LASTWERK v1.0 — Executive Paper

Experimentelle Fassung. Nicht an realen Messwerten erprobt, von keiner Prüfstelle begutachtet; die hinterlegten Werkstoffkennwerte sind Literaturstartwerte ohne eigene Prüfung. Nutzung auf eigene Verantwortung, ohne Gewähr für die Richtigkeit der Ergebnisse.

Modul: LASTWERK (Bauteil- und Fertigungsanalyse) Übergeordnet: MATERIALWERK / Schicht-Werk Stand: 2026-09-02 · Version 1.0 Kontakt: office@schicht-werk.eu · www.schicht-werk.eu

1. Zweck

LASTWERK schließt die Lücke zwischen Slicer-Parametern und Bauteilnachweis. Slicer optimieren Zeit und Materialverbrauch, Festigkeitsrechner nehmen isotrope Werkstoffe an. Additiv gefertigte Kunststoffteile sind weder das eine noch das andere: ihre Tragfähigkeit entsteht erst im Prozess, aus Düsendurchmesser, Schichthöhe, Nahtüberlappung, Temperatur und Orientierung im Bauraum.

Das Modul rechnet diese Kette in einer Richtung durch — Prozess bestimmt Kennwert, Kennwert bestimmt Nachweis — und gibt aus, welche Stellgröße zuerst zu ändern ist.

2. Modell

2.1 Prozessgüte und Schichtverbund

Verhältniszahl r = Schichthöhe / Düsendurchmesser. Das Optimum liegt bei r ≈ 0,5; die Abweichung geht linear in eine Abminderung ein, begrenzt auf 0,55 bis 1,00:

k_r = clamp(1 − 1,05 · |r − 0,5| ; 0,55 ; 1,00)

Nahtüberlappung aus der Extrusionsbreite (Faktor auf den Düsendurchmesser), Temperaturgüte aus der Lage der Düsentemperatur im Werkstofffenster. Der effektive Schichtverbund:

k_z = k_z,0 · k_r · k_T · k_ue        (FDM)
k_z = k_z,0 · (0,90 + 0,10 · Nachhaertung)   (SLA)

2.2 Orientierung

Last in Schichtebene   → 0,95
Last unter 45 Grad     → 0,45 + 0,55 · k_z
Last quer zur Schicht  → k_z

Dieser Faktor ist die größte Einzelstellschraube im Modell und in der Praxis: er skaliert die zulässige Spannung direkt.

2.3 Tragende Fläche

Wand- und Kernanteil werden getrennt geführt. Wandmaterial geht mit 0,95 ein (Nahtporosität), Infill nur mit dem musterabhängigen Wirkungsgrad seiner nominellen Dichte:

A_eff = 0,95 · A_Wand + A_Kern · φ · η_Muster

η liegt je nach Muster zwischen 0,28 (Linien) und 0,55 (Konzentrisch, nur Zug). Für Biegung wird analog das Flächenträgheitsmoment gewichtet, weil Wandmaterial ausserhalb der neutralen Faser überproportional trägt.

2.4 Nachweis

σ_zul = σ_XY · f_Orientierung · f_Kerbe · f_Temperatur · f_Feuchte
σ_D   = σ_zul · f_Dauer · k_N,        k_N = clamp(1 − 0,115 · log10(N/1000); 0,42; 1)
S     = σ_zul bzw. σ_D  /  σ_vorh

Bei Druckbelastung wird zusätzlich die Eulersche Knicklast gerechnet; ist die Knicksicherheit kleiner als die Festigkeitssicherheit, übersteuert sie das Gesamturteil.

2.5 Fertigungsseite

Grundfläche und Bauteilschlankheit aus der gewählten Orientierung, daraus Haftreserve (Haftscherspannung mal Grundfläche) und ein Verzugsindex, der die Werkstoffneigung mit Fläche und Schlankheit koppelt.

3. Transdisziplinäre Einordnung

Die Rechnung verbindet drei Betrachtungsebenen, die in der Praxis getrennt geführt werden: Werkstoffkunde (Kennwerte, Anisotropie, Alterung), Fertigungstechnik (Düse, Temperatur, Bahnbreite, Bettgüte) und Mechanik (Lastfall, Querschnitt, Ermüdung). Der Kern des Modells ist die Kopplung: eine Fertigungsentscheidung wird als Kennwertänderung sichtbar, und erst diese entscheidet über den Nachweis. Der Rückweg ist der eigentliche Nutzen — vom nicht erfüllten Nachweis zur konkret zu ändernden Prozessgröße.

