Fertigungsgerechte Topologieoptimierung für die additive Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Philipp Junker
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512940050

Die additive Fertigung erlaubt eine große Freiheit in der Gestaltung von Bauteilen und hat deshalb eine wichtige Stellung in der modernen Fertigung erlangt. Bei Verwendung von frei beweglicher, robotergeführter Laserstrahlung schränkt dieses Fertigungsverfahren die Abmaßen des Bauteils nicht unmittelbar ein. Je größer allerdings die Abmaße werden, desto wichtiger ist es, bereits während der Bauteilkonzeptionierung andere, prozessbedingte Einschränkungen zu berücksichtigen, um ideale Bauteilformen für dieses Fertigungsverfahren zu identifizieren. In diesem Teilprojekt wird daher ein neues Verfahren der computergestützten Topologieoptimierung entwickelt, das thermische Eigenspannungen und fertigungsbedingte Anisotropien sowie Überhänge berücksichtigt. Gleichzeitig wird der inhärente Charakter der additiven Fertigung des sukzessiven Aufbaus der Struktur in das Optimierungsverfahren einbezogen. Hierzu wird ein Verfahren der Topologieoptimierung basierend auf Wachstumsansätzen so weiterentwickelt, dass es den evolutionären Aufbau der Struktur abbildet. Weiterhin sollen nur solche Stützstrukturen durch die Optimierung bestimmt werden, die zwar auch während des Aufbaus benötigt werden, die gleichzeitig aber zur Tragfähigkeit der finalen Struktur beitragen. Zur Berücksichtigung der potentiell großen Abmaße robotergeführter, additiv gefertigter Bauteile ist das Eigengewicht in der numerischen Optimierung von großer Relevanz und Überhänge dürfen nur in einer klar spezifizierten Art auftreten, um die Tragfähigkeit auch während des Bauteilaufbaus sicherzustellen. Sequentiell werden nur solche Bereiche des Designraums für die Topologieoptimierung freigegeben, die für den realen Aufbauprozess zugänglich sind. So wird gewährleistet, dass die simulierte Topologie sich auch tatschlich fertigen lässt. Zusätzlich werden thermische Effekte, die die Eigenschaften der Struktur während der Fertigung beeinflussen, während der Optimierung berücksichtigt. Das Modell zur Topologieoptimierung wird algorithmisch umgesetzt, um einen effizienten, simulationsbasierten Zugang zur Gestaltung fertigungsgerechter Bauteile für die additive Fertigung zu erhalten. Das Projekt steht in einem stetigen und engen Austausch mit den anderen Teilprojekten der Forschungsgruppe, um werkstoffwissenschaftliche und fertigungsspezifische Einschränkungen und Erkenntnisse direkt abzubilden und berücksichtigen zu können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5620: Simulationsgestützte Auslegung der fertigungsgerechten Herstellung von belastungsoptimierten Freiformbauteilen mittels Laserauftragschweißen (DED-LB/M)
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Dustin Jantos