Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es noch keine allgemein verbindliche Norm zur Durchführung eines Festigkeitsnachweises für additive Strukturen. Daher führt diese Arbeit die Besonderheiten der additiven Fertigung und den konventionellen Festigkeitsnachweis nach der FKM-Richtlinie in einem möglichen Ansatz eines Leitfadens zusammen. Zu diesem Zweck werden die bestehenden Formeln und Kennwerte des konventionellen Festigkeitsnachweises so angepasst, dass die Materialkennwerte additiver Strukturen berücksichtigt werden.
Eine der wichtigsten Aufgaben in der Konstruktion ist es, sicherzustellen, dass Bauteile unter ihren äußeren Belastungen nicht versagen. Aus diesem Grund muss in der Regel hinsichtlich Statik und Ermüdung ein Festigkeitsnachweis erbracht werden. Dieser erfolgt für konventionell gefertigte Bauteile im Allgemeinen nach bestimmten Normen und Regelwerken, wie beispielsweise der FKM-Richtlinie. Auch Bauteile, welche mittels additiver Fertigung hergestellt werden, müssen diesen Anforderungen genügen. Aufgrund fertigungsbedingter Einflüsse sowie besonderer Materialeigenschaften stellt die Anwendung der FKM-Richtlinie bei additiven Strukturen jedoch eine Herausforderung dar.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Festigkeitsnachweis statisch und dynamisch beanspruchter Bauteile
2.1 Allgemeines Vorgehen
2.2 Vorhandene Spannung/Beanspruchung
2.2.1 Belastungen und Beanspruchungen
2.2.2 Nennspannungen und örtliche Spannungen
2.2.3 Berechnung der Nennspannungen
2.2.4 Überlagerung von Spannungskomponenten
2.2.5 Eigenspannungen
2.3 Zulässige Spannung/Bauteilfestigkeit
2.3.1 Konzepte der Festigkeitsberechnung
2.3.2 Bauteilfestigkeit und Festigkeitsgrenzen
2.3.3 Statische Bauteilfestigkeit
2.3.4 Dauerfestigkeit, Zeitfestigkeit
2.4 Nachweis der statischen und dynamischen Festigkeit
2.4.1 Nachweis der statischen Festigkeit
2.4.2 Nachweis der Bauteil-Dauerfestigkeit
3 Additive Fertigung/Additive Manufacturing (AM)
3.1 Grundlagen der additiven Fertigung
3.1.1 Entwicklung
3.1.2 Ausprägungen
3.1.3 Einsatzgebiete
3.1.4 Prozessablauf
3.1.5 Systematik
3.1.6 Übersicht der AM-Verfahren
3.1.7 Chancen und Herausforderungen
3.2 Besonderheiten der Materialkennwerte
3.2.1 Statische Festigkeit
3.2.2 Oberflächeneigenschaften
3.2.3 Ermüdungseigenschaften
4 Stand der Technik bezüglich Festigkeitsnachweisen additiv gefertigter Bauteile
5 Leitfaden für Festigkeitsnachweise additiver Strukturen
5.1 Statischer Festigkeitsnachweis additiver Strukturen
5.2 Dynamischer Festigkeitsnachweis additiver Strukturen
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Leitfadens für den Festigkeitsnachweis additiv gefertigter Bauteile, da konventionelle Normen wie die FKM-Richtlinie aufgrund fertigungsbedingter Materialeigenschaften bei additiven Strukturen nur eingeschränkt anwendbar sind. Ziel ist es, Materialbesonderheiten in den rechnerischen Festigkeitsnachweis zu integrieren.
- Grundlagen der statischen und dynamischen Festigkeitsberechnung nach FKM-Richtlinie.
- Systematik, Prozessablauf und Anwendungsbereiche der additiven Fertigung.
- Analyse materialtechnischer Besonderheiten additiv gefertigter Strukturen (Anisotropie, Rauheit).
- Entwicklung eines adaptierten Leitfadens für den statischen und dynamischen Festigkeitsnachweis unter Berücksichtigung von AM-spezifischen Faktoren.
