Title: Capabilities of the application of additive manufacturing in the validation of functional parts of the automotive instrument panel and centre console
Other Titles: Anwendungsmöglichkeiten von Additiver Fertigung in der Absicherung von Bauteilen des Fahrzeugcockpits
Language: English
Authors: Swetly, Theresa Eva-Maria 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Stampfl, Jürgen 
Issue Date: 2016
Number of Pages: 156
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Additive Manufacturing (AM) has become an important tool in the development process of several industrial fields as it allows the possibility to produce parts of good quality within a short period of time, allowing geometrical validations and the visualization of ideas. In the validation of the automotive interior, the interior-s functional parts are submitted to various tests in order to ensure the high quality of the parts. For automotive applications the functional validation by hardware tests can only be started very late in the development process since tools for injection moulding needed for series production are available only very late in the automotive process. This is why it would be beneficial to be able to submit AM parts to these validation hardware tests and to make a prognosis on the behaviour of the series parts based on the behaviour of AM parts. Basic requirement for this is the similarity of the properties of the AM parts to the series parts. As there are also other mould-based rapid manufacturing (MBRM) technologies allowing the production of prototypes of high quality within a short period of time and in an economic manner on a small scale series, this thesis also considers rapid manufacturing technologies which are based on simple moulds, e.g. vacuum moulding and reaction injection moulding. First of all, a material comparison of series injection moulding materials versus AM/ MBRM materials was performed. This comparison showed that there are AM/ MBRM materials which match series materials very well regarding certrain material properties. For example, there are several AM/ MBRM materials which have a similar Young-s modulus and tensile strength at low and room temperature. But there are also material properties where AM/ MBRM materials cannot represent series materials, such as impact strength and high temperature behaviour. Based on those results, the idea arose to tune material properties by voxel-based 3Dprinting. As the Polyjet process is able to process two materials of different stiffness with high resolution, it was investigated if material properties can be tailored by arranging voxels of two materials of different stiffness according to a certain architecture on a microscale level. Arranging voxels of a stiff and hard material (VeroWhite Plus in this instance) and voxels of a soft, elastomer-like material (TangoBlack Plus) according to a chess pattern the Charpy impact strength could be raised. The impact strength of such bi-material voxel compound specimens (80 kJ/m2 - 90 kJ/m2) was 8-fold the impact strength of mono-materials specimens made of VeroWhite Plus (10.9 kJ/m2) and 18-fold of mono-material specimens made of TangoBlack Plus (5.3 kJ/m2). A critical voxel edge length was calculated (445-m) and confirmed by experimental data above which the impact strength decreases with increasing voxel edge length. However, this increase in impact strength is accompanied by a decrease in glass transition temperature. As a further step in this research, the two materials were arranged according to a brickmortar structure as previous researches on tuning material properties recommend. Hence bricks of the hard and stiff VeroWhite Plus were embedded in a soft, deformable mortarstructure made of TangoBlack Plus in order to influence crack deflection beneficially. In this research several sets of parameters defining the brick-mortar architecture were investigated. Results have shown that the increase of impact strength decisively depends on the ability of the architecture to deflect the path of crack. Suitable sets of parameters led to specimens of high impact strength: Using a 46:54-distribution of material A and B an impact strength of 82 kJ/m2 was measured. In order to investigate whether the stiffness of series interior parts can be predicted based on the stiffness of AM/ MBRM parts, a stiffness comparison was performed. On condition of the same geometries of AM/ MBRM parts and series parts it could be proven that a prognosis of stiffness of series parts based on the stiffness of AM/ MBRM parts is possible if the AM/ MBRM materials have a series material-s similar Young-s modulus. Starting with a simple assembly, the storage compartment on driver-s side, a prognosis of stiffness could be made and confirmed even for complex assemblies. For a decorative part incorporated in a series instrument panel the stiffness can be predicted with a reliability of 92% to 99% if an appropriate AM/ MBRM material is chosen. As highly dynamic loads play an important role in the automotive validation in order to ensure optimal protection of the occupant in case of a crash scenario in this thesis the behaviour of AM/ MBRM parts in case of highly dynamic loads was investigated as well. In the validation of the automotive interior the pendulum impact test plays an important role as it simulates the striking of the occupant-s head on interior parts in case of a crash scenario. The results of pendulum impact tests performed for this research show that there are AM/ MBRM materials which do not split in case of high impacts. Furthermore, this research has proven that the important a3ms-value of series decorative parts can be predicted by testing an appropriate AM/ MBRM decorative part with a reliability of up to 97%.

