Trendthema
In den „AM FATIGUE LABS“ entwickelt das Fraunhofer LBF Methoden, um mittels moderner Analysetechnik die Beanspruchungen für additiv gefertigte Bauteile zu simulieren und daraus Bemessungsempfehlungen für die zuverlässige Bauteilgestaltung abzuleiten. - © Fraunhofer LBF/Raapke
17.10.2020

Additive Fertigung: Neues Laboratorium simuliert Bauteil-Beanspruchungen

Additive Fertigung: Neues Laboratorium simuliert Bauteil-Beanspruchungen

Die additive Fertigung stößt derzeit in vielen Bereichen des Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbaus auf ein stetig wachsendes Interesse. Um die Zuverlässigkeit derartig gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mit den „AM FATIGUE LABS“ ein neues Laboratorium eingerichtet. Darin werden Methoden entwickelt, die Beanspruchungen für additiv gefertigte Bauteile simulieren, die wiederum als Grundlage für Bemessungsempfehlungen dienen.

Mit diesen realitätsnahen Simulationen lassen sich zutreffende Bemessungskennwerte zur Auslegung solcher Bauteile ermitteln. Sie gewährleisten außerdem eine verlässliche Designvalidierung, indem sie den Einfluss sämtlicher relevanter Prozessparameter, der Betriebsbeanspruchungen sowie, je nach Anwendungsfall, Umwelteinflüsse berücksichtigen. Dabei steigern eigens entwickelte Belastungssimulatoren die Präzision und Reproduzierbarkeit der Messungen. Dies ermöglicht einen Einblick in das zyklische Werkstoff- und Bauteilverhalten, der mit klassischen Prüfmethoden kaum gelingt.

Um die Vorteile der additiven Fertigung im Sinne des Leichtbaus auch für sicherheitsrelevante Komponenten erschließen zu können, sind zahlreiche Herausforderungen im Wechselfeld von Bauteilgeometrie, Fertigung, Betriebsbeanspruchungen und Umwelteinflüssen zu meistern. Abhängig u.a. von der Bauteilgeometrie, der Belichtungsstrategie und dem verwendeten Werkstoff, lassen sich nahezu beliebige Eigenschaftsgradienten im Bauteil einstellen. Diese können jedoch auch dazu führen, dass geometrisch identische Bauteile unter gleicher Belastung deutlich unterschiedliches Betriebsverhalten und schließlich Lebensdauern haben.

Lokale Phänomene treiben Bauteilermüdung

Der Erkenntnis, dass die Ermüdung von Bauteilen durch lokale Phänomene getrieben wird, kommt vor allem bei additiv gefertigten Komponenten eine gesteigerte Bedeutung zu. „Die neuen Freiheitsgrade bei der Bauteilentwicklung erfordern ein neues Bemessungskonzept, um das Potenzial dieser Fertigungstechnologie auch für zyklisch beanspruchte, sicherheitsrelevante Bauteile heben zu können“, erklärt Dr. Rainer Wagener, unter dessen Federführung das neue Laboratorium am Fraunhofer LBF errichtet wurde.

Um die Zuverlässigkeit additiv gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer LBF die „AM FATIGUE LABS“ eingerichtet. - © Fraunhofer LBF/Raapke
Um die Zuverlässigkeit additiv gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer LBF die „AM FATIGUE LABS“ eingerichtet. © Fraunhofer LBF/Raapke

Der Herstellungsprozess induziert zum einen geometrische Defekte in Form von Poren, Einschlüssen oder rauen Oberflächen, zum anderen führt die lokal stark begrenzte Erwärmung zur Ausbildung signifikanter Eigenschaftsgradienten. Neben den Parametern der Belichtungsstrategie oder des Prozessgases die direkt vom Benutzer gesteuert werden können, spielt unter anderem auch die Baurichtung sowie die Auslegung erforderlicher Stützstrukturen eine erhebliche Rolle bei der Ausbildung der Werkstoffmikrostruktur und somit der lokalen Eigenschaften inklusive der Defektverteilung.

Optische Dehnungsmessung bringt neue Erkenntnisse

In den AM FATIGUE LABS setzt das Team des Fraunhofer LBF unterschiedliche optische Dehnungssensoren ein, deren Messsignale über die erforderliche Echtzeitfähigkeit verfügen. Auf diese Weise wird eine Dehnungsregelung beispielweise in versagensrelevanten Bauteilbereichen ermöglicht. Gleichzeitig können die Darmstädter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der lastsynchronen Messung lokaler Dehnungsfelder Informationen über den lokal wirkenden Schädigungsmechanismus ableiten. Diese Informationen können zur Bauteiloptimierung genutzt werden.

