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Fortgeschrittene additive Fertigungstechnologien verschieben zunehmend die Grenze von der Prototypherstellung hin zur Serienfertigung sicherheitsrelevanter, metallischer Bauteile. Aufgrund ihrer Gestaltungsfreiheit werden additive Fertigungsverfahren für industrielle Anwendungen, z. B. in der Automobilindustrie, immer attraktiver. Die Festigkeitsanalyse für eine sicherheitsrelevante Bauteilgestaltung beschränkt sich nicht nur auf das Werkstoffverhalten, das den Einfluss von Prozessparametern auf anisotrope Gefüge, Gradienten der lokalen Eigenschaften und Imperfektionen umfasst, sondern schließt auch das Fügen von additiv gefertigten Materialien ein. Das Fügen, z. B. durch Schweißen, ist ein wesentlicher Schritt bei der Montage von Bauteilen, auch von additiv gefertigten Strukturen, beeinträchtigt jedoch den Werkstoffzustand und schränkt die Betriebsfestigkeit ein. Die Oberflächentopologie und das Gefüge sowie vorhandene Imperfektionen werden durch den zusätzlichen Wärmeeintrag des Schweißprozesses beeinflusst.
Für die Demonstration eines vorrichtungslosen Fertigungsablaufs wurden additiv gefertigte Knotenelemente aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg durch selektives Laserschmelzen (engl. Powder Bed Fusion - Laser Beam / metallic, PBF-LB/M) hergestellt und durch Laserstrahlschweißen mit konventionellen Aluminiumprofilen am Beispiel eines Batterieträgers für die Elektromobilität gefügt. Dazu wurden die Knotenelemente zunächst konstruiert und einer Strukturoptimierung unterworfen. In der sich anschließenden additiven Fertigung zeigte der eingesetzte AlSi10Mg Werkstoff bereits Unterschiede im Gefüge zwischen der Kontur und dem Kernmaterial, die auf unterschiedliche Prozessparameter zurückzuführen sind. Darüber hinaus zeigen metallographische Schliffe Anhäufungen von größeren Porenansammlungen im Übergang vom Kontur- zum Kernbereich. Der Einfluss dieser Eigenschaften in Schweißverbindungen aus additiv gefertigten und konventionell gefertigten Werkstoffen wurde im Rahmen dieser Untersuchung eingehend analysiert. Die Schwingfestigkeit wurde zunächst für unterschiedliche Lastfälle durch experimentelle Untersuchungen an Proben mit Stumpf- und Überlappverbindungen ermittelt und anschließend auf den additiv gefertigten Batterieträger übertragen. Die Integration der optimierten Fügetechnik erfolgt dabei im Rahmen eines vorrichtungslosen Fügens unter Abbildung in einer virtuellen Fabrik.
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