Buena – Branchenübergreifende Industrialisierung von additiver Produktion

Das Forschungsprojekt Buena zielt darauf ab, die branchenübergreifende Verbreitung der Additiven Fertigung (AF) für den material- und energieeffizienten Leichtbau zu fördern. Dazu hat das Konsortium fünf Herausforderungen der AF identifiziert. Im Rahmen des Projekts werden verschiedene Lösungsansätze zur Überwindung dieser Industrialisierungshemmnisse verfolgt und erarbeitet. Im Fokus stehen das pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl (PBF-LB/M) und das pulverbasierte Laserauftragschweißen (DED-LB/M).

Motivation

Die AF bietet viele Vorteile, wie die Funktionsintegration, innovative Gestaltungsmöglichkeiten, die Individualisierbarkeit und ein erhebliches Leichtbaupotenzial. Diese Vorteile resultieren aus der hohen Designfreiheit, die mit traditionellen Fertigungsverfahren nur bedingt erreichbar ist. Diese Designfreiheit ermöglicht eine materialeffiziente Topologieoptimierung (TO), die lastpfadgerechte Bauteile nach dem bionischen Prinzip generiert. Trotz dieser Vorteile hat sich die AF bisher nicht in dem erwarteten Maß in der Industrie durchgesetzt. Ein wesentlicher Grund dafür ist die unzureichende Prozessstabilität der AF bei der Herstellung topologieoptimierter Bauteile.

Zielsetzung

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Förderung des material- und energieeffizienten Leichtbaus durch die AF. Dafür wird am iwb der thermische Aufbauprozess simuliert, um Überhitzungen im Bauteil zu detektieren. Nachfolgend werden aus den Simulationsergebnissen die kritischen Bereiche im Bauteil identifiziert. Diese Bereiche werden in der Topologieoptimierung angepasst, um die Prozessstabilität in der AF zu erhöhen.

Vorgehensweise

Bisher folgt das Design von additiv gefertigten Bauteilen vorrangig den notwendigen Anforderungen hinsichtlich Funktionalität, Leichtbau und mechanischen Eigenschaften. In der Vergangenheit wurden weitere wesentliche Kriterien, wie die Prozessstabilität, der Nacharbeits- und der Qualitätssicherungsaufwand sowie der CO2-Fußabdruck oftmals vernachlässigt. Im Projekt Buena wird eine Methode aufgebaut, um Bauteile in einem neu definierten, komplexen Zielsystem zu optimieren. 

Am iwb werden die Überhitzungen in der Aufbau-Prozesssimulation AscentAM, welche für das PBF-LB/M entwickelt wurde, berechnet. In einem iterativen Prozess werden die kritischen Bereiche im Bauteil in der TO berücksichtigt. Im weiteren Projektverlauf wird die Übertragbarkeit auf den DED-Prozess getestet. Die rechenintensive thermische Prozesssimulation wird durch einen GPU-basierten Solver effizienter gestaltet und die Anwendbarkeit durch eine übersichtliche grafische Benutzeroberfläche vereinfacht.

Projektpartner

Bergische Universität Wuppertal: Lehrstuhl für Optimierung mechanischer Strukturen (BUW),

Boeing Deutschland GmbH (BOEING),

FIT AG (FIT),

Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft GmbH (IABG),

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien (IAPT),

nebumind GmbH (nebumind),

Technische Universität München: Lehrstuhl für Produktentwicklung und Leichtbau (LPL) und

J.M. Voith SE & Co. KG (VOITH)

Dank

Das Forschungsprojekt Buena wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert (Förderkennzeichen: 03LB2046G). Hierfür sei herzlich gedankt.