3D-WELD

3D-gedruckte Knotenpunkte aus Stahl für bionische Tragstrukturen mittels WAAM, Ilmenau, 2019
Sonderpreis Nachwuchs, Thüringer Staatspreis für Ingenieurleistungen 2019

Aus der Projektbeschreibung:

Filigrane, materialsparende, festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall gewinnen zunehmend an Bedeutung. Neben individueller Ästhetik ist die Realisierung von beanspruchungsoptimierten Strukturen in Anlehnung an die Natur von großem Interesse. Die Motivation einer leichten Knotenstruktur mit maximaler Stabilität ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatz sowie geringen Herstellungskosten gepaart. Dazu ist eine Herstellungstechnologie für tragende Strukturen aus metallischen Werkstoffen notwendig.
Ziel ist die Entwicklung einer Vorgehensweise für die Herstellung von 3D-Knotenstrukturen für bionische Tragwerke durch lichtbogenbasierte Fertigungstechnologie (Wire and Arc Additive Manufacturing - WAAM) aus niedriglegierten Stählen. Die Möglichkeit der robotergesteuerten Fertigung garantiert eine hohe geometrische Präzision, Formenvielfalt und durch Anwendung der Topologieoptimierung eine effiziente Materialausnutzung sowie die Erarbeitung steifigkeits- und festigkeitsangepasste Knotenkonstruktionen. Entwickelt werden verfahrensspezifische und materielle Lösungen zur Übertragung auf Maßstab und Lichtbogentechnik als 3D-Drucktechnologien für den Einsatz im Bauwesen. Für zukünftige Design- und Bemessungsaufgaben können die experimentell ermittelten und statistisch abgesicherten Daten in Schweißlagenrichtung und senkrecht zur Schweißlagenrichtung für 0,2 Prozent-Dehngrenze, Zugfestig- keit, Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit für die Schweißzusatzwerkstoffe genutzt werden. Die parametrische Arbeitsweise ermöglicht eine vielfältige Übertragung auf weitere Anwendungen und Geometrieformen, wobei sämtliche Arbeitsschritte neben der rechnerischen Simulation in Form von statischen und dynamischen Belastungsversuchen verifiziert und validiert werden.

Materialeinsatz

In den Anwendungsbeispielen wurden eine EWM Alpha Q 552 puls Schweißstromquelle in Verbindung mit einem wassergekühlten Automatenbrenner vom Typ Binzel Robo WH W500 verwendet. Als Handlingsystem diente ein Kuka KR150 Industrieknickarmroboter. Für die komplexen 3D-Bauteile wurde die Bahnplanungssoftware DCAM von SKM genutzt. Tragstrukturen bestehen vorwiegend aus niedriglegiertem Stahl, daher wurden niedriglegierte Schweißzusatzwerkstoffe und Fülldrähte untersucht.

Energieeffizienz

Die experimentell ermittelten mechanisch-technologischen Eigenschaften konnten ge- nutzt werden, um eine Topologieoptimierung für die Struktur durchzuführen. Ziel war eine minimale Masse und maximale Steifigkeit zu erreichen. Neben der Spannungsverminderung am kerbreichen Übergang ist bei statischer Last eine geringere Ermüdungsbeanspruchung vorhanden und somit Effizienz bezüglich Herstellung und Nutzung.

Aus der Jurybeurteilung:

Von großem Interesse bei der Auslegung und Fertigung von Tragstrukturen ist heutzutage die Erreichung einer hohen Energieeffizienz. Damit kann eine der wichtigsten Säulen zur Gewährleistung von Nachhaltigkeit perfekt bedient werden. Effizienz bei Tragwerken ist definiert durch das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen, das durch die Verwendung von filigranen, materialsparenden, festigkeits- und steifigkeitsangepassten Strukturen positiv beeinflusst werden kann. Sind diese zusätzlich in Anlehnung an die Natur beanspruchungsoptimiert, ist ein weiterer positiver Effekt zu verzeichnen. Geringe Herstellungskosten gehen erfreulicherweise bei geschickter Auswahl der Strategie damit einher.
Bei der prämierten Einreichung werden lichtbogenbasierte additive Fertigungsverfahren für die Herstellung von 3D-Knotenstrukturen für bionische Tragwerke betrachtet. Die Übertragung von vorhandenen Erfahrungen auf das Bauwesen wird unter Beachtung von spezifischen Ansprüchen an die Materialeigenschaften bei großmaßstäblichen Tragwerken im Zuge dieses Vorhabens vorangetrieben. Der Einsatz von computerbasierten Werkzeugen zur rechnerischen Simulation in Ergänzung mit umfänglichen anspruchsvollen Belastungsversuchen ist ebenfalls zu konstatieren.
Die Einreichung beschreibt ein zukunftsorientiertes Vorhaben, das über den Stand der Technik ein ganzes Stück hinausgeht. Der konzeptionelle Ansatz basiert dabei im Wesentlichen auf einem geschickten Technologietransfer unter Beachtung der sich dabei verändernden Randbedingungen. Die aufgezeigten Möglichkeiten sind vielversprechend und für die Forschungs- und Industrielandschaft Thüringens ein beachtlicher Gewinn. Dass diese neben der Einsparmöglichkeit von Energie mit der Verlängerung der Lebensdauer von ressourcenverbrauchenden Investitionen einhergehen, bestätigt diese positive Einschätzung. Die Einreichung 3D-Weld wird deshalb mit dem Sonderpreis Nachwuchs prämiert.

Idee, Konzept, Planung und Umsetzung

  • Jan Reimann, M. Sc.
  • Philipp Henckell, M. Sc.
  • Ali Yarop, M. Sc.
  • Jörg Hildebrandt, Dr.-Ing.

Hochschule, Betreuer der Arbeit

Technische Universität Ilmenau I Fakultät für Maschinenbau I Fachgebiet Fertigungstechnik

  • Jean Pierre Bergmann, Prof. Dr.-Ing.

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