Methode zur Erstellung und Bewertung von hybriden Strukturkonzepten auf Basis additiver und konventioneller Fertigungsverfahren

Abstract

Für die nachhaltige Gestaltung der Mobilität gilt es den Einsatz von Energie und Material im Fahrzeugbau weiter zu reduzieren. Deshalb gewinnen gerade mit steigender Variantenvielfalt und Modularisierung künftiger Straßenfahrzeuge flexible Produktionssysteme und Leichtbaumethoden zunehmend an Bedeutung. Additive Fertigungsverfahren bieten aufgrund des Schichtbauprinzips außerordentliche Freiheiten im Gestaltungsprozess. Deren Unabhängigkeit von formgebenden Werkzeugen erhöht zudem die Flexibilität in der Produktion von individuellen und leichtbauoptimierten Strukturkomponenten. Trotz ihrer Vorteile in Bezug auf Leichtbau und Gestaltflexibilität stellt deren Anwendung in der automobilen Produktion eine Herausforderung dar. Unter anderem erschweren noch lange Prozesszeiten und hohe Werkstoffkosten, z.B. bei den pulververarbeitenden Laserschmelzverfahren Selective Laser Melting und Laser Metal Deposition, die wirtschaftliche Herstellung von metallischen Strukturkomponenten. Deshalb scheiden additive Fertigungsverfahren im Wettbewerb zu konventionellen Fertigungslösungen oft bereits zu Beginn des Produktentstehungsprozesses aus, wodurch innovative Konzeptideen und neuartige Leichtbaulösungen für die Serienanwendung ausbleiben. Im Vergleich zu rein additiv hergestellten Strukturen können durch den kombinierten Einsatz additiver Fertigungsverfahren und konventionell hergestellter Halbzeuge jedoch Flexibilität und Leichtbaugüte bei gleichzeitiger Senkung von Kosten und Fertigungszeit optimiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Erstellung und Bewertung hybrider Strukturkonzepte für additive und konventionelle Fertigungsverfahren vorgestellt. Ausgehend von der Zielanwendung und vom verfügbaren Bauraum wird unter Berücksichtigung von Bauteil- und Fertigungsrandbedingungen ein hybrides Struktur- und Fertigungskonzept erstellt. Mittels einer Datenbank und einer Entscheidungslogik können zunächst geeignete Fertigungs- und Nachbehandlungsverfahren ausgewählt und anhand technischer und wirtschaftlicher Kriterien bewertet und festgelegt werden. Anschließend wird ein hybrides Strukturgrobkonzept erstellt und die Anteile von additiven und konventionellen Fertigungsverfahren an der Gesamtstruktur im Hinblick auf Leichtbaugrad, Fertigungszeit und -kosten optimiert. Die Methode wird am Beispiel eines leichtbauoptimierten hybriden Strukturkonzepts dargestellt.