Lattice structures as interface design of additively manufactured composite components
Additive manufacturing offer new freedoms in product design when compared to conventional manufacturing processes. Especially the combination of multiple materials in a single component without additional process steps makes additive manufacturing in general and additive material extrusion in particular especially suited for integration of functions and development of novel component designs. Nevertheless, combination of multiple materials necessarily is accompanied by reduced adhesion, impeding high strength designs. The size of the manufacturing machine as well as the orientation of the component in the build volume additionally restrict the design of additively manufactured components. In order to manufacture parts that exceed the size of the manufacturing machine or in order to combine conventional manufacturing processes and additive manufacturing, bonding processes become necessary. Depending on materials and adhesive, these compounds can show a similar problem of diminished adhesion. By utilizing the geometric freedom of additive manufacturing and producing interlocking structures, this problem can largely be alleviated however. This thesis demonstrates the feasibility of using lattice structures manufactured by material extrusion as interlocking bonds in multi-material and conventional bonding applications. Owing to the three dimensional interlock of such structures transmission of force occurs mainly through the positive fit and diminished adhesion becomes largely irrelevant. While curing of adhesive inside the pores of a lattice can produce interlock in almost all circumstances, producing additive multi-material interlocks requires a joint processability of the two materials. For this reason, different influences on multi-material material extrusion are highlighted and means of facilitating processing of incompatible materials are demonstrated. Different influences on the strength of interlocking lattice structures are identified by systematically demonstrating design freedoms of lattice structures and subsequent implementation in a computer-aided design environment. In order to separate these influences novel test specimens are developed for different load cases and a systematic investigation is conducted. The achieved results are formalized in the form of design guidelines in order to increase accessibility to future product developers. Finally, these guidelines are applied to a prototypical component in order to demonstrate their effectiveness.
Additive Fertigung eröffnet im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren neue Freiheiten in der Produktgestaltung. Besonders durch die Kombination mehrerer Materialien in einem Bauteil und Prozessschritt eignet sich additive Fertigung im Allgemeinen und additive Materialextrusion im Speziellen zur Integration von Funktionen und Entwicklung neuer Bauteildesigns. Die Kombination verschiedener Materialien geht allerdings auch mit dem Problem verminderter Adhäsion einher, die das Design fester Verbindungen erschwert. Zusätzlich ist das Design von additiv gefertigten Bauteilen aber auch durch die Größe der Fertigungsanlage und die Bauteilorientierung im Bauraum eingeschränkt. Um Bauteile zu fertigen, welche die maximale Fertigungsgröße der Anlage übersteigen, oder um additive Fertigung mit konventionellen Fertigungsverfahren zu kombinieren werden oft Fügeverfahren notwendig, die je nach Material und Klebstoff ein ähnliches Problem verminderter Adhäsion zeigen können. Durch Ausnutzen der Formfreiheit von additiver Fertigung lässt sich das Problem verminderter Adhäsion allerdings mittels Herstellung formschlüssiger Verbindungen großteils ausgleichen. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit zur Nutzung mittels Materialextrusion hergestellter Gitterstrukturen als formschlüssige Verbindung in Multi-Material Anwendungen sowie in Klebungen aufgezeigt. Durch die dreidimensionale Verankerung solcher Strukturen erfolgt im Anwendungsfall die Kraftübertragung hauptsächlich über den Formschluss und verminderte Adhäsion wird überwiegend irrelevant. Während durch ein Aushärten des Klebstoffs in den Poren des Gitters in fast allen Fällen ein Formschluss erzeugt werden kann, ist für additive Multi-Material Fertigung eine gemeinsame Verarbeitbarkeit der beiden Materialien notwendig. Aus diesem Grund werden verschiedene Einflüsse auf Multi-Material Materialextrusion aufgezeigt und Maßnahmen dargelegt, die eine gemeinsame Verarbeitung schlecht kompatibler Materialien im gleichen Prozess erleichtern. Durch systematisches Aufzeigen der Designfreiheiten von Gitterstrukturen und anschließende Umsetzung in einer rechnerunterstützten Konstruierumgebung lassen sich verschiedene mögliche Einflüsse auf die Festigkeit von formschlüssigen Verbunden mittels Gitterstrukturen identifizieren. Um die Einflüsse zu trennen erfolgt die Entwicklung von Prüfkörpern für verschiedene Belastungsfälle und eine anschließende systematische Untersuchung. Die erzielten Ergebnisse werden in Form von Gestaltungsrichtlinien formalisiert, um sie zukünftigen Produktentwickler*innen zugänglich zu machen. Abschließend erfolgt eine Anwendung dieser Richtlinien auf ein prototypisches Bauteil, um ihre Wirksamkeit zu demonstrieren.
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