Simulation und Optimierung von additiv gefertigter Keramik

Witscher, M.; Lüke, M.; Nikolay, D.; Kollenberg, W.; Hoffmann, W.; Wulfert, R.

Das Potential der Additiven Fertigung, das durch geometrische Freiheiten der Gestaltung gegeben ist, wird bisher häufig nur unter Design Aspekten genutzt. Zur Konstruktion keramischer Bauteile sind viele Heuristiken und Richtlinien vorhanden, es mangelt jedoch an einer analytischen Herangehensweise und Vergleichskriterien. Die gezielte Reduzierung der Masse, ohne Einbuße des Einsatzverhaltens, ist für Keramik kommerziell noch nicht umgesetzt. Auf Grundlage einer Anpassung für Bauteile aus Stahl wurde daher eine anwendungsspezifische Topologieoptimierung keramischer Bauteile entwickelt, um das Potential des 3D-Drucks für keramische Komponenten konsequent zu nutzen. Als besondere Herausforderung galt es, die beim Sinterprozess auftretenden Schwindungen zu berücksichtigen und die richtungsabhängigen Materialeigenschaften gedruckter Keramik zu berücksichtigen. Beispielsweise müssen, um Risse zu vermeiden, große Masseunterschiede innerhalb eines Bauteils vermieden werden und trotzdem eine Gewichts- und Größenreduktion erreicht werden. Das anwendungsoptimierte Bauteil wurde in einem zweiten Schritt ein weiteres Mal topologieoptimiert, diesmal mit einem fertigungsspezifischen Bezug. Insbesondere beachtet wurden die Vorgänge beim Sintern. Da zu diesem Vorgang noch keine Standardmodellierung vorlag, werden eine Modellierung und ein numerisches Berechnungsverfahren entwickelt. Hierzu wurden physikalische Tests wie Biegeprüfungen und E-Modulbestimmungen und Ermittlungen der Oberflächenrauigkeit durchgeführt und in die Simulation eingepflegt. Ziel der Topologieoptimierung sind die Reduktion von Spannungen im Bauteil und die Wahrung der Form nach dem Sintern. Das Ergebnis der Topologieoptimierung ist nicht das fertige Bauteil, sondern der zu druckende Grünling.

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Witscher, M. / Lüke, M. / Nikolay, D. / et al: Simulation und Optimierung von additiv gefertigter Keramik. Düren 2021. Shaker.

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