Die Luft- und Raumfahrtindustrie strebt nach einem Optimum zwischen Nachhaltigkeit, Kosten und Effizienz. In diesem Kontext hat sich die additive Fertigung durch die angebotene konstruktive Flexibilität als disruptive Technologie etabliert. Jüngere Forschung hat nachgewiesen, dass das Leichtbaupotential lasttragender struktureller Komponenten durch diese Technologie signifikant erweitert werden kann. Trotz möglicher Verringerungen von Masse und Materialverbrauch, die durch topologieoptimierte Strukturen erreicht werden können, hindern in den meisten Fälle der Herstellungs- und Nachbearbeitungsaufwand die additive Fertigung daran, eine wettbewerbsfähige Alternative zu den herkömmlichen Herstellungsverfahren zu sein. Tatsächlich wird die additive Fertigung oft im Rahmen vom Rapid Prototyping angewendet, während ihr Einsatz in der Serienproduktion, aufgrund hoher Kosten und Fertigungszeiten, noch eingeschränkt ist.

Eine erhöhte Wettbewerbsfähigkeit kann durch die Realisierung innovativer Strukturen, die anhand der additiven Fertigung hergestellt werden können, erreicht werden. Auf der Mesoskala bieten additiv gefertigte zelluläre Strukturen und insbesondere Gitterstrukturen zusätzliche Designfreiheit und somit neue Konstruktionsmöglichkeiten, die durch konventionelle Verfahren nicht realisierbar sind. Neben dem erhöhten Leichtbaupotential können zelluläre Strukturen die Fertigungszeit drastisch reduzieren und die additive Fertigung hinsichtlich Time-to-Market ökonomisch rentabler machen. Dennoch finden Gitterstrukturen nur eingeschränkte Anwendungen in der Serienproduktion und werden derzeit noch nicht in lasttragenden Leichtbaukomponenten angewendet. Dies liegt an einer fehlenden Standardisierung auf mehreren Ebenen, vom Initialdesign bis hin zur Produktzertifizierung, was der Hauptgrund ist, warum das volle Potential solcher Strukturen noch nicht genutzt wird.

Diese Arbeit betrachtet die konzeptuellen und herstellungsbedingten Herausforderungen der Implementierung von Gitterstrukturen in Leichtbaukomponenten. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Konzepte für eine Krafteinleitung ohne lokale Spannungserhöhung an den Schnittstellen zwischen Vollkörper und Gitterstrukturen und zwischen Gitterzellen entwickelt und numerisch verifiziert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden sowohl die zuverlässige additive Fertigung von Gitterstrukturen im Sub-Millimeter Bereich im Rahmen des selektiven Strahlschmelzens als auch Ansätze für deren Implementierung in Vollkörperteilen untersucht. Einblicke in den Einfluss der Fertigung auf die strukturelle Integrität von Gitterstrukturen und deren mechanischen Eigenschaften werden im Rahmen der experimentellen Validierung der entwickelten Konzepte gegeben.

Die vorliegende Arbeit schlägt ein Rahmenwerk für eine standardisierte Konzipierung und zuverlässige Herstellung von Zugproben für die Charakterisierung mechanischer Eigenschaften von Gitterstrukturen vor. Demnach kann dieser Beitrag als erster Meilenstein auf dem Weg zu einfachen Designrichtlinien über die Implementierung von Gitterstrukturen in Leichtbaukomponenten in der täglichen Ingenieurpraxis betrachtet werden. Die entwickelten Konzepte sind nicht spezifisch auf das untersuchte AlSi10Mg Pulvermaterial zugeschnitten und sind somit auf weitere Materialklassen übertragbar.