhe von ca. 10 mm erreicht wird.
Die folgenden Punkte können als Zusammenfassung der Prozessentwicklung in den ersten drei
Phasen dieses Arbeitspakets angegeben werden:
Der LPA-Prozess wurde entwickelt und optimiert und ein optimaler Parametersatz für die
Blechstärke von 10 mm identifiziert
Der Prozess wurde weiterentwickelt, um einen stabilen Prozess für die
Automobilanwendungen relevanten Blechstärken zu erreichen (Blechstärke von 3 mm und
2 mm)
Die Produktivität des Prozesses (Pulvernutzungsgrad) wurde ebenfalls verbessert (der
optimale Pulvernutzungsgrad von 41,5% wurde erreicht)
Eine Kombination aus Laserleistung von 2300 W, Vorschubgeschwindigkeit 0,018 m/s,
Pulvermassenstrom 18,5 g/min und Fokusdurchmesser 2 mm zeigt einen stabilen Prozess,
um zuverlässige Einzelspuren aufzutragen
Die Härtemessung zeigt, dass der Prozess die Härte der aufgetragenen Spuren und der
Wärmeeinflusszone unter der Oberfläche des Substrats im Vergleich zur Härte des
Grundmaterials unabhängig vom Ausmaß des Wärmeeintrags erhöht. Ein geringerer
Wärmeeintrag verringert jedoch die Wärmeeinflusszone und möglicherweise den
Wärmeverzug im Vergleich zum Wärmeeintragszustand.
Es wurde sichergestellt, dass ein stabiler Prozess einen flächigen- und schichtweise Aufbau
mit unterschiedlichen Höhen erzeugt
Um eine fehlerfreie stabile Wand zu erhalten, war es erforderlich, die Laserleistung in Stufen
zu reduzieren und eine Wartezeit einzuhalten, um eine Kühlzeit sicherzustellen
85
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
4.4.4. Machbarkeitsanalyse zur Fertigung eines Demonstrators
Im letzten Schritt dieses Arbeitspakets soll anhand eines Demonstrators das Potenzial und die
Eignung des LPA-Verfahrens für verschiedene Anwendungen aufgezeigt werden. Abbildung 76
zeigt den ausgewählten Demonstrator. Dieser Demonstrator (U-Profil) wird aufgrund möglicher
Anwendungen in verschiedenen Teilen eines Fahrzeugs definiert. Der Demonstrator stellt dabei die
Möglichkeiten eines optimierten LPA-Prozesses dar, 3D-Strukturen auf den Profilen zu erzeugen,
um so die Substratbleche zu verstärken oder zu versteifen. Zwei Designs werden in Betracht
gezogen; Honeycomb und Isogrid wie in der Abbildung gezeigt.
Abbildung 76: Definierter Demonstrator als U-Profile mit zwei Designs als Verstärkungselemente; Honeycomb (links) und Isogrid (rechts)
Zur Optimierung der Prozessparameter werden verschiedene Optimierungsschritte durchgeführt.
Da die Tauglichkeit der verwendeten Prozessparameter bereits im den vorigen Abschnitte
nachgewiesen wurde, wird in diesem Falle der Verzug des Bleches als Hauptkriterium
herangezogen, welcher so gering wie möglich ausfallen soll. Die Strukturen werden zunächst auf
Blechen (vor der U-Profil-Verformung) mit den Abmessungen 200 x 200 mm aufgetragen, um die
Prozessparameter hinsichtlich des Verzugs zu optimieren. In diesem Abschnitt werden aufgrund
der Relevanz für Automobilanwendungen nur die Blechstärken von 2 mm verwendet. Ziel ist es,
eine Struktur mit einer Höhe von ca. 1 mm herzustellen. Erwähnenswert ist, dass der Prozess im
Detail zunächst für die Honeycomb Struktur optimiert wird und die erhaltenen Parameter dann
auch zur Herstellung des Isogrids verwendet werden.
Deposition Strategie
Um die 3D-Strukturen zu erstellen, werden die folgenden Strategien angepasst. Bei der Honeycomb
Struktur werden 4 einzelne Hexagone berücksichtigt. Zunächst wird Hexagon 1 gemäß der in
Abbildung 77 (links) gezeigten Reihenfolge aufgetragen. Dieselbe Reihenfolge wird zum Auftragen
der Hexagone 2, 3 und 4 verwendet. Dies bedeutet, dass die Spuren zwischen zwei angrenzenden
Hexagonen (ein Beispiel in der Abbildung hervorgehoben) zweimal überlappend aufgetragen
werden. In diesem Fall wird der im vorherigen Abschnitt ermittelte optimale Überlappungsgrad
angewendet. Am Ende des vierten Sechsecks wird die gesamte Außenkontur um alle Sechsecke
86
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
aufgetragen. Bei dieser Strategie werden somit an jeder Wand des Honeycombs zwei Spuren
nebeneinander aufgetragen. Für den nächsten Layer (in der Höhe) wird dieselbe Strategie
angewendet.
Abbildung 77: Die gewählte Strategie, um Honeycomb (links) und Isogrid (rechts) Strukturen abzuscheiden
Die Auftragsstrategie beim Isogrid ist in Abbildung 77 (rechts) dargestellt. Diese Strategie wird
gewählt, um den Wärmeeintrag so weit wie möglich zu verteilen. Ähnlich wie bei der Honeycomb-
Strategie werden die Spuren zwischen angrenzenden Dreiecken und Kreisen zweimal mit dem
optimalen Überlappungsgrad aufgetragen. Am Ende wurde eine Außenkontur um alle Features
aufgetragen. Für den nächsten Layer (in der Höhe) wird dieselbe Strategie angewendet.
