Datengetriebene Prozess-, Werkstoff- und Strukturanalyse für die Additive Fertigung

Inhalt

Additive Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing - AM) bieten das Potential, lastpfad- und materialgerecht optimierte Bauteile mit hohem Leichtbaugrad flexibel in Kleinserien fertigen zu können. Dabei ermöglicht AM völlig neuartige Bauteilkonzepte. Eine grundlegende Herausforderung bei der Überführung der AM in die ressourceneffiziente, wirtschaftliche und zuverlässige industrielle Anwendung ist in einem unzureichenden und bisher zu wenig systematisierten Wissen zu Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu sehen. Daher weisen AM-Bauteile oft Fehlstellen und Inhomogenitäten auf, die zu einem vorzeitigen Versagen insbesondere unter zyklischer Betriebsbelastung führen. Daher ist eine Weiterentwicklung der Methoden zur Materialqualifizierung, Struktur- und Prozesssimulation sowie Bauteilkonstruktion und Qualitätssicherung notwendig. Die rasant voranschreitende Digitalisierung in der Werkstoff- und Produktionstechnik ermöglicht in diesem Zusammenhang vollkommen neue Ansätze zur Untersuchung der Zusammenhänge von Prozessparametern, Mikrostruktur und Bauteileigenschaften. Durch die konsequente Akquise von Werkstoff, Prozess- und Bauteildaten entsteht ein sogenannter Digitaler Zwilling, d.h. ein digitales Abbild des AM-Prozesses, der zur Überwachung und Optimierung eingesetzt werden kann. Die Analyse der zukünftig verfügbaren Daten mit Methoden des maschinellen Lernens bietet in diesem Zusammenhang ein hohes Innovationspotential, welches im Rahmen dieses Projektes zur quantitativen Abbildung der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für AM-Bauteile unter statischer und zyklischer Belastung ausgenutzt werden soll.

Projektziele

Entwicklung von daten- und modellbasierten Engineering-Methoden für die additive Fertigung

Die Entwicklung von daten- und modellbasierten Engineering-Methoden für die additive Fertigung ist das Kernziel des Vorhabens AMTwin. Dabei wird ein experimentell-numerischer Ansatz zur Erforschung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen verfolgt. Es werden Simulationsmethoden zur Auslegung von sowohl AM-Fertigungsprozessen als auch von AM-Bauteilen bereitgestellt. Zugleich werden Prüfmethoden für AM-Bauteile entwickelt, die zur Prozessüberwachung, Mikrostrukturcharakterisierung, Qualitätsprüfung und Validierung der Simulationen benötigt werden.

Optimierung der Fertigungsprozesse und Komponenten

Experimentelle Untersuchungen und virtuelle Werkstoffentwicklung liefern wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der Interaktion zwischen Prozessführung, resultierender Mikrostruktur und Werkstoffeigenschaften. Es ist das Ziel von AMTwin, diese Informationen zur Optimierung der Fertigungsprozesse und Komponenten einzusetzen. Mit der Befähigung zur ressourceneffizienten Fertigung von leichten und zuverlässigen Bauteilen leistet AMTwin einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes.

Nutzen

Die Ergebnisse des Projektes leisten einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung des Freistaates Sachsen und des Wissenschaftsstandortes Dresden. Durch Wissenstransfer sollen sächsische Unternehmen im AM-Bereich befähigt werden, innovative und individualisierte Produkte herzustellen und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit verbessern zu können. Ebenso werden die Attraktivität und die Zukunftssicherheit des Freistaates Sachsen und der TU Dresden durch die Integration des entstandenen Wissens in die Lehre gesteigert, womit ein wesentlicher Standortvorteil entsteht.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Christoph Leyens

Projektpartner

Beim vorliegenden Projekt handelt es sich um eine Forschungskooperation mit:

• Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Kästner, Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik am Institut für Festkörpermechanik der TU Dresden, IFKM
• Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude, Professur für Leichtbaudesign und Strukturbewertung am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden, ILK
• Prof. Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt, Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen am Institut für Mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden, IMD
• Prof. Dr.-Ing. Martina Zimmermann, Forschungsgruppe Werkstoffcharakterisierung und -prüfung am Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden, IWS
• Dr.-Ing.  Juliane Thielsch, Forschungsgruppe Werkstoffe in der Abteilung Generative Verfahren am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Dresden, IWU

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