29. Oktober 2022

Warum versagt ein Bauteil bereits bei niedriger Belastung und warum hält ein anderes Bauteil der doppelten Kraft stand? Gibt es einen Unterschied, ob das Bauteil konstant oder zyklisch belastet wird? Und wie kann ein additiv gefertigtes Bauteil hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit bewertet und optimiert werden?

All diese Fragen haben wir uns gestellt und dafür eine Lösung gefunden!

Grundsätzlich weisen additiv gefertigte Bauteile ein richtungsabhängiges Werkstoffverhalten auf. Bei Bauteilen – bestehend aus einem Polymer – kommt zudem ein nichtlineares, plastisches Werkstoffverhalten hinzu (siehe Abbildung 1). Außerdem weisen Kunststoffe bei Mehrfachbelastungen ein zeitabhängiges Verformungsverhalten auf, Kriechen oder Relaxation genannt.

Abbildung 1 – Anisotropien von im FDM-Verfahren hergestellte Zugprüfstäben

Im Sinne einer Produktentwicklung gilt es diese Werkstoffeigenschaft richtig abzubilden, um zum einen das Deformationsverhalten des Bauteils zu kennen und zum anderen die lokale Beanspruchung (Spannung, Dehnung) bewerten zu können. Eine geeignete Spannung oder Dehnung kann dann einem Werkstoffgrenzwert (Beanspruchbarkeit) gegenübergestellt und die Festigkeit oder die Lebensdauer eines Bauteils bestimmt werden. Dieser Schritt wird als sogenannter Festigkeitsnachweis bezeichnet.

Das übergeordnete Ziel eines Festigkeitsnachweises besteht darin, Bauteile wirtschaftlich und dem Herstellverfahren entsprechend zu dimensionieren, mit Bezug zur Art der Belastung (vgl. Abbildung 2).

Abbildung 2 – Belastungsarten

Stand heute gibt es kein in der Produktentwicklung von additiv gefertigten Bauteilen anwendbares Auslegungstool, das einen Festigkeitsnachweis erbringen und das Deformationsverhalten beschreiben kann, weshalb aufwendige Testkampagnen zur Ermittlung erforderlicher Kennwerte in Abhängigkeit diverser Prozessparameter notwendig sind. Die Innovation in der von MARA 3D entwickelten Auslegungsmethode liegt darin, dass bereits mit einem geringen Prüfaufwand eine zuverlässige Aussage über das Deformationsverhalten und die Festigkeit getroffen werden kann, unabhängig von der Art der Belastung. Wie in Abbildung 3 dargestellt ist eine erste Abschätzung auf Basis von quasistatischen Zugversuchen dafür geeignet.

Abbildung 3 – Festigkeitsnachweis für additiv gefertigte Bauteile in Anlehnung an das Vorgehen für Spritzgussbauteile

Dieses Wissen wollen wir Unternehmen bereitstellen und daraus einen Wettbewerbsvorteil für sie generieren. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen ihnen zudem Aufschluss darüber geben, wie ihr Bauteil ggf. Topologie optimiert, additiv gefertigt zuverlässig und ressourcenschonend eingesetzt werden kann. Durch die vereinfachte Herangehensweise bei dieser Methode sind sie zudem in der Lage die Ergebnisse daraus als Entscheidungsgrundlage im Entwicklungsprozesse zu verwenden oder darüber mit Ihren Kunden im Rahmen der Umsetzung des Produktes zu sprechen.