Concept and Case Studies 2017/2018

Fördergeber: Direct Manufacturing Research Center (DMRC)

Laufzeit: 01/2017 - 12/2018

Die Additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM) ist ein Fertigungsverfahren, dass sich insbesondere durch die großen gestalterischen Freiheiten im Produktdesign auszeichnet. Zur Ausschöpfung aller entstehenden Möglichkeiten, müssen sowohl Potentiale als auch Herausforderungen bekannt sein und in der Produktgestaltung berücksichtigt werden. Das Projekt „Concept and Case Studies“ beschäftigt sich mit der Entwicklung von funktionsorientierten Wirkprinzipien speziell für die additive Fertigung, die den Entwurfsprozess von AM-gerechten Bauteilen unterstützen. Die entwickelten Wirkprinzipien werden mithilfe von Demonstratoren verifiziert und Potentiale des funktionsorientierten AM-Designs in industriellen Einsatzbereichen untersucht.

Zur Erreichung der Projektziele wird ein dreistufiges Vorgehen angewendet (Abbildung 1). Es erfolgt zunächst die allgemeine Betrachtung und Erforschung des jeweils fokussierten Themenbereichs. Hierauf basierend findet die Identifikation geeigneter Wirkprinzipien statt. Diese Wirkprinzipien, sowie praxisrelevante Beschreibungen und Anwendungsbeispiele, werden einheitlich in Form eines Katalogs zusammengefasst. Für die weitere Untersuchung an Demonstratoren werden die vielversprechendsten Konzepte ausgewählt. Abbildung 2 zeigt verschiedene Demonstratoren, die im Rahmen von CaCS 2017 entstanden sind.

Das Projekt fokussierte im Jahr 2017 die Themenbereiche „Wärmeübertragung“ und „Strukturoptimierung“, 2018 liegt der Schwerpunkt auf der „Beeinflussung des Magnetflusses“ und „Strukturdämpfung“. Langfristig wird das Projekt weitere Themenbereiche betrachten, um so Ingenieure beim Design neuer Produkte zu unterstützen und die durch AM entstehenden Vorteile greifbar und real anwendbar zu machen.

• Ableitung von funktionsorientierten Wirkprinzipien für definierte Themenbereiche, durch die die Potentiale der additiven Fertigung im Produktdesign besser ausgeschöpft werden können
• Entwicklung von für die Industrie relevanten Fallstudien, um die praktische Anwendung der erarbeiteten Wirkprinzipien zu verdeutlichen
• Analyse der Designentwürfe hinsichtlich einer möglichen Leistungssteigerung und Vergleich von AM-gerechtem Design mit konventionell hergestellten Bauteilen

Im Rahmen des Projektes 2017 lag in erster Linie die Erforschung der Strukturoptimierung im Verantwortungsbereich des C.I.K. Hier konnte auf die langjährige Forschung im Bereich der Topologieoptimierung für die additive Fertigung zurückgegriffen werden (Vgl. New Structure und OptiAMix). In diesem Rahmen wurden drei der fünf Demonstratoren einer umfangreichen Neugestaltung unterzogen und auf Basis der Anforderungen neue Lösungen entwickelt. Diese reichen von einer dedizierten Strukturoptimierung (Abbildung 2, Teil 5) über eine lebensdauerorientiere Optimierung aus dem Automobilbau (Abbildung 2, Teil 1) bis zur Kombination von Struktur- und Wärmeoptimierung (Abbildung 2, Teil 3).

Insbesondere im Bereich der gekoppelten Optimierung von Bauteilen zur Integration von Wärmemanagement mit Strukturelementen konnte im Rahmen dieses Projektes ein wichtiger Baustein zur Anwendung der additiven Fertigung geleistet werden. Die automatisierte Erstellung von hierfür optimalen Geometrien bietet großes Potential zur materialschonenden Optimierung von Wärme- und Strukturbelasteten Bauteilen.

Im Jahr 2018 wird die Forschung sich auf den Bereich der strukturellen Dämpfung von Bauteilen fokussieren. Hier wird als Demonstrator ein Haltewinkel für Motoranbauteile bearbeitet werden, um die schwingungsbasierte Dauerfestigkeit zu erhöhen.