Topologieoptimierte Tragwerksknoten - Herstellung mittels lichtbogenbasierter, additiver Fertigung mit MSG-Schweißprozess

Jan Reimann, Stefan Hammer, Philipp Henckell, Yarop Ali, Jörg Hildebrand und Jean Pierre Bergmann

In diesem Beitrag wird die Erzeugung von festigkeits- und steifigkeitsangepassten Tragstrukturen mittels der numerischen Simulationsmethode der Topologieoptimierung vorgestellt. Der dabei resultierende Tragwerksknoten wird mittels CAD/CAM-Software in eine Roboterbahnplanung überführt und mit der drahtbasierten, additiven Fertigung unter Verwendung des MSG-Schweißprozesses aus dem Schweißzusatzwerkstoff G4Si1 hergestellt.

Die Topologieoptimierung wird als Methode zur Erzeugung von festigkeits- und steifigkeitsangepassten Tragstrukturen vorgestellt. Dabei wird der entstandene Tragwerksknoten unter Beachtung der Randbedingungen (Masse, Vergleichsspannungs- und Strukturgrößenbeschränkung) diskutiert. Der Wunsch nach einer beanspruchungsoptimierten Knotenstruktur mit maximaler Stabilität ist häufig mit dem Ziel geringer Herstellungskosten, sowie eines angepassten und minimalen Materialeinsatzes gepaart. Die komplexen, dreidimensionalen Freiformstrukturen, welche mittels einer Topologieoptimierung erzeugt werden, sind nur bedingt für eine konventionelle Fertigung geeignet. Die drahtbasierte, additive Fertigung mittels Lichtbogenschweißprozessen bietet eine kostengünstige und flexibel einsetzbare Möglichkeit der individuellen Herstellung von komplexen, metallischen Bauteilen. Dabei eignet sich das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) besonders für die Fertigung großvolumiger, tragender Strukturen durch Aufbauraten von bis zu 5 kg/h. Basierend auf den Randbedingungen des Wire Arc Additive Manufacturing Verfahrens (WAAM) wird die Bahnplanung und damit die Herstellbarkeit der topologieoptimierten Tragwerksknoten evaluiert und mittels einer Beispielstruktur aus dem Schweißzusatzwerkstoff G4Si1 verifiziert.

Beanspruchungsoptimierte Strukturen, welche in Anlehnung an die Natur (Bionik) konzipiert wurden, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dabei können nicht nur festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall, sondern eine ikonenhafte Architektur und individuelle Ästhetik realisiert werden. Die Motivation einer leichten Knotenstruktur mit maximaler Stabilität ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatzes sowie geringen Herstellungskosten gepaart.
 

Einleitung

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Topologieoptimierung in verschiedenen Ingenieursdisziplinen als ein robustes Werkzeug zur Optimierung der Materialverteilung innerhalb eines vorgegebenen Designraums etabliert [1-5]. Dieses Optimierungsverfahren lässt sich in drei grundlegende Schritte unterteilen: Definition des maximalen Designraums, der Optimierungsziele und der Randbedingungen. Daraus wird ein optimales Design für die gegebene Zielfunktion errechnet. Durch eine Topologieoptimierung entstehen typischerweise komplexe und abstrakte Strukturen mit Hinterschneidungen und Hohlräumen. Diese lassen sich nicht oder nur eingeschränkt mit konventionellen Fertigungsverfahren herstellen. Daher wird eine Herstellungstechnologie für tragende Strukturen aus metallischen Werkstoffen benötigt, mit welcher diese topologieoptimierten Strukturen hergestellt werden können. Additive Fertigungsverfahren bieten die benötigte Designfreiheit, um hoch komplexe Bauteile herzustellen. 


Bild 1: Prozesskette der additiven Fertigung mittels WAAM nach [11].

Die additive Fertigung (engl.: Additive Manufacturing AM) beschreibt den schichtweisen

Aufbau dreidimensionaler Objekte durch das gezielte Aufbringen oder Verbinden von draht-, pulver- oder folienförmigem Werkstoff aus Metall oder Kunststoff [6]. Dadurch wird es möglich, komplexe Geometrien ab einer Losgröße von 1 mit einem ressourceneffizienten Materialauftrag herzustellen.

Bislang wird die Herstellung komplexer metallischer 3D-Bauteile vorwiegend mittels laserbasierter Verfahren realisiert. Die dazu verwendeten Verfahren sind Direct Energy Deposition (DED) und pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (PBF). Besonders das Pulverbettverfahren ist durch die erzielbaren Schichtdicken von wenigen zehntel Millimetern und einer geringen Aufbaurate von ca. 1–10 cm³/h in der Produktivität für größere Bauteile stark eingeschränkt. Weiterhin ist der Bauraum in der Regel gering. Daher müssen lange Herstellungszeiten und begrenzte Bauteilabmessungen in Kauf genommen werden [7-9]. Das laserbasierte DED Verfahren bietet mit Aufbauraten von ca. 300 cm³/h-700 cm³/h und Schichtdicken von bis zu 1,5 mm eine deutlich höhere Produktivität, als PBF-Verfahren [10].

Galjaard u. a. führten die Topologieoptimierung eines ausschließlich auf Zug beanspruchten Tragwerkknotens für ein Tensegrity-Tragwerk durch. Der Knoten wurde nach der Optimierung additiv mittels Laser-Sintern im Pulverbett hergestellt. Dabei wurde das Bauteil aus Gründen der Produktionszeit und –kosten in 40 % der Originalgröße hergestellt. Die Autoren schätzen, dass die Herstellung in Originalgröße mit den heutigen Mitteln etwa 15 Tage in Anspruch genommen hätte, wodurch sich das Bauteil, in Verbindung mit den hohen Pulverkosten, nicht wirtschaftlich herstellen lässt [11].

Die drahtbasierte, additive Fertigung mittels Lichtbogen (engl. Wire arc additive manufacturing, WAAM) kann deutlich höhere Aufbauraten umsetzen, wodurch sie in den letzten Jahren stark in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt ist [12]. Bild 1 zeigt beispielhaft den Ablauf der WAAM-Prozesskette unter Beachtung der Topologieoptimierung. Unter dem Akronym WAAM werden das Metallschutzgasschweißen (MSG), das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), sowie Plasmaprozesse während der additiven Fertigung zusammengefasst. Bei diesen Verfahren wird ein lagenweiser Aufbau durch das Zuführen und Aufschmelzens eines drahtförmigen Zusatzwerkstoffs realisiert. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Hinterschneidungen, Hohlräumen für Leichtbauanwendungen oder beliebig im Bauteil verlaufenden Kühlkanälen welche in konventioneller Verfahrensweise nicht oder nur eingeschränkt herstellbar sind (z. B. [13, 14]). Das MSG-Verfahren zeichnet sich durch seine kostengünstige und robuste Prozesstechnik für die additive Fertigung besonders aus. Durch die lokale Schutzgasabdeckung bestehen prinzipiell keine Restriktionen für die Bauraumgröße. Außerdem ist es durch die koaxiale Schweißzusatzwerkstoffzufuhr möglich richtungsunabhängig zu arbeiten. Je nach Material und Bauteilgeometrie ermöglicht das WAAM-Verfahren mittels MSG-Schweißtechnik Abschmelzleistungen von ca. 5 kg/h [15, 16].


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