1. Versuchsreihe
In der ersten Versuchsreihe werden die in den letzten Abschnitten (Tabelle 38) identifizierten
optimalen Prozessparameter zur Herstellung der Honeycomb-Struktur verwendet. Es werden fünf
Layer mit einer z-Zustellung von 500 µm (85 % der optimalen Einzelspuren) übereinander
aufgetragen, was zu einer Gesamthöhe von ca. 2,5 mm führt. Zusätzlich werden zwei Spuren mit
einer Überlappung von 550 µm (25 % der optimalen Einzelspuren) nebeneinander aufgetragen,
was zu einer Gesamtbreite von ca. 2,2 mm führt. Die Laserleistung wird konstant bei 2300 W
gehalten, da nur fünf Layer aufgetragen werden (siehe Abbildung 74 und Tabelle 40). Außerdem
wird zwischen jeden aufgetragenen Layer in vertikaler Richtung eine Wartezeit von 120 s eingefügt
Abbildung 78 zeigt die Prozessparameter für die ersten Versuche (links) sowie das Blech mit der
Honeycomb-Struktur (rechts).
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Verzug ca. 17,2 mm
Abbildung 78: (links) Der erste Parametersatz, mit dem der Demonstrator erstellt wurde, (rechts) Das Blech mit der Honeycomb-Struktur und dem daraus resultierenden Verzug
Um den Verzug des Blechs nach dem Strukturauftrag zu ermitteln, wird die Differenz zwischen
dem höchsten Punkt des Blechs und einer Bezugsfläche gemessen. Hierbei handelt es sich um eher
qualitative Werte, die den Verzug verschiedener Prozessoptimierungsschritte mit unterschiedlichen
Verzugssrichtungen vergleichbar machen sollen. Der Verzug der ersten Versuchsreihe beträgt
17,2 mm.
Im zweiten Versuch werden lediglich zwei Layer aufgetragen, um eine Struktur mit einer Höhe von
ca. 1 mm aufzutragen. Die verwendeten Parameter und das daraus resultierende Blech inklusive
des Verzugs sind in Abbildung 79 zu sehen.
Verzug ca. 12,5 mm
Abbildung 79: (links) Der zweite Parametersatz, mit dem der Demonstrator erstellt wurde, (rechts) Das Blech mit der Honeycomb Struktur und dem daraus resultierenden Verzug
Auch bei einem Auftrag von nur einem Layer, ist der Verzug zu groß. Daher wird im nächsten
Schritt die Laserleistung auf 1100 W reduziert. Die Ergebnisse sind in Abbildung 80 dargestellt.
Verzug ca. 8,8 mm
Abbildung 80: (links) Der dritte Parametersatz, mit dem der Demonstrator erstellt wurde, (rechts) Das Blech mit der Honeycomb Struktur und dem daraus resultierenden Verzug
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Erwartungsgemäß verringert die Maßnahme den Verzug, die Reduktion des Verzugs um 30 % ist
allerdings für die Demonstratorfertigung zu groß. Darüber hinaus wurde zuvor gezeigt (Abbildung
65, Probe 55), dass eine geringere Laserleistung von 1100 W bei einem Fokusdurchmesser von
2 mm aufgrund einer verringerten Laserintensität zu einer geringen Anbindung zwischen des
aufgetragenen Layers und dem Substrat führt. Daher wird eine Änderung der Wartezeit im
nächsten Schritt untersucht.
2. Versuchsreihe – Veränderung der Wartezeitstrategie
In dieser Phase werden zwei verschiedene Strategien ausgewählt. Beim ersten Ansatz wird eine
Wartezeit von 120 s nach jedem Hexagon der Honeycomb-Struktur verwendet. Dies bedeutet das
4-fache der Wartezeit, da sich vier Hexagone in der Honeycomb-Struktur befinden. In Abbildung
81 (oben rechts) ist zu sehen, dass der Verzug dadurch auf ca. 7,4 mm reduziert werden kann.
Allerdings dauert es jedoch ca. 10 Minuten, um einen Layer der Honeycomb-Struktur, inklusive der
Wartezeiten, aufzutragen.
Im zweiten Ansatz wird zusätzlich zu der Wartezeit von 120 s nach jedem Hexagon, eine Wartezeit
von ca. 15 s zwischen jeder Wand der Hexagone aufgebracht. In diesem Fall wird der Verzug weiter
um ca. 13 % reduziert (Abbildung 81 unten rechts), jedoch auf Kosten der Verarbeitungszeit, die
ca. 19 Minuten dauert.
Die Ergebnisse dieser Serie zeigen, dass der Verzug durch eine längere Wartezeit verringert werden
kann, die Prozesszeit jedoch so lang ist, dass es unrentabel und unwirtschaftlich ist.
Verzug ca. 7,4 mm
Verzug ca. 6,4 mm
Abbildung 81: (links) Der Parametersatz mit den neuen Wartezeitstrategien, (oben rechts) Das Blech mit der Honeycomb-Struktur mit einer Wartezeit von 120 s nach jedem Hexagon, (unten rechts) Das Blech mit der Honeycomb-Struktur mit einer Wartezeit von 120 s nach jedem Hexagon sowie 15 s nach jeder Wand
89
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2. Versuchsreihe – Anpassung des Fokusdurchmessers
Da die letzte Anpassung der Prozessparameter den Verzug des Blechs nicht wesentlich verringert,
besteht der nächste Ansatz darin, den Fokusdurchmesser anzupassen. Dabei wird die
Laserintensität ähnlich wie bei den optimalen Parametern gehalten, um eine gute Anbindung
zwischen den aufgetragenen Spuren und dem Substrat zu erzielen. Durch das Verringern des
Fokusdurchmessers wird jedoch die Laserleistung entsprechend reduziert. Dies bedeutet, dass
weniger Grundmaterial aufgeschmolzen wird, was zu einer Verringerung des thermischen Verzugs
führt.
