Cellular Design for Laser Freeform Fabrication
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Beschreibung
Zelluläre Werkstoffe existieren in der gesamten bekannten Welt. Es lassen sich sowohl in der
Natur als auch in der Technik verschiedenste zelluläre Werkstoffe finden, wie z.B. Knochen
und Holz oder Wabenkernstrukturen und Aluminiumschäume, um nur einige zu nennen.
Zelluläre Werkstoffe weisen einige einzigartige Eigenschaften auf, die neue und innovative
Anwendungen jenseits der Möglichkeiten massiver technischer Werkstoffe gestatten.
Insbesondere ihre geringe Dichte und ihr damit im Zusammenhang stehendes hervorragendes
Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist von größter Bedeutung in den meisten
Anwendungen. Die Funktionen von zellulären Werkstoffen können beispielsweise
Leichtbaustrukturen hoher Festigkeit sein oder Dämpfung und Absorption mechanischer
Energie, Schwingungsdämpfung, Schallabsorption, Wärmeaustausch oder Filterung neben
vielen anderen Aufgaben. Allgemein bietet die kombinierte Anwendung derartiger Aufgaben
in einem Bauteil eine optimierte und damit innovative Gesamtleistung.
Eine noch junge Entwicklung auf dem Gebiet der Fertigungstechnik ist die
Lasergeneriertechnologie, mittels derer Bauteile durch das Auftragen dünner Schichten eines
Pulvers oder seltener einer Flüssigkeit hergestellt werden. Durch einen Laserstrahl wird
Werkstoff entlang von Konturlinien und Schraffurflächen aufgeschmolzen und verfestigt sich
entsprechend von Schichtflächen eines zugehörigen 3D-CAD Modells. Als ein solches
Verfahren wurde die Selective Laser Melting (SLM) Technologie im Rahmen dieser Arbeit
weiter entwickelt, um die Herstellung von periodischen, offen-zellulären Gitterstrukturen aus
technischen Werkstoffen, wie z.B. Edelstahl, Titan, etc. zu ermöglichen. Im Gegensatz zu
anderen zellulären Werkstoffen können diese Gitterstrukturen genau definierte und dabei
nahezu beliebige Formen annehmen. Aufgrund der schichtweisen Fertigung ist der SLM
Prozess auch in der Lage, innere Gitterstrukturen mit massiver Umhüllung herzustellen,
wodurch neue geometrische Freiheitsgrade in der Konstruktion ermöglicht werden, die zuvor
mit konventioneller Bearbeitung undenkbar waren. Auf diese Weise können interessante neue
Anwendungen erschlossen werden, wie z.B. medizinische Implantate, die die Verbesserung
der Osseointegration und die Umsetzung physioelastischer Eigenschaften für eine optimierte
Verbindung zwischen Implantat und umgebenden Gewebe zum Ziel hat. Die mit dem SLM
Prozess herstellbaren Gitterstrukturen können diese Anforderungen erfüllen.
Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis der mechanischen Eigenschaften der
neuen Werkstoffklasse der SLM Gitterstrukturen. Ihre zukünftige Verwendung durch
Konstrukteure erfordert eine grundlegende Kenntnis ihrer Versagensmechanismen und
Betriebsgrenzen. Daher wird zunächst der Stand der Technik von zellulären Werkstoffen
umfassend analysiert, gefolgt von einer dedizierten Analyse der Lasergeneriertechnologie mit
einer eingehenden Validierung der Möglichkeiten des Selective Laser Melting. Leser mit
vertieften Kenntnissen über zelluläre Werkstoffe oder der Lasergeneriertechnologie können
Kapitel 2 bzw. 3 überspringen. Danach erfolgt die Darstellung aller prozessseitigen
Randbedingungen zur Herstellung von SLM Gitterstrukturen. Für die Ableitung von
Skalierungsgesetzen und zur Optimierung von SLM Gitterstrukturen für gegebene
Einsatzzwecke wird daraufhin ein zweigleisiger Ansatz verfolgt. Erst werden durch eine
theoretische Analyse Festigkeitshypothesen für zelluläre Werkstoffe untersucht, bevor eine
verallgemeinerte Theorie für anisotrope SLM Gitterstrukturen entwickelt wird. Verschiedene
kubische, polyedrische und rhombische Zelltypen werden hinsichtlich ihrer Herstellbarkeit
bewertet. Einige dieser Zelltypen werden ausgewählt und darauf einer numerischen Analyse
unterzogen, in der ihre mechanischen Eigenschaften auf der Basis der dreidimensionalen
Tragwerktheorie erforscht werden. Danach folgt die Darstellung einer ausgedehnten
experimentellen Untersuchung von Probekörpern. Diese beinhaltet sowohl die Untersuchung
der Eigenschaften von SLM Festkörpern, die Herstellbarkeit von SLM Gitterstrukturen im
Hinblick auf Größenverhältnisse als auch ihre mechanische Prüfung hinsichtlich Festigkeit
und elastischer Eigenschaften unter Druck-, Zug- und Scherbelastung. Die mechanische
Prüfung ist in drei Stufen aufgeteilt. Die erste Stufe umfasst die Untersuchung der
spezifischen Festigkeit in Abhängigkeit des Zelltyps mit dem Ziel, wenige optimale Zelltypen
für verschiedene Anwendungen zu finden. In der zweiten und dritten Stufe werden diese
Zelltypen hinsichtlich ihrer Elastizität und Festigkeit in Abhängigkeit von der Zellgröße
untersucht. Letztlich schließt die vorliegende Arbeit mit Skalierungsgesetzen, die im Einklang
mit den gefundenen theoretischen und experimentellen Ergebnissen aufgestellt werden. Im
Gegensatz zu einfachen Potenzgesetzen, wie sie für zelluläre Werkstoffe verwendet werden,
ziehen diese neu entwickelten Skalierungsgesetze Unstetigkeiten von Eigenschaften in
Betracht, welche bei höheren, sog. kritischen relativen Dichten auftreten können, die durch
die großen Gestaltungsfreiheitsgrade von SLM möglich sind. Bei der kritischen relativen
Dichte gehen SLM Gitterstrukturen von einer Tragwerkstruktur über zu einem Festkörper mit
Poren.