In den vergangenen Jahren hat sich die Generative Fertigung (AM) in verschiedensten Industriezweigen zur Erleichterung von Entwicklungsprozessen etabliert. Schließlich ermöglicht AM die Bereitstellung von Bauteilen hoher Qualität innerhalb kürzester Zeit. Damit ist es möglich, geometrische Absicherungen frühzeitig im Entwicklungsprozess zu ermöglichen und Ideen zu visualisieren. In der Absicherung des Fahrzeuginnenraums werden Bauteile diversen Versuchen unterworfen, um die hohe Qualität der Bauteile sicherzustellen. In der Fahrzeugentwicklung können diese funktionalen Absicherungsversuche erst relativ spät im Entwicklungsprozess begonnen werden, wenn die für die Erstellung von Serienbauteilen nötigen Spritzgusswerkzeuge verfügbar sind. Daher wäre es von Vorteil, wenn es möglich wäre, AM-Bauteile diesen Bauteiltests bereits in einer frühen Entwicklungsphase zu unterziehen, um auf Basis von deren Verhalten auf das Verhalten der Serienbauteile schließen zu können. Voraussetzung hierfür sind natürlich ähnliche Eigenschaften von AM- und Serienbauteilen. Da es auf dem Markt auch formgebundene Rapid Manufacturing Technologien (MBRM) gibt, mit denen es möglich ist, qualitativ hochwertige Prototypen binnen kurzer Zeit auf ökonomische Art und Weise herzustellen, werden in dieser Arbeit auch solche Rapid Manufacturing Technologien betrachtet, die auf einfachen Gussformen basieren, wie z.B. Vakuumguss und Reaction Injection Moulding. Zunächst wurde ein Materialvergleich von Serienmaterialien und AM-/ MBRM-Materialien durchgeführt. Dieser Vergleich zeigte, dass es AM-/ MBRM-Materialien gibt, die Serienmaterialien hinsichtlich bestimmter Eigenschaften sehr gut abbilden. Beispielsweise gibt es diverse AM-/ MBRM-Materialien, die den Serienmaterialien ähnliche Elastizitätsmoduln und Zugfestigkeiten bei Nieder- und Raumtemperatur aufweisen. Konträr hierzu, gibt es aber auch Materialeigenschaften, in denen AM-/ MBRM-Materialien die Serienmaterialien kaum widerspiegeln, z.B. Schlagzähigkeit und Hochtemperaturverhalten. Auf diesen Erkenntnissen basierend entstand die Idee, Materialeigenschaften durch voxel-basiertes 3D-Drucken einzustellen. Da der Polyjet-Prozess imstande ist zwei Materialien unterschiedlicher Steifigkeiten mit hoher Auflösung zu verarbeiten, wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, inwieweit Materialeigenschaften maßgeschneidert werden können, indem Voxel zweier Materialien unterschiedlicher Steifigkeit gemäß einer bestimmten Mikroarchitektur angeordnet werden. Durch die Anordnung von Voxeln eines steifen, harten Materials (in diesem Falle VeroWhite Plus) und Voxeln eines weichen, elastomerartigen Materials (TangoBlack Plus) gemäß eines Schachbrettmusters konnte die Charpy-Schlagzähigkeit gesteigert werden. Die Schlagzähigkeit solcher Bimaterial-Voxelverbund-Proben (80 kJ/m2 - 90 kJ/m2) lag um das 8-Fache höher als die von Proben aus nur einem Material, bestehend aus reinem VeroWhite Plus (10,9 kJ/m2). Im Vergleich zu Proben aus reinem TangoBlack Plus (5,3 kJ/m2) konnte die Schlagzähigkeit sogar um den Faktor 18 gesteigert werden. Es konnte eine kritische Voxelkantenlänge (445-m) analytisch berechnet und durch experimentelle Ergebnisse bestätigt werden, oberhalb der eine Erhöhung der Voxelkantenlänge zu einer Reduzierung der Schlagzähigkeit führt. Bedauerlicherweise geht der Anstieg der Schlagzähigkeit mit einem Sinken der Glasübergangstemperatur einher. Als weiterer Schritt