𝐹𝑜𝑘𝑢𝑠𝑓𝑙ä𝑐ℎ𝑒 ∝ 𝐹𝑜𝑘𝑢𝑠𝑠𝑑𝑢𝑟𝑐ℎ𝑚𝑒𝑠𝑠𝑒𝑟2 (1)
𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡ä𝑡 [𝑊
𝑚𝑚2] =
𝐿𝑎𝑠𝑒𝑟𝑙𝑒𝑖𝑠𝑡𝑢𝑛𝑔 [𝑊]
𝐹𝑜𝑘𝑢𝑠𝑓𝑙ä𝑐ℎ𝑒 [𝑚𝑚]2 (2)
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎𝑔 [𝐽
𝑚𝑚] =
𝐿𝑎𝑠𝑒𝑟𝑙𝑒𝑖𝑠𝑡𝑢𝑛𝑔 [𝑊]
𝐺𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 [𝑚𝑚/𝑠] (3)
Eine Verkleinerung des Fokusdurchmessers reduziert die Fokusfläche quadratisch, wie in der
Gleichung 1 abzulesen ist. Durch Beibehalten der Intensität ähnlich den Standardparametern, wird
die Laserleistung erheblich reduziert (Gleichung 2). Schließlich verringert die Reduzierung der
Laserleistung den Energieeintrag (und somit auch den Wärmeeintrag), wie in Gleichung 3. Hierbei
sei erwähnt, dass durch Verringern des Fokusdurchmessers der Pulvermassenstrom ebenfalls
verringert wird, um die Menge des nicht verwendeten Pulvers zu reduzieren.
Tabelle 41: Anpassung der Prozessparameter durch Änderung des Fokusdurchmessers
P [W] V [m/s] P-m.
[g/min] Fokusdurchmesser
[mm] Intensität [W/mm2]
Energieeintrag [J/mm]
Optimal 2300 0,018 18,5 2 673 127,8
Set 1 1189 0,018 12,3 1,5 673 66,1
Set 2 884 0,018 12,3 1,5 500 49,1
Set 3 529 0,018 12,3 1 673 29,4
Drei Parametersätze wurden wie in Tabelle 41 gezeigt erzeugt. In den Sätzen 1 und 2 wird ein
Fokusdurchmesser von 1,5 mm ausgewählt. Set 1 hat die gleiche Intensität wie die optimalen
Parameter, während Set 2 eine reduzierte Intensität hat, um den Einfluss auf den Verzug zu
untersuchen. In Set 3 wird der Fokusdurchmesser von 1 mm mit der gleichen Intensität wie die
optimalen Parameter ausgewählt. Man sieht, dass der Energieeintrag (und damit der
Wärmeeintrag) im Vergleich zum optimalen Parametersatz stark abnimmt. Um den besten
Parametersatz auszuwählen, werden zunächst Einzelspuren (jeweils mit 1 und 3 Layer) auf dem
Substrat aufgetragen. Abbildung 82 zeigt den Querschliff dieser Einzelspuren.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Set 1 Set 2 Set 3
1 L
aye
r
3 L
aye
r
Abbildung 82: Der angeätzte Querschliff der aufgetragenen Spuren mit angepasstem Fokusdurchmesser gemäß Tabelle 41 mit 1 und 3 Layer
Es ist festzustellen, dass sowohl Satz 1 als auch Satz 3 zu Proben mit unvollständiger Anbindung
führen (durch die roten Kreise hervorgehoben). Im Gegensatz dazu zeigen die Proben aus Satz 2
eine vollständige Anbindung über die gesamte Breite. Darüber hinaus wird die Tiefe des
aufgeschmolzenen Grundmaterials gemessen, um die drei Parametersätze zu vergleichen. Diese
Ergebnisse sind in Tabelle 42 aufgeführt.
Tabelle 42: Gemessene Tiefe des geschmolzenen Grundmaterials basierend auf den neuen Prozessparametern
Set Nummer
P [W]
Fokusdurchmesser [mm]
Tiefe aufgeschmolzenes Grundmaterial – 1 Layer
[µm]
Tiefe aufgeschmolzenes Grundmaterial – 3 Layern
[µm]
1 1189 1,5 330 590
2 884 1,5 330 380
3 529 1 290 300
Bei den Proben mit den Parametern von Satz 1 nimmt die Tiefe des aufgeschmolzenen
Grundmaterials von 330 µm auf 590 µm zu, durch die Erhöhung der aufgetragenen Layer. Im
Gegensatz dazu ändert sich die Tiefe des aufgeschmolzenen Grundmaterials unter Verwendung
des Parametersatzes 2 nicht deutlich. Dies ist auf die verringerte Laserleistung und natürlich den
Wärmeeintrag zurückzuführen, was ein positiver Aspekt im Hinblick auf den thermischen Verzug
ist. Darüber hinaus zeigen die Härtemessungen der mit diesem Parametersatz hergestellten Probe
(Abbildung 83) eine Verringerung der Spitzenhärte im Vergleich zu denen der ersten
Entwicklungsphase (siehe Abbildung 66).
91
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 83: (links) Horizontales und (rechts) Vertikales Härteprofil von Proben mit Fokusdurchmesser 1,5 mm und Laserleistung 884 W
Die Spitzenhärte beträgt ungefähr 350 HV 0,5, was den Unterschied in der Härte zum
Grundmaterial verringert. Außerdem misst die Wärmeeinflusszone in horizontaler Richtung
weniger als 2 mm und 0,5 mm in vertikaler Richtung unter der Oberfläche des Substrats.
Die ausgewählten Parameter von Satz 3 führen auch zu einem schmalen aufgeschmolzenen
Grundmaterial, was voraussichtlich den thermischen Verzug verringert, wobei die Höhe und Breite
der aufgetragenen Spur eher gering sind. Daher wird der in Tabelle 41 aufgeführte zweite
Parametersatz verwendet, um die Demonstratoren zu fertigen. Abbildung 84 zeigt den
Verzugsvergleich zwischen den Blechen aus der ersten Versuchsreihe und dem endgültigen
Parametersatz. Mit den angepassten Parametern (reduzierter Fokusdurchmesser) wird eine enorme
Reduzierung des Verzugs um mehr als 76 % erreicht ohne jedoch die Produktionszeit zu erhöhen.
