Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung (BEST)

Problemstellung
Die additive Fertigung (engl.: additive manufacturing, Abkürzung: AM) gewinnt mit jährlich zweistelligen Marktwachstumsraten zunehmend an Bedeutung in Industrie und Handwerk. Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M), beispielsweise für Leichtbauteile in der Luftfahrt, ist das meist verbreitete additive Fertigungsverfahren in der Produktion. Mit diesem Verfahren gedruckte Bauteile benötigen Stützstrukturen, um überhängende Geometrien des Bauteiles zu stützen, die Wärme des Lasers oder des Elektronenstrahles abzuführen und die wärmebedingten Spannungen im Bauteil abzuleiten. Die hierfür bislang kommerziell verfügbaren Softwarelösungen für Stützstrukturen bieten nur wenige Stützgeometrien an, die die o. g. Anforderungen nicht optimal erfüllen. Dadurch können teilweise Bauteile nicht optimal gefertigt oder nicht verwendet werden. Des Weiteren ist für diese Softwarelösungen ein hohes Maß an Erfahrung des Anwendenden nötig. Dies führt neben den erwähnten Fehldrucken zur Überdimensionierung der Stützstrukturen, wodurch die Kosten durch einen erhöhten Materialverbrauch und längere Druck- und Arbeitszeiten zusätzlich gesteigert werden.

Projektziel
Das Forschungsprojekt BEST hat zum Ziel, ein computergestütztes Softwaretool zu entwickeln, welches individuelle Stützstrukturen nach dem Vorbild der Verästelung der Baumkronen für ein gegebenes Bauteil generiert. Die Aststrukturen der Bäume sind dabei hochgradig ressourceneffizient und können durch Ansätze aus der algorithmischen Botanik beschrieben werden. Unter Einbezug der entstehenden Temperaturen und Spannungen während des Prozesses, welche durch Simulation ermittelt werden sollen, entstehen durch das Softwaretool für jedes Bauteil individuelle Stützstrukturen. Somit wird es auch Unternehmen mit wenig Erfahrung ermöglicht, zuverlässig Bauteile additiv zu fertigen.

Vorgehensweise
Der angestrebte Prozess zur digitalen Erzeugung von individuellen Baum-Stützstrukturen gliedert sich in zwei Schritte: Zuerst wird eine Simulationssoftware entwickelt, welches die Fertigungssituation eines Bauteils erfasst. Anschließend werden die Simulationsergebnisse verarbeitet und es erfolgt die eigentliche Strukturgenerierung mittels biologischem Algorithmus. Dieser besteht aus dem Basisalgorithmus sowie spezifisch zu erarbeiteten Regeln. Durch wissenschaftliche Experimente und Berechnungen soll das automatisierte Wachstum der Stützstrukturen erreicht werden. Der so erstellte Algorithmus wird in ein computergestütztes Softwaretool implementiert und demonstratorisch sowie modellbasiert umgesetzt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Nach erfolgreicher Umsetzung entsteht ein Softwaretool zur produktionstechnisch optimierten Generierung von Stützstrukturen. Durch die automatisierte Lösung können auch Anwender mit wenig Erfahrung effiziente Stützstrukturen erstellen und nutzen. Auf diese Weise wird die bereits hohe Ressourceneffizienz der additiven Fertigung noch weiter verstärkt. Die Erkenntnisse können zur Aus- und Weiterbildung im schulischen und akademischen Umfeld verwendet werden. Sie tragen damit zur Qualifizierung zukünftiger Ingenieure und Auszubildenden bei. Die Ergebnisse werden zudem in Form von wissenschaftlichen Publikationen einem breiten Fachpublikum zugänglich gemacht.

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• Technische Universität Hamburg