AluTrace: Virtuelles Design additiv gefertigter Aluminium-Leichtbaukomponenten durch die Vernetzung und Analyse rückverfolgbarer Daten in einem dezentralen Datenraum

Projektbeschreibung

Additive Fertigung (AM) bietet aufgrund großer Designfreiheiten ein enormes Leichtbaupotenzial und wird deshalb im Anlagen- und Maschinenbau, im Fahrzeugbau und in der Luft- und Raumfahrt in immer mehr Bereichen eingesetzt. Vom Rohmaterial bis zum fertigen Bauteil durchlaufen die Zwischenprodukte mehrere Wertschöpfungsstufen und dabei meist mehrere Unternehmen. Für eine maximale Ausschöpfung des Leichtbaupotenzials müssen Wissensverluste zwischen den einzelnen Wertschöpfungsstufen verhindert werden, um durchgängig eine möglichst genaue Kenntnis des Werkstoffs, des Bauteils und des Fertigungsprozesses zu erhalten. So können Design und Produktion in wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht weiter optimiert werden.

Ziel des Forschungsprojekts AluTrace war es, die über Produktentwicklungs- und -herstellungszyklen entstehenden Daten- und Wissensinseln digital zu verknüpfen. Das Konsortium untersuchte am Beispiel additiv gefertigter AlSi10Mg-Probekörper, wie die durchgängige Nutzbarmachung von Daten und Wissen zum Werkstoff, dem Fertigungsprozess und zu den Bauteilanforderungen zur Optimierung von Aluminiumleichtbaustrukturen beitragen kann. Dazu wurden dezentral vorliegende Werkstoff- und Werkstoffprozessdaten gezielt um weitere AM-Prozess- und Werkstoffdaten aus der LPBF-Fertigung von AlSi10Mg-Probekörpern ergänzt (z.B. Emissivität des AM-Schmelzbades, Porosität der Bauteile oder metallografische Bruchflächenanalysen), semantisch durch Wissensgraphen beschrieben und mithilfe der Technologie der International Data Spaces (IDS) vernetzt.  

Hierfür wurde im Projekt eine automatisierte Konstruktionssoftware mit einem neuen Algorithmus für eine prozessspezifische Topologieoptimierung (PSTO) entwickelt. Sie nutzt verteilt vorliegende Daten, interpretiert diese Datenbasis selbstständig und unterstützt damit das Konstruktionsbüro unabhängig von dessen Fähigkeiten bei der Auslegung eines Leichtbauteils. Die Auswahl des bestgeeigneten Laser-Powder-Bed-Fusion(LPBF)-Fertigungssystems, der Bauteilorientierung im Bauraum und der passenden Bauteilnachbehandlung erfolgt ebenso automatisiert wie die Optimierung der Bauteilfunktion, des Einsatzes von Stützstrukturen und der Oberflächenqualität. Darüber hinaus wurden für die unternehmensübergreifende Daten­vernetzung eine vertrauenswürdige und sichere IT-Infrastruktur sowie rückverfolgbare und interoperable Datenstrukturen nutzbar gemacht.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

AP1: Dezentrales Datenmanagement

• Konzeption und Implementierung eines dezentralen Datenraums
• Bereitstellung von Expertenwissen in Form semantisch strukturierter Werkstoff-, Bauteil- und Prozessdaten mittels existierender und im Projekt gezielt ergänzter Datensätze
• Entwicklung von Abfragealgorithmen für dezentral verwaltete Datenräume
• Kombinierte Abfrage und Auswertung des dezentral bereitgestellten Expertenwissens

AP4: Charakterisierung von Probekörpern

• Mechanische Charakterisierung der Probekörper durch Zugversuche und Wärmebehandlungsversuche
• Charakterisierung prozessabhängiger Gefüge- und Defektmerkmale durch metallographische Untersuchungen, CT-Analysen und fraktographische Untersuchungen

AP5: Leichtbaudemonstrator

• Entwicklung virtueller Demonstratoren für die Stakeholder- und Datensuche im Datenraum, für die unternehmensübergreifende Datenvernetzung und -analyse (MAT) und für die prozessspezifische Topologieoptimierung
• Demonstration des Mehrwerts: Abfrage und Vernetzung rückverfolgbarer Daten aus dem Datenraum, additive Fertigung und Untersuchung von Leichtbauteilen (1.und 2. Gen)