Verzug ca. 12,5 mm
Verzug ca. 3 mm
Abbildung 84: Die Bleche mit der Honeycomb Struktur (oben) mit den optimalen Parametern aus ersten Entwicklungsphasen und (unten) mit den angepassten Parametern durch Reduzierung des Fokusdurchmessers (Satz 2, Tabelle 41)
Zusätzlich wird die z-Zustellung und der Überlappungsgrad (entsprechend der Abmaße der
Einzelspuren mit dem neuen Parametersatz) auf 225 µm bzw. 900 µm angepasst. Die
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
aufgetragenen Spuren bilden eine einwandfreie, fehlerfreie Struktur mit einer Höhe von ca. 1,2 mm
und einer Breite von ca. 2 mm (Abbildung 85). Darüber hinaus gibt es nur einen sehr kleinen und
vernachlässigbaren Unterschied in der Breite der Probe (ΔB weniger als 90 µm) entlang ihrer Höhe.
Dies bedeutet, dass mit dem endgültigen Parametersatz eine stabile Struktur mit mehreren Layern
aufgetragen werden kann.
Abbildung 85: (links) Die mit dem finalen Parametersatz aufgetragene Honeycomb Struktur (4 Layer) und (rechts) Der Querschliff der Honeycomb Struktur des Abschnitts A-A
Abbildung 86 zeigt die endgültigen Parameter für die Erstellung der 3D-Strukturen, die relevanten
Informationen sowie die Demonstratoren mit Honeycomb- und Isogrid-Strukturen. Zu beachten ist,
dass die Prozessentwicklung hauptsächlich an der Honeycomb-Struktur durchgeführt wurde und
die Ergebnisse erfolgreich auf das Isogrid übertragen wurden. Beide Strukturen sind in
angemessener Zeit erfolgreich auf dem Demonstrator aufgetragen. Es wird angenommen, dass
solche Strukturen die Automobilbleche oder -teile gegen äußere Belastung verstärken können.
93
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 86: (oben) Die endgültigen Parameter zum Auftragen der 3D-Strukturen (unten links) Der erfolgreiche Demonstrator mit der Honeycomb Struktur und (unten rechts) Der erfolgreiche Demonstrator mit der Isogrid-Struktur
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Arbeitspaket: Validierung am Demonstrator
5.1. Entwurf und Fertigung von Demonstratorbauteilen
Für die Entwicklung der Demonstratoren werden konkrete Anwendungsfälle, wie in Kapitel 1.1
beschrieben, von der VW AG und der Porsche AG bereitgestellt. Für den additiven
Fertigungsprozess werden diese herkömmlich gefertigten Bauteile vor dem Hintergrund des
Leichtbaus einer Topologieoptimierung unterzogen und anschließend darauf basierend neu
designt. Hierbei müssen die ermittelten Fertigungsrestriktionen aus Arbeitspaket 3 beachtet
werden. Für die Umsetzung einer hybriden Konstruktion wird auf die Gestaltungsrichtlinien aus
Arbeitspaket 4.3 zurückgegriffen.
Demonstrator 1 – VW Lenksäulenanbindung
Der erste Demonstrator besteht aus einer Baugruppe (Abbildung 2), welche die Lenksäule mit dem
Modulquerträger verbindet. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei in der Schnittstelle zwischen
additiv gefertigten Bauteilen und konventionell hergestelltem Modulquerträger. Mit Hilfe der
Topologieoptimierung soll die bisherige Blechkonstruktion umgestaltet werden. Das Ziel der
Optimierung ist die Einsparung von Material um Gewicht und Kosten zu reduzieren.
Basis dieser Optimierung stellt ein von Volkswagen zur Verfügung gestelltes Berechnungsmodell
des Modulquerträgers dar. Das Modell ist von VW an gewissen Bereichen abstrahiert und
vereinfacht, um den Berechnungsaufwand zu reduzieren. Außerdem ist die zu substituierende
Blechkonstruktion der konventionellen Aufhängung durch ein einfaches Volumen ersetzt, welches
den maximal zur Verfügung stehenden Bauraum darstellt. Innerhalb dieses Bauraums kann der
Algorithmus der Optimierungssoftware die Dichteverteilung iterativ anpassen.
In enger Kommunikation mit den Berechnungsexperten der Volkswagen Konzernforschung sind
über 50 Optimierungen durchgeführt worden. Randbedingungen, Lastfälle sowie
Optimierungskriterien variieren dabei und den Einfluss auf das Ergebnis galt es zu untersuchen. Wir
betrachten dabei jeweils fünf Lastfälle in den einzelnen Optimierungen, sowie zwei unterschiedliche
Zielfunktionen.
Zunächst wird die Zielfunktion „Minimum Mass“, also Reduzierung der Masse, verwendet in
Kombination mit der Festlegung der maximalen Verschiebung an den Krafteinleitungspunkten. Im
weiteren Verlauf wird ebenfalls die Zielfunktion „Minimum Compliance“ getestet, welche die
Nachgiebigkeit der Struktur bei einer festgelegten Masse minimiert. Beide Zielfunktionen zeigen
unterschiedliche Ergebnisse. Die erste Zielfunktion orientiert sich sehr stark an den maximalen
zulässigen Verschiebungswerten der einzelnen Lastfälle. Hierbei dominieren die Lastfälle mit den
höchsten Kräften die Optimierung. Die zweite Funktion minimiert die globale Nachgiebigkeit mit
dem Ihr zu Verfügung stehenden Material. Um auszuschließen das einzelne Lastfälle mit einem
geringeren Lastniveau in der Optimierung unterrepräsentiert werden, ist es durchaus sinnvoll beide
Funktionen zu testen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ca. 3 % des Ausgangsvolumens (Bauraum)
ausreichen, um die vorgeschriebenen maximalen Verschiebungen einzuhalten. Abbildung 87 (links)
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
zeigt das vom IAPT für die Umsetzung ausgewählte Ergebnis. Die grünen Elemente stellen die
Struktur dar, die durch den Optimierungsalgorithmus berechnet worden ist. Diese Struktur weist
zu diesem Zeitpunkt eine Masse von 596 g auf. Das mittige Rohr sowie die braun/blau dargestellten
Bleche stellen die angrenzenden Geometrien dar.
