Untersuchungen zur mechanischen Zuverlässigkeit sowie zum Schädigungsverhalten von additiv gefertigten TiAl6V4 Gitterstrukturen
Wiebke Radlof
Für eine sichere Anwendung additiv gefertigter Gitterstrukturen, z.B. in der Medizintechnik, ist das Verständnis über deren mechanisches Verhalten unerlässlich. Das Ziel dieser Arbeit lag daher in der experimentellen und numerischen Analyse des globalen Grenztrag- und Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Titangitterstrukturen unter Berücksichtigung lokaler Schädigungsvorgänge bei einer allgemeinen Belastung. Hierzu erfolgten Druck-, Biege- und Torsionsversuche unter quasi-statischer und zyklischer Beanspruchung, bei denen die mechansichen Eigenschaften in Abhängigkeit der untersuchten Gitterdesignvarianten ausgewertet wurden. Zusätzlich wurde das Johnson-Cook Schädigungsmodell angewandt, um das Verformungsverhalten der Gitterstrukturen numerisch abzubilden.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die strukturellen Eigenschaften der Gitterstrukturen, wie relative Dichte und Stegbreite, deren mechanische Eigenschaften beeinflussen. Auch das Schädigungsverhalten ist durch die Geometrie der Gitterstrukturen vorgegeben. Hierbei zeigte sich eine vorrangige Abhängigkeit von der Einheitszellenform und weniger von der relativen Dichte. Aus den experimentellen und numerischen Untersuchungen dieser Arbeit geht außerdem hervor, dass die fertigungsbedingten Abweichungen das mechanische Verhalten der Gitterstrukturen maßgeblich beeinflussen. Entsprechend wichtig ist eine detaillierte Abbildung der tatsächlichen Geometrie, um neben den mechanischen Eigenschaften auch das lokale Versagensverhalten in Übereinstimmung mit den Experimenten abzubilden.
Im Fazit ist festzuhalten, dass die experimentellen und numerischen Untersuchungen wichtige Erkenntnisse für das mechanische Verhalten und insbesondere der lokalen Schädigungsvorgänge von additiv gefertigten Gitterstrukturen unter Druck-, Biege- und Torsionsbelastung geben und damit die Grundlage für eine schadenstolerante Auslegung beispielsweise von porösen Implantaten darstellen.
