17th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting (ACEX) 2024 in Barcelona

Prof. Jens Holtmannspötter diskutierte in seinem Plenarvortrag verschiedene Herausforderungen und Erfahrungen mit der Zukunftstechnologie des 3D-Drucks aus der Perspektive eines Materialforschungsinstituts, das für eine große Regierungsorganisation arbeitet. Neben einigen Forschungsresultaten gab er auch praktische Beispiele für die Herausforderungen, die mit einer solchen disruptiven Technologie einhergehen.

Dr. Marina Kühn-Kauffeldt präsentierte in ihrem Vortrag "Vacuum Magic: Leveraging 3D Printing for Advanced Metal-Polymer Structures" das neu entwickelte Vakuum-FFF-Verfahren und die Integration der Vakuumlichtbogenbeschichtungs-Technologie in die additive Fertigung sowie verschiedene Möglichkeiten, leitfähige oder keramische Beschichtungen in die Prozesskette der additiven Fertigung einzuführen. Die Leistungsfähigkeit dieses Hybridverfahrens wurde anhand der Anwendung für fortgeschrittene Polymer-Metall-Strukturen demonstriert.

Yvonne Breitmoser zeigte in einer Studie, dass die Thermogravimetrische Analyse gekoppelt mit der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (TG-FTIR) eine effektive Methode zur Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung von Thermoplastischen Polyurethanen (TPUs) ist. Die detaillierte Analyse der Abbauprodukte ermöglicht es, die harten und weichen Segmente erfolgreich zu trennen und spezifische chemische Strukturen innerhalb der TPUs zu identifizieren. Diese Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Materialeigenschaften bei und bieten Ansatzpunkte für weitere Forschungen zur genauen Modellierung und Vorhersage der Eigenschaften von TPUs auf der Grundlage ihrer chemischen Zusammensetzung.

Christian Felber hielt einen Vortrag zum Thema "Additive Manufacturing of In-Situ Composites under Reactive Atmospheres: The Role of Processing Parameters". Die Herstellung von titanlegierten Pulvermischungen auf Fe-Basis in reaktiver CO2-Atmosphäre wird zur Herstellung von In-Situ-Verbundwerkstoffen verwendet. Die Wechselwirkung zwischen dem Schmelzbad und der reaktiven Atmosphäre während der Herstellung führt bei der Erstarrung zur Bildung von Ti-Oxid-Nanopartikeln, die die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflussen. Darüber hinaus diskutierte er die Möglichkeit, die Partikelbildung durch Anpassung der Herstellungsparameter in PBF-LB zu steuern, sowie die von den Prozessparametern abhängigen Prozesse im Schmelzbad.

Isabel Beatriz Prestes berichtete über "Negative Thermal Expansion Behaviour of Metallic Metamaterials Produced via Multi-Material L-PBF". Metamaterialien mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) lassen sich durch die Kombination von zwei Materialien mit großem CTE-Unterschied, hier Invar und IN718, in einer bestimmten Gitterstruktur herstellen. Die Experimente zeigen, dass die Scanning-Strategie die Qualität der Schnittstelle zwischen den Materialien stark beeinflusst und ein negativer CTE von der Geometrie des Metamaterials abhängt.

Seit mehr als 70 Jahren werden Modelle der Hyperelastizität mit Cauchy-Green-Tensoren als Berechnungsgrundlage formuliert. Prof. Alexander Lion stellte eine andere Methode vor, bei der die Dehnungstensoren die Grundlage der freien Helmholtz-Energie sind. Da dieser Ansatz die berühmten von Treloar unter verschiedenen Belastungszuständen gemessenen Spannungs-Dehnungs-Daten beschreibt, transferierte Prof. Lion ihn auf die Viskoelastizität und zeigte seine thermodynamische Konsistenz.

Lea Strauß hielt einen Vortrag mit dem Thema "Advancements in Predicting Fatigue Behavior of Additively Manufactured AlSi10Mg". Das laserbasierte Pulverbettschmelzen (PBF-LB) ist ein präzises additives Fertigungsverfahren, bei dem mit Hilfe eines Lasers Pulverschichten verschmolzen werden, was zu Effekten wie Inhomogenitäten und Eigenspannungen führt, die das Ermüdungsverhalten beeinflussen. So präsentierte Frau Strauß eine verfeinerte Methode zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer von PBF-LB/M/AlSi10Mg-Bauteilen unter Verwendung einer statistischen Defektverteilung als Teil verschiedener Probengeometrien, verschiedener mittlerer Spannungszustände aufgrund einer Variation der Wärmebehandlungsbedingungen und Lastverhältnisse sowie des Risswachstumsverhaltens.