Abbildung 87: Ergebnis der Topologieoptimierung (links) sowie die Interpretation des Optimierungsergebnisses (rechts).
Da aus der Optimierung lediglich eine sehr raue Oberfläche exportiert werden kann, welche nicht
Fertigungsgerecht gestaltet ist, wird auf Basis des Ergebnisses eine neue Geometrie erstellt (rechts).
Für die Erstellung dieser Geometrie wird auf die Software Inspire zurückgegriffen. Durch das
Modellieren mit Poly-Nurbs können effizient alle Streben umgesetzt werden. Erst im nächsten
Schritt wird auf ein konventionelles CAD-System zurückgegriffen und weitere notwendige
Änderungen vorgenommen. In der folgenden Abbildung 88 ist die Konstruktion der additiv
gefertigten Komponenten im Detail dargestellt.
Abbildung 88: Fertigungsrechte Konstruktion der Optimierung
96
BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Folgende Veränderungen werden zu dem Optimierungsergebnis hinzugefügt.
- Querstreben im vorderen/hinteren Bereich
- Spann Geometrien (blau)
- Überlappungen im Bereich der Füge Zone (grün)
- Positionierhilfen (orange)
Die Querstreben dienen der Verbindung der vier einzelnen Streben, damit soll die Genauigkeit der
Interfaces zueinander erhöht werden, sowie die Positionierung und das Montieren vereinfacht
werden. Gleichzeitig dient die Verstrebung im rechten Bauteil (Abbildung 14) als Spanngeometrie
während des Fügeprozesses. Aufgrund der Lage der Verstrebung ist dies in der linken Variante
nicht möglich. In diesem Fall übernehmen zwei Spannlaschen, die auf einer Ebene liegen, diese
Funktion.
Im Bereich der direkten Füge Zone ist ein zwei Millimeter dicker Flansch in die Bauteile integriert.
Dieser Flansch dient dazu eine Überlappverbindung zwischen Bauteil und Rohr herzustellen, welche
mittels Laserschweißen umgesetzt wird.
Um die Position der Bauteile ohne eine entsprechende Vorrichtung/Lehre festzulegen sind in die
Bauteile jeweils zwei Positionszapfen analog AP 4.3 integriert. Durch diese einfache Maßnahme
bedarf es lediglich vier Bohrungen innerhalb des Rohres, um die Baugruppe an der passenden Stelle
zu positionieren. Sämtliche Maßnahmen führen zu einer Gewichtssteigerung von 596 g
(Topologoptimierung) auf 895 g (Redesign).
Demonstrator 2 - Porsche Hinterachsaufhängung
Der Demonstrator 2 sollte ursprünglich mit dem Fertigungsverfahren Laserpulverauftragsschweißen
hergestellt werden. Bei der genaueren Betrachtung der Geometrien stellt sich herausgestellt, dass
die Zugänglichkeit innerhalb der Profile nicht gegeben ist. Aus diesem Grund wurde gemeinsam
mit der Porsche AG entschieden den Demonstrator 2 ebenfalls mit dem Laserstrahlschmelzen
herzustellen.
Die Idee hinter dem Demonstrator ist der Ersatz mehrerer herzustellender und zu fügender
Verstärkungsbleche durch eine integrale, dem Lastfluss angepassten Knoten-Struktur. Für den
konkreten Anwendungsfall der Hinterachsaufhängung ist eine Gruppe von Blechen, in Abbildung
89 darstellt, ausgewählt welche es zu substituieren gilt.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 89: Substituierende Bauteile der Hinterachsaufhängung im Porsche Panamera
Auch in diesem Anwendungsfall wird auf die Topologieoptimierung zurückgegriffen. Gemeinsam
mit den Berechnungsexperten der Porsche AG konnte folgendes Optimierungsergebnis erreicht
werden. In der folgenden Abbildung 90 ist das Resultat der Optimierung (links) abgebildet.
Ausgehend von diesem Ergebnis werden die Bauteile entsprechend interpretiert und designt.
Abbildung 90: Optimierungsergebnis der Hinterachsaufhängung (Porsche), Ergebnisinterpretation (IAPT)
Bei genauer Analyse der Daten ergibt sich für das Topologieergebnis eine Masse von 7 kg für beide
Bauteile. Diese hohe Masse ist nicht notwendig für die Funktion der Struktur. Das Ergebnis stellt
demnach nur die grundlegende Verteilung des Materials dar. Darauf basierend kann in der
Ergebnisinterpretation über die Hälfte des Materials eingespart (ca. 4 kg) werden. Das Material
wurde insbesondere an den Bereichen eingespart an denen eine Kraftübertragung zur Karosserie
nicht umsetzbar ist.
Die Ergebnisinterpretation der Struktur ist in Abbildung 90 (rechts) abgebildet. Auch hier werden
zunächst die kraftübertragenden Strukturen auf Basis des Strukturoptimierungsergebnisses erstellt.
Ein besonderes Detail des Demonstrators stellen die verschiedenen Fügegeometrien analog zum
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Arbeitspaket 4.3 dar. Für die Intergration der Knoten werden Steg-Schlitz, Zylinder-Bohrung sowie
Punktschweißverbindungen genutzt.
Abbildung 91: Steg-Schlitz Verbindung (links), Zylinder-Bohrung Verbindung (mittig), Punktschweißverbindung (rechts)
Es entsteht somit eine Struktur mit folgenden Eigenschaften.
