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Ein Beitrag zur Vordimensionierung der Steifigkeitseigenschaften metallischer Bauteile durch die systematische Integration additiv gefertigter Meso-Strukturen

Schulte, Fiona (2023)
Ein Beitrag zur Vordimensionierung der Steifigkeitseigenschaften metallischer Bauteile durch die systematische Integration additiv gefertigter Meso-Strukturen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026386
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Ein Beitrag zur Vordimensionierung der Steifigkeitseigenschaften metallischer Bauteile durch die systematische Integration additiv gefertigter Meso-Strukturen
Language: German
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard ; Dörsam, Prof. Dr. Edgar
Date: 14 December 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 221 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 18 October 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026386
Abstract:

Die additive Fertigung ermöglicht es, Meso-Strukturen, auch Gitterstrukturen genannt, in Bauteile zu integrieren. Meso-Strukturen bestehen aus sich periodisch wiederholenden Elementarzellen mit vielfältigen Topologien, die durch die Merkmale Strukturdicke und Kantenlängen der Elementarzellen-Einhüllenden definiert sind. Die geometrische Vielfalt und die variablen Merkmale ergeben eine Vielzahl nutzbarer Eigenschaften. Besonders die hohe Leichtbaugüte der Meso-Strukturen ist von Bedeutung. Meso-Strukturen in Bauteile zu integrieren, erfordert eine gezielte Auslegung der Eigenschaften der Meso-Strukturen während des Produktentwicklungsprozesses (PEP). Zur Bewertung und Auswahl von Bauteilkonzepten mit und ohne Meso-Strukturen im Vergleich ist eine einfache und schnelle Vorauslegung der Meso-Strukturen zweckmäßig. Die Auslegung mittels simulationsgestützter Optimierung oder iterativer Dimensionierung, wie sie in der Literatur beschrieben wird, führt zu einem hohen Auslegungsaufwand und Einflüsse einzelner Merkmale auf die Bauteileigenschaften sind nicht direkt ersichtlich. Ziel der Arbeit ist es daher, eine Methode zur Vordimensionierung der Meso-Strukturen zu erarbeiten, in welcher die Zusammenhänge zwischen den leichtbaurelevanten Steifigkeitseigenschaften der Meso-Strukturen und den Merkmalen Topologie, Strukturdicke und Kantenlänge würfelförmiger Elementarzellen-Einhüllender, für eine beanspruchungsgerechte Dimensionierung mit einem Modell beschrieben werden. Dazu werden die Zusammenhänge für homogene Meso-Strukturen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht und eine Dimensionierungsgleichung für die Auslegung der Meso-Strukturen ermittelt, die eine Vordimensionierung der Steifigkeitseigenschaften ohne erneute Verwendung von Simulationen ermöglicht. Die Dimensionierungsgleichung beschreibt topologieweise die Normal- und Schubsteifigkeit der Meso-Struktur-Elementarzellen, abhängig vom Dimensionsverhältnis Strukturdicke zu Kantenlänge der Elementarzellen-Einhüllenden. Das FEM- und das Dimensionierungsmodell werden initial experimentell verifiziert. Die beanspruchungsgerechte Gestaltung erfordert lokal unterschiedliche Ausprägungen der Merkmale der Meso-Strukturen. Für die Anpassung an die lokale Beanspruchung wird eine Variation der Strukturdicke sowie deren Gradierung vorgesehen, um die Bereiche unterschiedlicher Strukturdicken ohne Steifigkeitssprünge zu verbinden. Die Auswirkung der Gradierung wird ebenfalls mittels FEM untersucht. Abhängig von der relativen Durchschnittsdichte werden die Steifigkeitseigenschaften durch die Gradierung verglichen mit einer homogenen Elementarzelle der gleichen Durchschnittsdichte reduziert. Anhand der Ergebnisse, wird ein Kriterium für die Dimensionierung von Gradienten, ausgehend von der lokal erforderlichen Dicke einer homogenen Elementarzelle, ermittelt. Die Anwendung des Modells zur Vorauslegung in der Konzeptphase des PEP wird durch ein methodisches Vorgehen systematisiert und beispielhaft evaluiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Additive manufacturing enables the integration of meso structures, also called lattice structures, as internal structures in components. Meso structures consist of periodically repeating elementary cells with diverse topologies defined by the characteristics structural thickness and edge lengths of the elementary cell’s envelope. The geometric diversity and variable characteristics result in a variety of useful properties. The usage of meso structures is particularly important for high quality of lightweight design. Integrating meso structures into components requires a purposive design of the meso structures’ properties during the product development process (PDP). To evaluate and select component concepts with and without meso structures in comparison, a simple and fast preliminary design of the meso structures is expedient. A preliminary design using simulation-based optimization or iterative dimensioning, as described in literature, leads to an extensive design effort and the impact of particular characteristics on the component’s properties is not immediately evident. Therefore, objective of this work is the development of a method for pre-dimensioning of meso structures, in which the interrelations between the meso structures’ stiffness properties relevant to lightweight design and the characteristics of topology, structural thickness and edge length of a cube-shaped elementary cell envelope, are described for stress-appropriate dimensioning. For this purpose, the interrelations for homogeneous meso structures are analysed using finite element method (FEM) and a dimensioning equation for the design of the meso structures is determined, which allows pre-dimensioning the stiffness properties without repeated usage of FEM-simulations. The dimensioning equation describes the normal and shear stiffness of the meso structure elementary cells topology-wise, depending on the aspect ratio of structural thickness to edge length of the elementary cell envelope. The FEM and the dimensioning model are initially verified by experiments. The stress-appropriate design requires locally different characteristics of the meso structures. Variation of the structural thickness as well as its fuctional grading is intended to be used to match the local stresses and connect the regions of different structural thickness while avoiding stiffness jumps. The effect of grading is also analysed using FEM. Depending on the average relative density, the stiffness properties are reduced due to grading, compared to a homogeneous unit cell of the same average relative density. Based on these results, a criterion for dimensioning the grading is determined, based on the required local thickness of a homogeneous unit cell. The application of the model for preliminary design during the concept phase of the PDP is systematized by a methodological procedure and exemplarily evaluated.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-263861
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd)
Date Deposited: 14 Dec 2023 13:33
Last Modified: 12 Feb 2024 11:56
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26386
PPN: 51541087X
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