Additive Fertigung

FEM meets FDM

Die Topologieoptimierung wird typischerweise in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Automobil- und Fahrzeugbau, aber auch in anderen Sparten des Maschinenbaus eingesetzt und ist ein computerbasiertes Berechnungsverfahren, durch das eine günstige Grundgestalt Bauteile unter mechanischer Belastung ermittelt werden kann. Die Universität Stuttgart hat nun die additive Fertigung mit in ihre Topologieoptimierungs-Forschung einbezogen.

Die Herstellung poröser Strukturen stellt besondere Anforderungen an die additive Fertigungstechnologie. Das Freiform-Verfahren „Fused Deposition Modeling“ (FDM) ist für die Herstellung solcher geschlossen poriger Strukturen besonders gut geeignet. Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart wird eine präzise industrielle Parallelkinematik mit industrieller Steuerungstechnik eingesetzt, wodurch ein großer kinematischer und prozesstechnischer Optimierungsfreiraum gegeben ist.

Steuerungstechnische Funktionen, die in subtraktiven industriellen Prozessen eingesetzt werden (z.B. beim Fräsen) erlauben eine Optimierung des FDM Verfahrens. Um die störenden Einflüsse der Fadenbildung aufgrund von Viskosität des Kunststoffes zu verringern, wurde eine steuerungstechnische Funktion implementiert, die Extrusionsbefehle vorausschauend ausführt. Somit konnte die Totzeit im Druckkopf kompensiert und die Fadenbildung in Hohlräumen reduziert werden. Zusätzlich konnte durch eine steuerungstechnische Funktion aus der Laserbearbeitung die Oberflächenqualität der Werkstücke durch das fliegende Abheben und Absenken während einer Leerfahrt verbessert werden. Auf diese Weise ist es möglich, Geometrien aus der Topologieoptimierung, die üblicherweise auf Basis der Finiten-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden, in einem industriellen additiven Fertigungsprozess herzustellen. Methoden der Topologieoptimierung erlauben die Berechnung belastungsgerechter Leichtbaugeometrien zur Auslegung ressourceneffizienter Werkstücke. Die Additive Fertigung bietet neue Fertigungsverfahren mit denen diese Strukturen hergestellt werden können. Ziel der Topologieoptimierung ist die Erzeugung einer diskreten Dichteverteilung, die beschreibt an welchen Stellen im Bauteil Material notwendig ist. Anschließend erfolgt eine Umwandlung der topologisch optimierten Geometriedaten in ein CAD-Modell und einen maschinenlesbaren G-Code.

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Das am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart entwickelte und von dem Unternehmen Mesh Parts kommerziell angebotene Softwaretool Topo AD löst diese Probleme. Das Ergebnis der Optimierung ist eine poröse, belastungsgerechte, dem menschlichen Knochen nachempfundene Struktur. Frederik Wulle / ee

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