Darüber hinaus lassen sie sich auch zur Steigerung der Werkstoffausnutzung durch Berücksichtigung des defektorientierten Werkstoffverhaltens bereits in frühen Auslegungsphasen nutzen. „Durch die Ableitung dedizierter Bemessungskonzepte und Untersuchungsmethoden wird dabei für additiv gefertigte Komponenten eine Anwendungssicherheit geschaffen, die mit derzeitig verfügbaren Regelwerken, welche sich allesamt an klassischen Herstellungstechnologien orientieren, nicht zu erreichen ist.“, betont Dr. Wagener.

Das Fraunhofer LBF bedankt sich beim Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Förderung des Verbundprojektes „Betriebsfestigkeit additiv gefertigter Bauteile – BadgeB“, mit dem ein Teil des AM FATIGUE LABS realisiert werden konnte.

(Quelle: Presseinformation des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF)

Schlagworte

Additive FertigungBauteilgeometrieLeichtbauSimulation

Verwandte Artikel

Der am Fraunhofer ILT entwickelte Fluidic Powder Switch stoppt den Pulverstrom in Millisekunden direkt an der Düse, verschleißfrei und ohne bewegliche Teile.
17.10.2026

Innovationen für die additive Fertigung auf der Formnext

Auf der Formnext vom 17. bis 20. November 2026 in Frankfurt/Main zeigt das Fraunhofer ILT am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand D31 in Halle 11.0 Lösungen, die die additive Fe...

Additive Fertigung Bauteile Innovationen Laser Powder Bed Fusion Laserstrahlauftragschweißen LPBF Wasserstoffwirtschaft
Mehr erfahren
Additiv gefertigtes Einspritzsystem für die saubere Verbrennung alternativer und fossiler Kraftstoffe in Gasturbinen.
10.10.2026

Saubere Gasturbinen aus dem 3D-Drucker

Gemeinsam mit zwei anderen Forschenden entwickelt Dr. Fabian Hampp, Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und Raumfahrt (IVLR) der Universi...

3D-Druck Additive Fertigung Brennstoffe EFuels Gasturbinen Injektor Laser Powder Bed Fusion Metallpulver Verbrennungstechnik Wasserstoff
Mehr erfahren
Prozessschritte der neuen thermo-mechanischen Gewindeintegration.
09.10.2026

Neue thermo-mechanische Verbindungstechnik für additiv gefertigte Kunststoffbauteile

Die additive Fertigung (AM), insbesondere die Materialextrusion (MEX) mit thermoplastischen Kunststoffen, entwickelt sich zunehmend zur Technologie für leistungsfähige Fu...

3D Druck Additive Fertigung Automatisierung Bauteile Fügen von Kunststoffen Gewinde Gewindehülsen Joining Plastics JP Kunststoffe Thermoplastische Kunststoffe Verbindungstechnik
Mehr erfahren
Eröffnung DVS CONGRESS
DVS Group
06.10.2026

Rückblick DVS CONGRESS 2026 in Erlangen

Kompaktes Fachwissen, moderierte Diskussionen und persönlicher Austausch: Rund 300 Fachleute und zwölf ausstellende Unternehmen sprachen vom 14. bis 15. September in Erla...

Additive Fertigung Automatisierung Defense DVS DVS CONGRESS Forschungsvereinigung Künstliche Intelligenz Schweißen Schweißtechnik Stahlbau
Mehr erfahren
Prof. Dr. Gernot Hochleitner hat seit April 2026 die Professur für ressourceneffiziente Produkt- und Prozessentwicklung an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena inne. Zuvor leitete er am SKZ die Forschungsgruppe thermische Fügetechnologien mit Schwerpunkt auf Kunststoffschweißverfahren und Direktfügen.
01.10.2026

Nachhaltige Kunststofffügetechnik an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena

Die Ernst-Abbe-Hochschule Jena (EAH Jena) stärkt Forschung und Lehre rund um ressourceneffiziente Produktionsprozesse und nachhaltige Kunststofftechnik. Seit dem 1. April...

Fügen von Kunststoffen Joining Plastics JP Kunststoffe Kunststofffügen Leichtbau Nachhaltigkeit Polymere Produktionskreislauf Produktionsprozesse Ressourceneffizienz Rezyklate
Mehr erfahren