Maßgeschneiderte Materialeigenschaften durch poröse Strukturen
Das Institut für Montagetechnik und Industrierobotik (match) der Leibniz Universität Hannover erforscht additive Fertigungsverfahren für hybride poröse Metallbauteile. Ziel ist es, Bauteile mit lokal einstellbarer Dichte und damit gezielt angepassten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Solche Strukturen besitzen das Potenzial, den Leichtbau entscheidend weiterzuentwickeln. Sie ermöglichen beispielsweise eine verbesserte Energieabsorption, angepasste Steifigkeiten oder die Integration zusätzlicher Funktionen wie Sensorik zur Zustandsüberwachung.
Im Sonderforschungsbereich Transregio 375 „HyPo“ entstehen so multifunktionale Hochleistungsbauteile aus verschiedenen Metallen, kombiniert mit kontrollierter Porosität. Damit diese komplexen Strukturen zuverlässig gefertigt werden können, muss der Fertigungsprozess von Beginn an planbar und beherrschbar sein. Das match entwickelt hierfür im Teilprojekt B05 modellbasierte Methoden zur Bahnplanung in der additiven Fertigung.
Herausforderung: Porosität gezielt herstellen statt zufällig vermeiden
Bei der additiven Fertigung mittels Lichtbogen und Draht (Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM) wird Material entlang einer vorgegebenen Werkzeugbahn aufgetragen. Klassische Planungsverfahren orientieren sich dabei ausschließlich an der gewünschten Bauteilgeometrie. Porosität gilt traditionell als Fehlerzustand und wird vermieden.
Für hybride poröse Bauteile stellt sich jedoch die gegenteilige Aufgabe: Die Porosität soll räumlich definiert erzeugt werden, während gleichzeitig eine möglichst genaue Bauteilgeometrie erreicht wird. Dies ist komplex, da Prozessparameter wie Drahtvorschub, Stromstärke oder Geschwindigkeit die Schweißraupengeometrie und die Porenbildung stark beeinflussen. Zusätzlich verändert sich der thermische Zustand während des Schichtaufbaus kontinuierlich, wodurch Wechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Bahnen entstehen.
Das match begegnet dieser Herausforderung mit einem modellbasierten Planungsansatz, der Prozessmodelle, inverse Parameterberechnung und thermische Simulation koppelt. Auf Basis eines digitalen Bauteilentwurfs generiert das System Schweißbahnen sowie passende Prozessparameter und passt diese iterativ an, bis die Zielwerte für Geometrie und Porosität erreicht werden.
Digitale Bewertung der Bahnqualität durch Auftragssimulation
Ergänzend zur modellbasierten Planung entwickelt das match eine pixelbasierte Auftragssimulation zur Bewertung erzeugter Werkzeugbahnen (siehe Abbildung 1). Dabei wird der Materialauftrag vereinfacht diskret abgebildet und schichtweise simuliert. Auf diese Weise lassen sich Bahnstrategien hinsichtlich Überdeckung, Materialverteilung oder potenzieller Fehlstellen analysieren, bevor reale Versuche durchgeführt werden.
Diese Simulation erlaubt eine schnelle qualitative Bewertung der Bahnqualität und unterstützt die Auswahl geeigneter Planungsstrategien. Sie ergänzt physikalische Prozessmodelle um eine effiziente Methode zur geometrischen Analyse und reduziert den experimentellen Aufwand im Entwicklungsprozess. Um die Aussagekraft der Simulation experimentell abzusichern, werden die resultierenden Bahnstrategien anschließend auf einem Versuchsstand untersucht.
Validierung durch experimentellen Versuchsstand
Das match betreibt einen robotergestützten Versuchsstand zur additiven Fertigung mittels Lichtbogen und Draht (siehe Abbildung 2). Mit diesem Aufbau erzeugt das Team systematisch Prozessdaten, um modellbasierte Planungsansätze experimentell zu untersuchen.
Im Mittelpunkt stehen Parameterstudien, die den Zusammenhang zwischen einstellbaren Prozessgrößen und resultierender Schweißraupengeometrie sowie Porosität erfassen. Diese Untersuchungen dienen dazu, die entwickelte pixelbasierte Auftragssimulation zu validieren und deren Aussagekraft hinsichtlich Materialverteilung und Bahnqualität zu bewerten. Gleichzeitig liefert der Versuchsstand Messdaten zur Identifikation von Prozessmodellen, welche die Wechselwirkungen zwischen Bahnplanung, thermischen Bedingungen und Materialauftrag beschreiben.
So wird beispielsweise das Verhalten während Kurvenfahrten und bei sich überlappenden Bahnen analysiert, um die Auftragssimulation gezielt zu parametrieren. Verschiedene Füllalgorithmen wie Zick-Zack-, Kontur- oder hybride Muster werden speziell an das WAAM-Verfahren angepasst und erprobt.
Modulare Softwarearchitektur als Forschungsplattform
Parallel zur experimentellen Arbeit entwickelt das match eine modulare Softwarearchitektur zur Bahnplanung und Prozessauswertung (siehe Abbildung 3). Diese Architektur erlaubt es, einzelne funktionale Bausteine gezielt auszutauschen oder zu erweitern, ohne das Gesamtsystem neu aufbauen zu müssen. Dadurch kann das Team unterschiedliche Planungsstrategien, Prozessmodelle oder Simulationsmethoden flexibel integrieren und vergleichen. Die Plattform unterstützt sowohl die Entwicklung neuer wissenschaftlicher Ansätze als auch deren Anpassung an verschiedene Fertigungsverfahren.
Die Plattform soll unter anderem in den Versuchsstand des Instituts für Werkstoffkunde (IW) integriert werden, das sich ebenfalls mit WAAM im Rahmen von „HyPo“ zur Erzeugung gradierter hybrider und poröser Strukturen beschäftigt. Regelungsansätze für das pulverbasierte Laserauftragsschweißen untersucht der Lehrstuhl für Messtechnik und Sensorik der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau ebenfalls im Teilprojekt B05. Auch dort ist eine Integration dieser Softwarearchitektur vorgesehen.
Das match schafft damit eine technische Grundlage, um zukünftige Forschungsfragen effizient zu adressieren und Kooperationen mit angrenzenden Disziplinen zu erleichtern.