in dieser Forschungsarbeit wurden die Materialien gemäß einer Ziegelstein-Mörtel-Mauer-Struktur angeordnet, wie es vorangegangene wissenschaftliche Arbeiten empfehlen, in denen die Verbesserung von Materialeigenschaften durch die Kombination zweier Materialien unterschiedlicher Steifigkeit untersucht wurde. Daher wurden Ziegelsteine aus dem harten, steifen VeroWhite Plus in einer weichen, deformierbaren Mörtelstruktur aus TangoBlack Plus eingebettet, um die Rissablenkung positiv zu beeinflussen. In dieser Forschungsarbeit wurden mehrere Parametersätze untersucht, die die Gestalt der Ziegelstein-Mörtelstruktur im Detail definieren. Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass der Anstieg der Schlagzähigkeit maßgeblich von der Fähigkeit des Verbundwerkstoffs abhängt, den Riss umzulenken. Geeignete Parametersätze führten zu Proben mit hoher Schlagzähigkeit: Beispielsweise wurden im Falle eines Volumenverhältnisses von Material A zu Material B von 46:54 eine Schlagzähigkeit von 82 kJ/m2 gemessen. Um zu untersuchen, ob es möglich ist, die Steifigkeit von Bauteilen des Fahrzeuginnenraums auf Basis der Steifigkeit von AM-/ MBRM-Bauteilen zu prognostizieren, wurden Steifigkeitsmessungen durchgeführt. Unter der Bedingung gleicher Geometrien von AM-/ MBRM-Bauteilen und Serienbauteilen konnte nachgewiesen werden, dass eine Prognose der Steifigkeit von Serienbauteilen auf Basis der Steifigkeit von AM-/ MBRM-Bauteilen möglich ist, wenn der Elastizitätsmodul der AM-/ MBRM-Materialien dem der Serienmaterialien ähnlich ist. Beginnend mit einem einfachen Zusammenbau, dem Klappfach auf der Fahrerseite, konnte eine Prognose der Steifigkeit von Serienbauteilen auf Basis von AM-/ MBRM-Bauteilen getroffen werden und anhand eines komplexen Zusammenbaus bestätigt werden. Die Steifigkeit von Dekorblenden, die in einer Serien-Instrumententafel eingebaut waren, konnte mit einer Zuverlässlickeit von 92% bis 99% vorhergesagt werden, wenn ein geeignetes AM-/ MBRM-Material ausgewählt wurde. Da hochdynamische Belastungen in der Absicherung von Automobilen eine wichtige Rolle spielen, um im Falle eines Crashszenarios optimalen Insassenschutz zu gewährleisten, wurde in dieser Doktorarbeit auch das Verhalten von AM-/ MBRM-Bauteilen im Falle hochdynamischer Belastungen untersucht. In der Absicherung des Fahrzeuginnenraums spielt der Pendelschlagversuch eine wichtige Rolle, da er den Kopfaufprall eines Insassen im Falle eines Crashs simuliert. Die Ergebnisse der Pendelschlagversuche, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt wurden, belegen, dass es AM-/ MBRM-Materialien gibt, die bei hochdynamischen Belastungen nicht brechen oder gar splittern. Des Weiteren konnte diese Forschungsarbeit belegen, dass der bedeutende a3ms-Wert von Seriendekorblenden auf Basis von Versuchen an einer geeigneten AM-/ MBRM-Dekorblende mit einer Prognosesicherheit von bis zu 97% vorhergesagt werden kann.
Keywords: Additive Fertigung; thermomechanische Eigenschaften; Polymere
Additive Manufacturing; Thermomechanical properties; polymers
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2016.26221
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16810
DOI: 10.34726/hss.2016.26221
Library ID: AC13040915
Organisation: E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:

Show full item record

Page view(s)

18
checked on Jun 16, 2021

Download(s)

27
checked on Jun 16, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.