4. Grenzen

• Analytisch, nicht numerisch: keine FEM, keine örtliche Kerbspannung, keine Kontaktmechanik.
• Kein Kriechen und keine Relaxation unter Dauerlast — bei PLA praxisrelevant.
• Kennwerte sind konservative Literatur- und Werkstattmittelwerte, keine Chargenwerte; Trocknung, Alter und Farbe des Filaments werden nicht abgebildet.
• Der Ermüdungsansatz ist eine Wöhler-Näherung ohne Mittelspannungseinfluss.
• TPU wird nur als grobe Näherung geführt (große Verformungen, nichtlineares Verhalten).

5. Validierungsplan

1. Probekörper nach ISO 527-2 (Zug) und ISO 178 (Biegung), je Werkstoff drei Orientierungen (XY, 45 Grad, Z), fünf Proben je Punkt.
2. Parametervariation: Schichthöhe in drei Stufen bei fester Düse, danach Düsendurchmesser in drei Stufen.
3. Rückrechnung von k_z aus dem Verhältnis der gemessenen Z- zu XY-Festigkeit, Ersatz der hinterlegten Startwerte durch eigene Werte.
4. Dauerschwingversuch an einem Referenzbauteil zur Kalibrierung von k_N.
5. Dokumentation der Chargen und Trocknungszustände als Teil des Datensatzes.

6. Rechtlicher Rahmen und Haftung

LASTWERK ist ein Abschätzungswerkzeug, kein Nachweisverfahren und keine Konformitätsbewertung. Es begründet keine Zusicherung von Eigenschaften. Schicht-Werk arbeitet als Lohnfertiger; Produktverantwortung, Eignungsprüfung für den Einsatzzweck und Freigabe liegen beim Auftraggeber. Keine Anwendung für sicherheitskritische, tragende, personenschützende oder medizinische Bauteile; keine Medizinprodukte im Sinne der MDR 2017/745.

7. Auslieferung

LASTWERK v1.0 — Executive Paper (EN)

1. Purpose

LASTWERK closes the gap between slicer settings and structural verification. Slicers optimise time and material; conventional strength calculators assume isotropic materials. Additively manufactured polymer parts are neither: their load capacity is created during the process, by nozzle diameter, layer height, bead overlap, temperature and build orientation.

The module runs this chain in one direction — process determines property, property determines verification — and reports which parameter to change first.

2. Model

Process quality follows the ratio of layer height to nozzle diameter, with an optimum around 0.5. Together with bead overlap and nozzle temperature it yields the effective interlayer bond factor k_z; for SLA it derives from the post-cure state instead. Build orientation maps this factor onto the allowable stress: in-plane loading keeps 0.95, out-of-plane loading drops to k_z.

The load-bearing cross-section separates perimeters from infill: perimeter material counts at 0.95, infill only at the efficiency of its pattern (0.28 to 0.55 of nominal density). Bending uses the same split, weighted through the second moment of area.

Verification compares the applied stress against the allowable static stress and, above roughly one thousand load cycles, against a fatigue-reduced value. Under compression the Euler buckling load is checked and governs the verdict when it falls below the strength safety factor. On the manufacturing side the tool estimates footprint, bed adhesion reserve and a warping index.

3. Transdisciplinary framing

The calculation couples three layers usually treated separately: materials science, manufacturing technology and mechanics. A manufacturing decision becomes visible as a change in material properties, and only that change decides the verification. The reverse path — from a failed verification to the specific process parameter to change — is the actual purpose of the tool.

4. Limitations

Analytical rather than numerical: no FEM, no local notch stress, no creep or relaxation under sustained load. Material values are conservative averages, not batch data. The fatigue approach is a Wöhler approximation without mean stress effect. TPU is a rough approximation only.

5. Validation plan

Tensile coupons to ISO 527-2 and bending coupons to ISO 178, three orientations per material, five specimens per point; layer height and nozzle diameter varied in three steps each; k_z back-calculated from the measured Z to XY ratio and substituted for the stored default; fatigue testing on a reference part to calibrate the cycle factor; batch and drying state documented as part of the dataset.

6. Legal framing

An estimation tool, not a verification method and not a conformity assessment. No warranty of properties. Schicht-Werk operates as a contract manufacturer; product responsibility, fitness-for-purpose assessment and release remain with the client. Not for safety-critical, load-bearing, personal-protective or medical parts; no medical devices under MDR 2017/745.

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