FAT-Schriftenreihe 320 - VDA...FAT-Schriftenreihe 320 Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau – BioLAS – Bionischer LAM-Stahlleichtbau für den Automobilbau – BioLAS

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

https://www.iapt.fraunhofer.de/

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


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


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


Aufbaurichtungen ........................................................................................................ 25

V


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

3


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

4


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

5


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%

6


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

7


(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


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


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

9


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

10


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.

11


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

12


PL= 50 W vScan= 200 mm/s; hS= 0,07 mm EV = 119 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


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.

13


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


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

14


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

15


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

16


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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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

18


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


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


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)



Schichtdicke µm 60

Laserleistung W 250


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


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


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


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



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


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


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


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


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


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


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



Belichtungsrate - jede Schicht

Laserleistung W 200


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


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


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


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


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


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


m = 22,85 kg m = 7,69 kg m = 22,86 kg

max. Spannung: 50,2 MPa

max. Verschiebung: 1,06 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


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


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


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


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 %.

41


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


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.

43


Tabelle 27: Richtlinienkatalog mit Fokus Design-to-Cost für HC380LA im Laserstrahlschmelzprozess

44


45


46


47


48


(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.

49


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

50


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


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

52


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


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


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


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


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


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

58


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

59


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


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


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


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


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


(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


(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


(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.

67


(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

68


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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).

87


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

88


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


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.

90


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


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

92


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


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

94


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)

95


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


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.

97


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

98


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.

99


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.

100


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.

101


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.

102


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

103


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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