Hohe Steifigkeit der gesamten Baugruppe
Additiv gefertigte Füge-Geometrien
Lastangepasste Struktur
5.2. Bewertung der Demonstratorbauteile
Bewertung des Gewichtes - Demonstrator 1
Die neu erstellte Geometrie der Lenksäulenanbindung ist mit 895 g um 81 g leichter als die
konventionelle Blechkonstruktion. Die kraftführenden Strukturen machen dabei zwei Drittel der
Gesamtmasse aus. Das letzte Drittel besteht aus Spannflächen, Interfaces und Positionierhilfen. In
der folgenden Abbildung 92 ist die Ursprungskonstruktion (links) sowie die AM Konstruktion
(rechts) dargestellt.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 92: Konventionelle Blechkonstruktion (links), AM Konstruktion (rechts)
Aufgrund der Beschaffenheit des Optimierungsalgorithmus ergeben sich Vollstrukturen, die auch
als Hohlstruktur ausreichend fest sein könnten und somit weiteres Leichtbau- und Kostenpotential
bieten können. Beispielsweise würde sich eine Gewichtseinsparung von ca. 20 % für eine
Hohlstruktur mit einer Wandstärke von 3 mm ergeben.
Bewertung der Kosten - Demonstrator 1
Die Kosten des Fertigungsprozesses der Baugruppe ergeben sich in diesem Fall aus den Kosten die
durch die Generierung der beiden Einzelteile entstehen. Für die Kostenberechnung sind die
Parameter der Concept Laser M2 ausgewählt, da dieser Parametersatz die höchste Produktivität
von 19,5 cm³/h aufweist. Da der Kostendruck in der Automobilbranche besonders hoch ist, ist der
Einsatz von mehreren Lasern pro Anlage empfehlenswert. Aus diesem Grund beruht die
Kostenberechnung (Tabelle 43) auf der Nutzung von zwei Lasern pro Anlage, welche die
Aufbaurate nochmals verdoppelt. Aus AP 3.3 entnehmen wir das die Ausnutzung der Bauplattform
einen signifikanten Einfluss auf die Bauteilkosten hat. Daher ist die Kostenberechnung nochmal für
eine komplett ausgenutzte Plattform durchgeführt worden. In Abbildung 93 ist die Ausnutzung der
Bauplatte durch eine Baugruppe (links) sowie die maximale Ausnutzung (rechts) am Beispiel des
Demonstrator 1 dargestellt.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Abbildung 93: Ausnutzung der Bauplatte durch eine bzw. drei Baugruppen
Abgerundet wird die Berechnung durch eine Prognose der Bauteilkosten in 5 Jahren.
Tabelle 43: Kostenberechnung des Demonstrator 1
Die aktuellen Bauteilkosten von 425 € pro Baugruppe bei voller Ausnutzung der Maschine sind im
Vergleich zu den konventionellen Fertigungskosten, die sich in einem einstelligen Euro Bereich
befinden nicht wirtschaftlich. Im Bereich der Prototypen oder Vorserienfahrzeuge würde eine
Anwendung ggf. Sinn ergeben.
Die Senkung der Bauteilkosten in den nächsten 5 Jahren beruht auf einer Betrachtung der
Kostenentwicklung in den vergangenen Jahren. Daher wird eine Kostenreduzierung durch deutlich
mehr Angebot und Wettbewerb im Bereich des Materialpreises sowie der Maschinenhersteller
stattfinden. Für eine weitere Kostenreduzierung ist die Steigerung der Produktivität zwingend
notwendig. Diese Entwicklung ist aber in den nächsten 5 Jahren nicht zu erwarten.
Bewertung des Gewichtes - Demonstrator 2
Bauteile mit einem höheren Gewicht haben immer ein besonderes Risiko in der additiven Fertigung.
Die im Prozess auftretenden Eigenspannungen sind tendenziell höher mit steigender Masse, daher
sind Verformungen bei großen Bauteilen nicht unüblich. Die Fertigung der zwei Knoten des
Demonstrators ist dahingehend risikobehaftet. Die Fertigung wird durch lokal angepasste
Stützstruktur sowie massive Anbindung an die Bauplattform realisiert.
Das Gewicht der Optimierung beträgt sieben Kilogramm, nach der Ergebnisinterpretation ist das
Bauteilgewicht auf drei Kilogramm gesunken. Neben der Gewichtseinsparung selbst wirkt sich die
Reduzierung positiv auf die Prozesstabilität, durch geringere Eigenspannung, sowie auf die Kosten
aus.
Variante Kosten
1 Baugruppe 680 € / Stk.
3 Baugruppen 425 € / Stk.
Prognose (5 Jahre) / 3 Baugruppen 340 € / Stk.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Bewertung der Kosten - Demonstrator 2
Die Kalkulation der Kosten basiert auf den gleichen Kennwerten wie in der vorherigen Bewertung
von Demonstrator 1. Es besteht lediglich ein Unterschied in der Ausnutzung der Bauplattform.
Durch die Bauteilmaße lassen sich nur zwei Baugruppen simultan fertigen, wodurch die Fixkosten
eines Bauprozesses auf weniger Bauteile umgelegt werden können. Die Kosten können der
nachfolgenden Tabelle 44 übernommen werden.
Tabelle 44: Kostenberechnung des Demonstrators 2
Die Kosten schwanken für die jeweilige Variante zwischen 2000 € und 1260 € pro Baugruppe in
der Prognose. Die hohen Kosten lassen sich wirtschaftlich nicht rechtfertigen ohne das damit
zusätzliche Funktionen integriert werden.
Variante Kosten
1 Baugruppe 2000 € / Stk.
2 Baugruppen 1575 € / Stk.
Prognose (5 Jahre) / 2 Baugruppen 1260 € / Stk.