In seinem Vortrag mit dem Thema "Viscoelastic Properties of Thin-Walled Polyamide 6 Structures in the Fused Filament Fabrication Process”" untersuchte Julian Klingenbeck die viskoelastischen Eigenschaften von Polyamid 6 (für den Zweck dieser Studie) unter Verwendung einer speziellen Probengeometrie. Ziel war es dabei, die Auswirkungen der Zwischenschichtbindungen zu isolieren und zu identifizieren, während der Einfluss der Mesostruktur und der Kristallinität des Materials reduziert werden sollte.

Martin Moser behandelte in seinem Vortrag "Influence and handling of process interruptions in PBF-LB/M" die kritischen Auswirkungen einer Unterbrechung beim PBF-LB/M (pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen von Metallen) bezüglich der mechanischen Bauteileigenschaften. Zudem stellte er Strategien vor, um die Folgen zu minimieren. Es wurde gezeigt, dass mithilfe einer geeigneten Wiederanlaufprozedur sowie schneller und einfacher Nachbearbeitungsverfahren die Folgen auf die Bauteilqualität deutlich reduziert werden können.

Prof. Eric Jägle gab in seinem Vortrag mit dem Thema "Thermal and Chemical Spatial Structuring of Microstructures by Additive Manufacturing" einen Überblick über thermische und chemische Strukturierungsmethoden auf der Mikroskala. Durch Wärmebehandlungen in der schmelzbasierten Metall-AM können diese lokal statt global oder auf Oberflächen beschränkt durchgeführt werden, um Mikrostrukturen lokal zu modifizieren. Darüber hinaus kann die Ablagerung von Pulvermischungen und/oder Materialien mit räumlich variierenden Zusammensetzungen beispielsweise für das Rapid Legacy Prototyping oder die Synthese von Metamaterialien mit spezifischen Eigenschaften genutzt werden.

In seinem Vortrag "Topology Optimization of Additively Manufactured Adherends for increased Bond Strength" zeigte Michael Ascher, dass es möglich ist, die Haftfestigkeit einer adhäsiven Überlappungsverbindung (Single Lap Joint, SLJ) zwischen einem Rohr aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFRP) und einer laserbasierten Hülse aus einer pulverbeschichteten Aluminiumlegierung AlSi10Mg (PBF-LB/M/AlSi10Mg) zu erhöhen, die einer Zugbelastung ausgesetzt ist. Dabei wurde die Topologie der PBF-LB/M/AlSi10Mg-Hülse mit Hilfe der Finite-Elemente Methode (FEM) optimiert und die resultierende Verbundfestigkeit durch statische Zugversuche quantifiziert. Zum Abschluss seines Vortrags verglich er die Ergebnisse der optimierten Hülse mit der Haftfestigkeit entsprechender SLJs mit nicht optimierten PBF-LB/M/AlSi10Mg-Hülsen.

Julius Cronau berichtete über "Energy Absorption of Voronoi Lattice Structures - Design Parameters, Fabrication and Testing". Voronoi-Gitterstrukturen werden durch die zufällige Platzierung von Verstrebungen nach dem Voronoi-Algorithmus im 3D-Druckverfahren hergestellt und ermöglichen es uns, Parameter wie den Durchmesser der Verstrebung und Punktdichte auch durch lokale Abstufung für optimale mechanische Eigenschaften zu optimieren. Er zeigte, dass die Maximierung der spezifischen Energieabsorptionsfähigkeit einen unterschiedlichen Durchmesser der Verstrebung für eine bestimmte Dichte erfordert. Strukturen mit 25 % Dichte und 1,2 mm weisen die höchste spezifische Energieabsorption auf.

Dominik Hahne präsentierte in seinem Vortrag "Material Modelling of Selective Laser Sintered PA12" ein Materialmodell für SLS-Bauteile mit Fokus auf den Designansatz, die Aufbaustrategie von Proben für deviatorische und volumetrische Tests und Untersuchungen zu viskoelastischen und viskoplastischen Effekten. Außerdem zeigte er die Materialeigenschaften von PA12 unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Diese Ergebnisse können für die Optimierung des Designs und der Leistung von SLS-Bauteilen in verschiedenen Anwendungen genutzt werden.