Entwicklung hochbelasteter Leichtbaustrukturen aus lasergenerierten metallischen Komponenten mit Faserverbundverstärkung

Die Selective Laser Melting (SLM) Technologie erlaubt die Herstellung komplexer belastbarer Metallstrukturen, die im Vergleich zu konventionell hergestellten Bauteilen ein hohes Leichtbaupotential aufweisen. Die Kombination von Faser-Kunststoff-Verbund(FKV)- und SLM-Leichtmetallkomponenten in einem Hybridbauteil gestattet es, die Vorteile beider Werkstoffklassen auch für zusammengesetzte komplizierte Belastungsfälle optimal zu nutzen, wobei die Gestalt, Anordnung und Funktion der Leichtbaustrukturen anwendungsspezifisch aneinander anzupassen sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hochintegrativer Leichtbau-Ventilblock (Manifold) für den Flugzeugbau zum einen als SLM/FKV-Hybridbauteil und zum anderen als reine SLM-Struktur entwickelt, hergestellt und validiert. Dafür erfolgte die Analyse der werkstoff- und strukturmechanischen Eigenschaften des favorisierten SLMWerkstoffs Titan unter statischen und dynamischen Belastungen in Abhängigkeit der Prozessparameter sowie der nachgeschalteten Bearbeitungsprozesse. Zur Steigerung des Leichtbaugrades neuer SLM-Bauteile sowie der Prozesseffizienz der SLM-Fertigung wurde ein methodisches Konstruktionskonzept erarbeitet, das in Bezug auf einen Referenzventilblock eine Massereduktion von über 50% bei minimierten Stützstrukturen gestattet. Eine weitere Steigerung des Leichtbaugrades wurde durch verstärkende FKV-Strukturen sowohl an hydraulischen Grundelementen als auch an einem hybriden Leichtbau-Ventilblock erzielt.
The selective laser melting (SLM) technology facilitates the production of complex resilient metal structures with a high lightweight potential compared to conventionally produced parts. The combination of fibre reinforced plastics (FRP) and SLM light metal structures in a hybrid component allows taking advantage of both classes of materials. Thus, for combined complex load cases the form, arrangement and function of the lightweight structures are specifically adapted for the applications. In this work, a highly integrative lightweight manifold for the aircraft industry was developed, manufactured and validated. It was realised either as pure SLM component or as a hybrid SLM/FRP structure. Therefore, the material and structural-mechanical properties of the favored SLM titanium material has been analysed under static and dynamic conditions depending on the SLM process parameters as well as the following machining processes. To increase the lightweight limits of the new SLM components, as well as the efficiency of the SLM manufacturing process, a methodical design concept was developed. This results in a weight reduction of over 50% in relation to a reference manifold and similarly minimises the necessary support structures. A further weight reduction was achieved by reinforcing FRP structures on the basic hydraulic elements as well as on a hybrid lightweight manifold.