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
Zusammenfassung
Das BioLAS-Projekt (Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau) beschäftigt sich mit der
Fragestellung wie durch die Verwendung laseradditiver Verfahren neue Möglichkeiten im
Metallbereich des Automobilbaus geschaffen werden können. Dabei werden in diesem Projekt
insbesondere Stähle im Karosseriebau fokussiert. Ziel ist es eine neue Legierung für den additiven
Prozess verarbeitbar zu machen und neue Anwendungen, auch unter dem Gesichtspunkt Bionik,
umzusetzen.
Dazu wurden im Rahmen des Projektes (Laufzeit: 01.12.2016 – 31.05.2019) insbesondere drei
Forschungsschwerpunkte (Material, Design, hybride Fertigung) in Bezug auf 3D-Druck vom
Fraunhofer IAPT in Absprache mit elf Projektpartner aus der Automobilindustrie betrachtet. Zu
Beginn des Projektes wurden zwei Demonstratoren von der VW AG und Porsche AG zur Verfügung
stellt, um anhand dieser Baugruppen aus Blechteilen den additiven LAM-Leichtbau mit Stahl zu
validieren. Im Projekt wurde dazu erfolgreich eine typische Automobilblechlegierung, HC380LA, im
laseradditiven Prozess verarbeitet und unter der Ermittlung diverser mechanisch-technologischen
Eigenschaften, Definition von Fertigungsrestriktionen und Entwicklung bionischer
Leichtbaukonzepte auch für das Laser-Auftragschweißen untersucht. Für die industrielle
Anwendung additiv gefertigter Bauteile aus HC380LA wurden des Weiteren Fügeprozesse wie das
Laserschweißen von derartigen Bauteilen mit konventionellem Material analysiert. Im Folgenden
werden die wesentlichen Ergebnisse des Projekts kurz zusammengefasst.
Ergebnisse des Forschungsschwerpunkts Material:
Erfolgreiche Parameterentwicklung für eine stabil prozessierbare und kostengünstige
Legierung für den Automobilbau
Erreichen von schnellen Aufbauraten (ca. 25 % höher als bei 1.4404) bei gleichzeitig hohen
Dichten (> 99,9 %)
Mechanisch-technologisch Zieleigenschaften entsprechen den automobilen
Anforderungen und sind dem konventionellem Material ebenbürtig
Ergebnisse des Forschungsschwerpunkts Design:
Definition von Fertigungsrestriktion für eine erfolgreiche Konstruktion von Bauteilen
Entwicklung von bis zu 66 % leichteren bionischen Designkonzepten
Ermittlung von 15 Design-to-Cost Richtlinien zur Kosteneinsparung in der additiven
Fertigung
Ergebnisse des Forschungsschwerpunkts hybride Fertigung:
Fehlerfreies und normgerechtes (Bewertungsgruppe B nach DIN 13919) Fügen von additiv
gefertigten Proben mittels Laserschweißen und Punktschweißen
Entwicklung von Konzepten zur laserschweißgerechten Bauteilgestaltung
Ermittlung von stabilen Parametern zum Aufbau von Strukturen mittels Laser-Pulver-
Auftragschweißen
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BioLAS-Projekt Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau
An den ausgewählten Demonstratorbauteilen konnten die oben genannten Ergebnisse validiert
werden. An beiden Demonstratoren wurde ein Leichtbaupotential identifiziert, durch
Topologieoptimierungen umgesetzt und mit den ermittelten Parametern gefertigt und hybrid
gefügt. Hierbei konnten bis zu 10 % Gewicht eingespart werden.
Zusammenfassend wurde im Rahmen des BioLAS-Projektes mit der Legierung HC380LA eine neue,
kostengünstige Legierung entlang der additiven Prozesskette qualifiziert und dabei ein einstellbares
Werkstoffprofil erarbeitet. Der Einsatz der Legierung ist aufgrund dieser variablen Eigenschaften in
diversen Bereichen eines Automobils möglich und verspricht somit eine hohe Bandbreite an
Anwendungen.
Bisher in der FAT-Schriftenreihe erschienen (ab 2014) Nr. Titel
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------ 263 Laserstrahlschweißen von Stahl an Aluminium mittels spektroskopischer Kontrolle der Einschweißtiefe
und erhöhter Anbindungsbreite durch zweidimensional ausgeprägte Schweißnähte, 2014 264 Entwicklung von Methoden zur zuverlässigen Metamodellierung von CAE Simulations-Modellen, 2014 265 Auswirkungen alternativer Antriebskonzepte auf die Fahrdynamik von PKW, 2014 266 Entwicklung einer numerischen Methode zur Berücksichtigung stochastischer Effekte für die Crash-
simulation von Punktschweißverbindungen, 2014 267 Bewegungsverhalten von Fußgängern im Straßenverkehr - Teil 1, 2014 268 Bewegungsverhalten von Fußgängern im Straßenverkehr - Teil 2, 2014 269 Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißnahtenden MSG-geschweißter Feinblechstrukturen aus
Aluminium, 2014 270 Physiologische Effekte bei PWM-gesteuerter LED-Beleuchtung im Automobil, 2015 271 Auskunft über verfügbare Parkplätze in Städten, 2015 272 Zusammenhang zwischen lokalem und globalem Behaglichkeitsempfinden: Untersuchung des
Kombinationseffektes von Sitzheizung und Strahlungswärmeübertragung zur energieeffizienten Fahrzeugklimatisierung, 2015
273 UmCra - Werkstoffmodelle und Kennwertermittlung für die industrielle Anwendung der Umform- und
Crash-Simulation unter Berücksichtigung der mechanischen und thermischen Vorgeschichte bei hochfesten Stählen, 2015
274 Exemplary development & validation of a practical specification language for semantic interfaces of
automotive software components, 2015 275 Hochrechnung von GIDAS auf das Unfallgeschehen in Deutschland, 2015 276 Literaturanalyse und Methodenauswahl zur Gestaltung von Systemen zum hochautomatisierten Fahren,
