Auslegung partikelgedämpfter Strukturbauteile für die Additive Fertigung

Abstract

Das kontinuierliche Streben, Strukturbauteile immer ressourcenschonender und effizienter zu gestalten, führt zu einer Reduktion der Bauteilmasse, aber auch der Dämpfung. Allerdings stellen Dämpfungsmechanismen einen entscheidenden Faktor zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens dynamischer Systeme dar. So können z. B. Fahrzeugschwingungen den Fahrkomfort mindern oder im schlimmsten Fall zum Bauteilversagen führen. Einen effektiven, kostengünstigen und einfach zu integrierenden Ansatz zur Schwingungsreduktion, stellt der Effekt der Partikeldämpfung dar. Insbesondere in pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren wie dem PBF-LB/M, kann während des Bauprozesses unverschmolzenes Pulver in dafür vorgesehenen Bauteilkavitäten belassen und so ein hochintegrierter Partikeldämpfer gefertigt werden. Durch eine Integration der pulvergefüllten Kavitäten im Bereich der neutralen Faser kann eine hohe Dämpfung bei geringfügiger Beeinflussung der Bauteilmasse und -steifigkeit realisiert werden. Neben den zahlreichen Vorteilen ist der Einsatz laserstrahlgeschmolzener Partikeldämpfer jedoch aktuell noch stark limitiert. Die Ursachen sind vor allem die zahlreichen Auslegungsparameter, die hochgradig nichtlineare Wechselwirkungen aufweisen. Infolge dessen liegen noch keine ausreichenden Auslegungswerkzeuge wie Kennfelder, mechanische Ersatzmodelle oder Gestaltungsrichtlinien vor.

Der erste Aspekt dieser Arbeit widmet sich der experimentellen Charakterisierung laserstrahlgeschmolzener Partikeldämpfer aus Aluminium AlSi10Mg und Werkzeugstahl 1.2709. Neben dem Material, werden die relevanten Einflussfaktoren Anregungskraft, Frequenz und Hohlraumvolumen analysiert. Dazu wird eine Impulshammeranregung von Biegebalken durchgeführt und die Dämpfung über das Circle-Fit Verfahren ausgewertet. Dabei konnte für ausgewählte partikelgedämpfte Balken die Dämpfung um bis zu einem Faktor von 20 gegenüber einem vollversinterten Referenzbalken gesteigert werden. Anschließend wird ein mechanisches Ersatzmodell in Form eines Zweimassenschwingers aufgebaut, welches sowohl die Stoß-, als auch die Reibvorgänge im Partikeldämpfer abbilden kann. Im Ergebnis liegt ein verifiziertes mechanisches Ersatzmodell vor, welches eine Genauigkeit von 85% verglichen zum Experiment aufweist.

Darauf aufbauend werden Gestaltungsrichtlinien abgeleitet und eine Auslegungsmethode erarbeitet. Abschließend wird ein Demonstrator (Motorradgabelbrücke) unter den Gesichtspunkten einer niedrigen Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Dämpfung ausgelegt. Die Auslegungsmethode konnte erfolgreich am Anwendungsbeispiel Gabelbrücke angewendet und die Dämpfung, verglichen zur vollversinterten Gabelbrücke, merklich gesteigert werden.