Für zukünftige Anwendungen können diese Skalierungsgesetze von Konstrukteuren
herangezogen werden, um spezielle Anforderungen erfüllen zu können, die sich nur durch die
gestalterischen Freiheitsgrade der Lasergeneriertechnologie ermöglichen lassen. Der
Vollständigkeit halber sind abschließend in dieser Arbeit einige Beispiele aus dem Gebiet der
medizinischen Implantologie gegeben, in denen diese Skalierungsgesetze zur Anwendung
gelangen.
Description
Cellular materials are spread all across the world. They can be found in nature, e.g. in bone
and wood, as well as in engineering applications such as honeycomb sheets and aluminum
foams to name but a few. Cellular materials have some unique properties which allow new
and innovative applications beyond the scope of solid engineering materials. Especially their
low density and therefore their outstanding stiffness-to-weight-ratio is of greatest importance
in most applications. Functions of cellular materials could be lightweight structures of high
stiffness, damping and absorption of mechanical energy, vibration control, acoustic
absorption, heat exchange, filtering and numerous other tasks. Generally, a combination of
these tasks in one part exhibits an optimized and therefore innovative overall performance.
One recent development in production technologies is the field of Laser Freeform Fabrication
(LFF) processes where parts are manufactured by application of thin layers of powder or
sometimes liquid material. A laser beam melts and solidifies the material along contour lines
and hatch areas according to slices of a corresponding 3D-CAD model. Among these
processes the Selective Laser Melting (SLM) technology was advanced based upon the work
in this thesis to allow the manufacture of periodic, open-cell lattice structures from
engineering materials such as stainless steel, titanium, etc. In contrast to other cellular
materials these lattice structures can be of well-defined, nearly arbitrary shape. Due to the
layerwise fabrication the SLM process is also capable of creating lattice cores surrounded by
solid shells allowing new degrees of geometric freedom in engineering design that was never
experienced before in conventional machining. This allows the development of interesting
new applications such as medical implants where the main issues are the improvement of
osseointegration and realization of physioelastic material properties for an optimized bond
between the implant and surrounding tissue. Lattice structures obtained from the SLM process
can meet these requirements.
This thesis contributes to the understanding of the mechanical properties of the new material
class of SLM lattice structures. Their future incorporation in engineering designs requires a
profound knowledge of failure mechanisms and operational limits. Therefore, a
comprehensive summary is given on the state-of-the-art of cellular materials followed by a
dedicated analysis on Laser Freeform Fabrication and an in-depth validation of the Selective
Laser Melting capabilities. Readers with advanced knowledge on cellular materials or Laser
Freeform Fabrication may skip sections 2 or 3, respectively. Next, all process constraints and
boundary conditions for the manufacture of SLM lattice structures are elaborated. Then a
bilateral approach was chosen to derive scaling laws and optimize the SLM lattice structures
for given tasks. Firstly, a theoretical analysis comprises the examination of structural
hypotheses for isotropic cellular materials before a generalized theory is developed for
anisotropic SLM lattice structures. Different cubic, polyhedral and rhombic cell types are
evaluated towards their producibility. Some of these cell types are preselected and are subject
to numerical analysis where their mechanical properties are derived on the basis of the space
framework theory. Secondly, an extensive experimental evaluation of test specimens is given.
This includes examinations of the properties of SLM solids, the producibility of SLM lattice
structures in terms of dimensions and testing of their mechanical properties such as strength
and elasticity in compression, tension and shear load. The test procedures are divided in three
stages. The first stage comprises the examination of the specific strength in dependence of the
cell type to narrow down few optimum cell types for different applications. In the second and
third stage these cell types are investigated towards their elasticity and strength in dependence
of the cell size. Finally, this thesis concludes with scaling laws provided in accordance with
the theoretical and experimental results. Opposed to simple power laws used for cellular
materials these newly developed scaling laws consider leaps in properties at higher, so-called
critical relative densities which can be obtained from SLM due to its high degree of design
freedom. At the critical relative density SLM lattice structures cease being frameworks and
become rather solids with pores.
For future applications these scaling laws can be applied by design engineers to match
particular requirements that can only be fulfilled by Laser Freeform Fabrication and its
degrees of freedom in design. For the sake of completeness some sample applications in the
field of medical implants are given in this thesis, which involve these scaling laws.
Autor*in
Olaf Rehme
Themen in »Cellular Design for Laser Freeform Fabrication«
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