Auszug aus dem Buch
3.1 Grundlagen der additiven Fertigung
In der Öffentlichkeit ist die additive Fertigung (generative Fertigung, engl. Additive Manufacturing (AM)) meist unter dem Begriff des 3-D-Drucks bekannt, wobei der 3-D-Druck eigentlich nur ein einzelnes additives Verfahren bezeichnet. [VDI14b, S. 3]
Im Allgemeinen steht die AM als Überbegriff für eine Großzahl an Technologien und Einsatzgebieten, welche durch einen additiven Schichtaufbau charakterisiert sind. Hierbei werden in x- und y-Richtung einzelne Schichten des Werkstoffes maschinell generiert und unter Verwendung der z-Achse in der dritten Dimension miteinander verbunden. [LLF16, S. 6]
Diese Herangehensweise steht im Gegensatz zu den „klassischen“ subtraktiven Fertigungsverfahren (zum Beispiel Drehen und Bohren), bei denen Material abgetragen wird, um die angestrebte Geometrie zu erhalten. [VDI14a, S. 4]
Am Beispiel des Fertigungsverfahrens Laser-Sintern soll das Vorgehen bei der additiven Fertigung dargestellt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung stellt die Bedeutung der additiven Fertigung dar und definiert das Ziel der Arbeit, einen Festigkeitsnachweis für diese Strukturen zu entwickeln.
2 Festigkeitsnachweis statisch und dynamisch beanspruchter Bauteile: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Grundlagen des konventionellen Festigkeitsnachweises gemäß der FKM-Richtlinie.
3 Additive Fertigung/Additive Manufacturing (AM): Das Kapitel behandelt die Grundlagen der additiven Fertigung sowie die besonderen Materialkennwerte und Herausforderungen dieser Technologie.
4 Stand der Technik bezüglich Festigkeitsnachweisen additiv gefertigter Bauteile: Es wird der aktuelle Forschungsstand beleuchtet, wobei festgestellt wird, dass es noch keine allgemein verbindlichen Normen für additive Strukturen gibt.
5 Leitfaden für Festigkeitsnachweise additiver Strukturen: Hier wird der in der Arbeit erarbeitete Ansatz eines angepassten Leitfadens für statische und dynamische Festigkeitsnachweise bei additiven Bauteilen vorgestellt.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das Abschlusskapitel fasst die Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsnotwendigkeiten im Bereich der AM-Festigkeitsbewertung.
Schlüsselwörter
Additive Fertigung, Festigkeitsnachweis, FKM-Richtlinie, Statische Festigkeit, Dynamische Festigkeit, Materialkennwerte, Anisotropie, Oberflächenrauheit, Bauteilversagen, Konstruktion, Ermüdungsverhalten, Leichtbau, Prozessparameter, Kerbwirkung, AM-Faktor
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herausforderung, wie man für additiv gefertigte Bauteile einen rechnerischen Festigkeitsnachweis erbringt, da diese Bauteile aufgrund ihres speziellen Schichtaufbaus andere Materialeigenschaften aufweisen als konventionell gefertigte Teile.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind der klassische Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie, die Grundlagen und Verfahren der additiven Fertigung sowie die Anpassung der bestehenden Berechnungsansätze an die Besonderheiten von AM-Strukturen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, einen Leitfaden zu entwickeln, der Ingenieuren hilft, die Besonderheiten von additiv gefertigten Strukturen (wie Anisotropie und fertigungsbedingte Fehler) in bestehende Festigkeitsberechnungsverfahren zu integrieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer fundierten Literaturrecherche und der Analyse bestehender Normen, welche anschließend durch die Integration additiv-spezifischer Faktoren zu einem neuen Leitfaden-Ansatz zusammengeführt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden zunächst die theoretischen Grundlagen des Festigkeitsnachweises für statische und dynamische Belastungen dargelegt, gefolgt von einer tiefgehenden Betrachtung der AM-Technologien und deren Materialkennwerte, um darauf basierend den neuen Leitfaden zu formulieren.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe sind Additive Fertigung, Festigkeitsnachweis, FKM-Richtlinie, Anisotropie, Bauteilfestigkeit und Materialkennwerte.
Welche Rolle spielen die Prozessparameter?
Prozessparameter wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Aufbaurichtung haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Materialeigenschaften und führen dazu, dass Materialkennwerte stark vom jeweiligen Fertigungssetup abhängen.
Warum wird im Anhang eine Getriebewelle als Beispiel genutzt?
Die Getriebewelle dient als praxisnahes Beispiel, um die einzelnen Rechenschritte des entwickelten Leitfadens transparent und nachvollziehbar an einem realen Bauteil unter Torsions- und Biegebelastung zu demonstrieren.
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- Anonym (Author), 2018, Besonderheiten des Festigkeitsnachweises additiv gefertigter Bauteile, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1128224
