Traditional methods for increasing the energy absorption of a structure involve using a stronger material or increasing the volume of the structure, resulting in a higher cost or additional weight. Additive manufacturing (AM) can be used to maximize the energy absorption of materials with the ability to create complex geometries such as cellular structures. Previous work has shown that the energy absorption of additively manufactured parts can be improved through functionally graded cellular structures; however, this strategy has not been applied to ultra-high strength steel materials. This work characterizes the effect of multiple functional-grading strategies (e.g. uniform, rod-graded, size-graded) on the energy absorption to weight ratio of laser powder bed fusion (L-PBF) produced M300 maraging steel lattice structures. Each structure is designed with the same average relative density to analyze the structures on an equal mass basis, to evaluate manufacturability, mechanical response, and compare experimental results with numerical simulation.

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Die neuen Fertigungsmöglichkeiten durch die Additive Fertigung ermöglicht es nicht nur topologisch neuartige Bauteile herzustellen, sondern auch Bauteile mit inneren Strukturen zu versehen, die der Bauteilbelastung angepasst sind oder anderen Funktionen Freiräume bieten. Ein Ansatz ist es durchlässige innere Strukturen, z. B. Gitterstrukturen (auch als Lattice Strukturen bezeichnet) einzusetzen und durch die damit geschaffenen großen inneren Flächen eine effiziente Bauteilkühlung zu realisieren. Anhand eines einfachen Beispiels wird durch Simulation und Experiment die Wirkung einer solchen Kühlung gezeigt. Als weiteres Anwendungsbeispiel wird der Einsatz verschiedener innere Strukturen zur festigkeitsgerechten Gestaltung gewichtsoptimierter Bauteile vorgestellt. In beiden Fällen wird die Gestaltung mit Hilfe von FE-Modellen experimentell begleitet. / The new manufacturing possibilities offered by additive manufacturing not only allows to produce topologically novel components, but also enables to provide components with internal structures that are adapted to the component load or offer new possibilities for other functions. One approach is to use permeable internal structures, e. g. lattice structures, to realize efficient component cooling through the large internal surfaces created thereby. The effect of such a cooling is demonstrated by simulations and experiments using a simple example. As a further application example, the use of various internal structures for the strength-oriented design of weight-optimized components will be presented. In both cases the design is experimentally accompanied by FE models.

The rise of additive manufacturing has enabled new degrees of freedom in terms of design and functionality. In this context, this contribution addresses the design and characterization of structural unit cells that are intended as building blocks of highly porous lattice structures with tailored properties. While typical lattice structures are often composed of gyroid or diamond lattices, this study presents stackable unit cells of different sizes created by a generative design approach tomeet boundary conditions such as printability and homogeneous stress distributions under a given mechanical load. Suitable laser powder bed fusion (LPBF) parameterswere determined forAlSi10Mg to ensure high resolution and process reproducibility for all considered unit cells. Stacks of unit cells were integrated into tensile and pressure test specimens for which the mechanical performance of the cells was evaluated. Experimentally measured material properties, applied process parameters, and mechanical test results were employed for calibration and validation of finite element (FE) simulations of both the LPBF process as well as the subsequent mechanical characterization. The obtained data therefore provides the basis to combine the different unit cells into tailored lattice structures and to numerically investigate the local variation of properties in the resulting structures. / Durch die Einführung der Additiven Fertigung können neue Freiheitsgrade in Bezug auf Gestaltungsfreiheit und Funktionalität erreicht werden. In diesem Zusammenhang adressiert dieser Beitrag das Design und die Charakterisierung struktureller Einheitszellen als Bausteine für hochgradig poröse Gitterstrukturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Während typische Gitterstrukturen oft auf Gyroid- oder Diamantstrukturen basieren, präsentiert dieser Beitrag stapelbare Einheitszellen unterschiedlicher Größe, die durch einen generativen Designansatz erstellt wurden. Hierdurch sollen verschiedene Randbedingungen wie eine gute Druckbarkeit und homogene Spannungsverteilung unter gegebenen mechanischen Lasten erreicht werden. Um eine hohe Auflösung und Reproduzierbarkeit der Einheitszellen zu erreichen, wurden für den verwendeten Werkstoff AlSi10Mg geeignete Druckparameter für das Laserstrahlschmelzen (LPBF) ermittelt. Stapel von Einheitszellen wurden in Zug- und Druckproben integriert, anhand derer die mechanische Stabilität der Zellen ermittelt wurde. Experimentell bestimmte Materialeigenschaften, die verwendeten Prozessparameter und die Ergebnisse der mechanischen Untersuchungen wurden anschließend für die Kalibrierung und Validierung Finiter Elemente (FE) Simulationen herangezogen, wobei simulationsseitig sowohl der Prozess des Laserstrahlschmelzens als auch die nachgelagerte mechanische Charakterisierung berücksichtigt wurden. Die hier präsentierten Ergebnisse sollen als Basis sowohl für eine gezielte Anordnung der Einheitszellen zu maßgeschneiderten Gitterstrukturen dienen als auch für die numerische Auswertung der lokal variierenden Eigenschaften der somit resultierenden Strukturen.