Additive Fertigung bietet einen großen konstruktiven Freiraum in der Bauteilherstellung. Insbesondere optimierte Leichtbaustrukturen lassen sich teilweise nur additiv herstellen. Ein Beispiel dafür sind periodische Gitterstrukturen. Diese können etwa als Füllung für massive Bauteile genutzt werden und erlauben steife und leichte Bauteile ohne die Gefahr von Instabilitäten wie Ausbeulen. Auch als Crashelemente ist der Einsatz möglich. Abhängig von der gewählten Einheitszelle lassen sich unterschiedlichste mechanische Eigenschaften erzielen. Die Materialcharakterisierung von Gitterstrukturen ist herausfordernd. Wegen der Geometrie ist eine taktile Verformungsmessung im Gitter kaum möglich. Das Ermüdungsverhalten von Gitterstrukturen ist bisher noch nicht umfangreich erforscht.

Für die vorgestellten Untersuchungen führten wir kraftgeregelte axiale Ermüdungsversuche an strebenbasierten Gitterstrukturproben unter rein wechselnder Belastung durch. Die Einheitszelle war kubisch-raumzentriert. Die Proben wurden mittels PBF-LB/M aus AlSi10Mg hergestellt und sowohl mit dem Gefüge nach der Herstellung als auch nach einer Wärmebehandlung ähnlich dem T7-Zustand geprüft. Der Strebendurchmesser wurde vor dem Hintergrund der Leichtbauanwendung möglichst dünn gewählt und betrug 0,375 mm bei einer Einheitszellengröße von 3 mm. Zur Ermittlung des Verformungsverhaltens wurde ein zweidimensionales Digital-Image-Correlation (DIC)-System genutzt. DIC-Programme nutzen zur Dehnungsbestimmung üblicherweise die Relativverschiebung einzelner benachbarter Ausschnitte (subsets) zwischen Bildern des Objekts im undeformierten Referenzzustand und im deformierten Zustand während des Versuchs. Dieser Methode sind bei Gitterstrukturen prinzipbedingt Grenzen gesetzt, weil in den Bildausschnitten auch Hintergrund durch die Lücken im Gitter zu sehen ist. Der Hintergrund verformt sich im Gegensatz zur Probe unter Last jedoch nicht mit. Wir nutzen deshalb das unübliche Vorgehen die Dehnung aus der Verzerrung eines einzelnen größeren Bildausschnitts zu bestimmen. Auf diese Weise kann mit einem einfarbigen Hintergrund die Dehnung einzelner Elementarzellen an der Oberfläche der Gitterproben ermittelt werden. Der entsprechende Berechnungsalgorithmus wurde selbst implementiert.

Mit diesem Aufbau waren wir in der Lage, die über eine Gitterzelle homogenisierte Längs- und Querdehnung der Gitterproben während der Ermüdungsversuche zu ermitteln. Damit konnte das Konstruktionsprinzip der Proben nachgewiesen werden, dass die Dehnung in der Probenmitte größer als an den Einspannungen ist. Ebenso konnte der Verlauf der Dehnungsamplitude und zyklische Relaxation aufgenommen werden.

[1] Hofmann M., Greiner M., Klein M., Oechsner M., Mittelstedt C. (2025) Shape function‑Based Strain Determination in DIC for Solids and Lattice Structures. Experimental Mechanics, https://doi.org/10.1007/s11340-025-01155-4.