2015 277 Modellierung der Einflüsse von Porenmorphologie auf das Versagensverhalten von Al-Druckgussteilen
mit stochastischem Aspekt für durchgängige Simulation von Gießen bis Crash, 2015 278 Wahrnehmung und Bewertung von Fahrzeugaußengeräuschen durch Fußgänger in verschiedenen
Verkehrssituationen und unterschiedlichen Betriebszuständen, 2015 279 Sensitivitätsanalyse rollwiderstandsrelevanter Einflussgrößen bei Nutzfahrzeugen – Teil 3, 2015 280 PCM from iGLAD database, 2015 281 Schwere Nutzfahrzeugkonfigurationen unter Einfluss realitätsnaher Anströmbedingungen, 2015 282 Studie zur Wirkung niederfrequenter magnetischer Felder in der Umwelt auf medizinische Implantate,
2015 283 Verformungs- und Versagensverhalten von Stählen für den Automobilbau unter crashartiger mehrachsi-
ger Belastung, 2016 284 Entwicklung einer Methode zur Crashsimulation von langfaserverstärkten Thermoplast (LFT) Bauteilen
auf Basis der Faserorientierung aus der Formfüllsimulation, 2016 285 Untersuchung des Rollwiderstands von Nutzfahrzeugreifen auf realer Fahrbahn, 2016
286 χMCF - A Standard for Describing Connections and Joints in the Automotive Industry, 2016 287 Future Programming Paradigms in the Automotive Industry, 2016 288 Laserstrahlschweißen von anwendungsnahen Stahl-Aluminium-Mischverbindungen für den automobilen
Leichtbau, 2016 289 Untersuchung der Bewältigungsleistung des Fahrers von kurzfristig auftretenden Wiederübernahme-
situationen nach teilautomatischem, freihändigem Fahren, 2016 290 Auslegung von geklebten Stahlblechstrukturen im Automobilbau für schwingende Last bei wechselnden
Temperaturen unter Berücksichtigung des Versagensverhaltens, 2016 291 Analyse, Messung und Optimierung des Ventilationswiderstands von Pkw-Rädern, 2016 292 Innenhochdruckumformen laserstrahlgelöteter Tailored Hybrid Tubes aus Stahl-Aluminium-Mischverbindungen
für den automobilen Leichtbau, 2017 293 Filterung an Stelle von Schirmung für Hochvolt-Komponenten in Elektrofahrzeugen, 2017 294 Schwingfestigkeitsbewertung von Nahtenden MSG-geschweißter Feinbleche aus Stahl unter kombinierter
Beanspruchung, 2017 295 Wechselwirkungen zwischen zyklisch-mechanischen Beanspruchungen und Korrosion: Bewertung der
Schädigungsäquivalenz von Kollektiv- und Signalformen unter mechanisch-korrosiven Beanspruchungs- bedingungen, 2017
296 Auswirkungen des teil- und hochautomatisierten Fahrens auf die Kapazität der Fernstraßeninfrastruktur,
2017 297 Analyse zum Stand und Aufzeigen von Handlungsfeldern beim vernetzten und automatisierten Fahren von
Nutzfahrzeugen, 2017 298 Bestimmung des Luftwiderstandsbeiwertes von realen Nutzfahrzeugen im Fahrversuch und Vergleich
verschiedener Verfahren zur numerischen Simulation, 2017 299 Unfallvermeidung durch Reibwertprognosen, 2017 300 Thermisches Rollwiderstandsmodell für Nutzfahrzeugreifen zur Prognose fahrprofilspezifischer
Energieverbräuche, 2017 301 The Contribution of Brake Wear Emissions to Particulate Matter in Ambient Air, 2017 302 Design Paradigms for Multi-Layer Time Coherency in ADAS and Automated Driving (MULTIC), 2017 303 Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Oberflächenbeschaffenheit von Scheiben auf die
Kondensatbildung, 2017 304 Der Rollwiderstand von Nutzfahrzeugreifen unter realen Umgebungsbedingungen, 2018 305 Simulationsgestützte Methodik zum Entwurf intelligenter Energiesteuerung in zukünftigen Kfz-Bordnetzen,
2018 306 Einfluss der Kantenbearbeitung auf die Festigkeitseigenschaften von Stahl-Feinblechen unter quasistatischer
und schwingender Beanspruchung, 2018 307 Fahrerspezifische Aspekte beim hochautomatisierten Fahren, 2018 308 Der Rollwiderstand von Nutzfahrzeugreifen unter zeitvarianten Betriebsbedingungen, 2018 309 Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Schraubverbindungen mit gefurchtem Gewinde, 2018 310 Konzept zur Auslegungsmethodik zur Verhinderung des selbsttätigen Losdrehens bei Bauteilsystemen im
Leichtbau, 2018 311 Experimentelle und numerische Identifikation der Schraubenkopfverschiebung als Eingangsgröße für eine
Bewertung des selbsttätigen Losdrehens von Schraubenverbindungen, 2018 312 Analyse der Randbedingungen und Voraussetzungen für einen automatisierten Betrieb von Nutzfahrzeugen
im innerbetrieblichen Verkehr, 2018 313 Charakterisierung und Modellierung des anisotropen Versagensverhaltens von Aluminiumwerkstoffen
für die Crashsimulation, 2018 314 Definition einer „Äquivalenten Kontakttemperatur“ als Bezugsgröße zur Bewertung der ergonomischen
Qualität von kontaktbasierten Klimatisierungssystemen in Fahrzeugen, 2018 315 Anforderungen und Chancen für Wirtschaftsverkehre in der Stadt mit automatisiert fahrenden E-
Fahrzeugen (Fokus Deutschland), 2018 316 MULTIC-Tooling, 2019 317 EPHoS: Evaluation of Programming - Models for Heterogeneous Systems, 2019 318 Air Quality Modelling on the Contribution of Brake Wear Emissions to Particulate Matter Concentrations
Using a High-Resolution Brake Use Inventory, 2019 319 Dehnratenabhängiges Verformungs- und Versagensverhalten von dünnen Blechen unter
Scherbelastung, 2019 320 Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau – BioLAS, 2019
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