TY - THES

T1 - Auslegung und Optimierung von gefügten SLM-Bauteilen

AU - Kapeindl, Stefan

N1 - gesperrt bis 21-09-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Additive Fertigung stellt eine disruptive Technologie in der Herstellung von Maschinenbauteilen dar - Neue Denkweisen in der Entwicklung und Konstruktion werden möglich. Für Maschinenkomponenten und Serienbauteile ist das selektive Laserschmelzen (SLM) von besonderer Bedeutung, wobei die maximale Bauteilgröße durch die Dimensionen der Prozesskammer begrenzt ist. Prozessbedingt sind für dieses Verfahren einsetzbare Werkstoffe gut schweißbar, wodurch eine Kompensation des begrenzten Bauraumes durch mehrere, verschweißte SLM-Einzelteile naheliegend ist. In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit des SLM-Verfahrens für größere Strukturen bewertet. Als Beispiel hierfür wird ein Motorradrahmen für ein bestehendes Serien-Motorrad entwickelt. Die vorhandene Fahrzeugarchitektur und bestehende Steifigkeitsziele dienen als Ausgangspunkt für eine Optimierung, welche auf die Kombination aus SLM-Druck und Schweißen als potenzielles Fertigungsverfahren für die Kleinserie abzielt. Die Optimierung des Rahmens setzt sich aus einer Werkstoffwahl, Topologieoptimierung und Aufteilung des Rahmens in optimal druckbare Einzelteile zusammen. Durch die Referenzierung auf den Serienrahmen wird sichtbar, ob und wie gut sich der Rahmen mit der Kombination aus Topologieoptimierung und additiver Fertigung gezielt auf die definierten Parameter hin optimieren lässt, wobei eine Reduktion des Eigengewichts erzielt worden ist. Die Nachkonstruktion des finalen Ergebnisses der Topologieoptimierung wird mit einer numerischen Beanspruchungsanalyse validiert. Erkenntnisse aus dieser Simulation fließen durch eine manuelle Formoptimierung in das Ergebnis ein. Für die Aufteilung des Rahmens in druckbare Einzelteile sind einerseits die numerisch ermittelten Spannungen bedeutend und andererseits wird versucht, die Aufteilung in Bezug auf eine Vermeidung von Supportstrukturen, sowie auf die Ausnützung des Bauraumes ideal zu gestalten. Um die Auswirkungen der Schweißnähte auf Ermüdungseigenschaften beurteilen zu können, werden ausgewählte Schweißnahtgeometrien numerisch analysiert und anhand des effektiven Kerbspannungskonzeptes gemäß der IIW-Richtlinie bewertet. Die Ergebnisse zeigen je nach Schweißnahtgeometrie eine Reduktion der Lebensdauer von 95 % bis zu 99 %, wobei lokale Schweißnahtimperfektionen, wie beispielsweise Einbrandkerben, einen signifikanten Einfluss auf das Lebensdauerverhalten zeigen.

AB - Additive Fertigung stellt eine disruptive Technologie in der Herstellung von Maschinenbauteilen dar - Neue Denkweisen in der Entwicklung und Konstruktion werden möglich. Für Maschinenkomponenten und Serienbauteile ist das selektive Laserschmelzen (SLM) von besonderer Bedeutung, wobei die maximale Bauteilgröße durch die Dimensionen der Prozesskammer begrenzt ist. Prozessbedingt sind für dieses Verfahren einsetzbare Werkstoffe gut schweißbar, wodurch eine Kompensation des begrenzten Bauraumes durch mehrere, verschweißte SLM-Einzelteile naheliegend ist. In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit des SLM-Verfahrens für größere Strukturen bewertet. Als Beispiel hierfür wird ein Motorradrahmen für ein bestehendes Serien-Motorrad entwickelt. Die vorhandene Fahrzeugarchitektur und bestehende Steifigkeitsziele dienen als Ausgangspunkt für eine Optimierung, welche auf die Kombination aus SLM-Druck und Schweißen als potenzielles Fertigungsverfahren für die Kleinserie abzielt. Die Optimierung des Rahmens setzt sich aus einer Werkstoffwahl, Topologieoptimierung und Aufteilung des Rahmens in optimal druckbare Einzelteile zusammen. Durch die Referenzierung auf den Serienrahmen wird sichtbar, ob und wie gut sich der Rahmen mit der Kombination aus Topologieoptimierung und additiver Fertigung gezielt auf die definierten Parameter hin optimieren lässt, wobei eine Reduktion des Eigengewichts erzielt worden ist. Die Nachkonstruktion des finalen Ergebnisses der Topologieoptimierung wird mit einer numerischen Beanspruchungsanalyse validiert. Erkenntnisse aus dieser Simulation fließen durch eine manuelle Formoptimierung in das Ergebnis ein. Für die Aufteilung des Rahmens in druckbare Einzelteile sind einerseits die numerisch ermittelten Spannungen bedeutend und andererseits wird versucht, die Aufteilung in Bezug auf eine Vermeidung von Supportstrukturen, sowie auf die Ausnützung des Bauraumes ideal zu gestalten. Um die Auswirkungen der Schweißnähte auf Ermüdungseigenschaften beurteilen zu können, werden ausgewählte Schweißnahtgeometrien numerisch analysiert und anhand des effektiven Kerbspannungskonzeptes gemäß der IIW-Richtlinie bewertet. Die Ergebnisse zeigen je nach Schweißnahtgeometrie eine Reduktion der Lebensdauer von 95 % bis zu 99 %, wobei lokale Schweißnahtimperfektionen, wie beispielsweise Einbrandkerben, einen signifikanten Einfluss auf das Lebensdauerverhalten zeigen.

KW - Additive Fertigung

KW - Topologieoptimierung

KW - Redesign

KW - Motorradrahmen

KW - SLM

KW - Selektives Laserschmelzen

KW - Schweißen

KW - Lebensdauer

KW - Fügestellen

KW - additive manufacturing

KW - topology optimization

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KW - motorbike frame

KW - SLM

KW - selektive laser melting

KW - welding

KW - fatique

KW - weld seam

M3 - Masterarbeit

ER -