Autor: Albert Albers

Durch die Integration spezifischer Materialeigenschaften des Fertigungsverfahrens Selektives Laserschmelzen (SLM) in eine Topologieoptimierung kann der Produktentwickler simulationsgestützt bei der Gestaltfindung unterstützt werden. Hierzu wird im Rahmen eines durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts eine Topologieoptimierungsmethode entwickelt, die bereits während der Optimierung die prozessspezifischen Materialeigenschaften des SLM berücksichtigt. In diesem Beitrag wird der Einfluss dieser Berücksichtigung auf das Design vorgestellt.

Die Entwicklung und Produktion mikromechanischer Bauteile ist mit vielfältigen komplexen Herausforderungen verknüpft. Durch die kleinen Bauteilabmessungen, die nahe an derzeit in der Fertigung realisierbaren Toleranzen liegen, kann es beim Zusammenwirken mikromechanischer Bauteile infolge von Gestaltabweichungen zu Funktionsstörungen kommen. Am IPEK - Institut für Produktentwicklung Karlsruhe wird eine Qualitätssicherungsstrategie für Mikroverzahnungen entwickelt, die Aussagen über die Auswirkungen von Gestaltabweichungen auf den Funktionszusammenhang mikromechanischer Bauteile zulässt. Dabei können Formabweichungen einzelner Mikrozahnräder derart bestimmt werden, dass geeignete Zahnradpaarungen zur Wahrung einer angestrebten Funktionserfüllung gefunden werden können.

Strukturoptimierung auf Basis der Finite Elemente Methode ist ein Werkzeug zur Designfindung und -optimierung von Bauteilen innerhalb des Produktentwicklungsprozesses. Vorteile liegen in einer erheblichen Prozessbeschleunigung durch die Einsparung klassischer Optimierungsschleifen und in der Möglichkeit, Lösungen zu finden, die empirisch nicht erreichbar sind. Ein Nachteil der Methode lag in der Vergangenheit darin, dass die Algorithmen teilweise Entwürfe vorgeschlagen haben, die nicht oder nur mit inakzeptablem Aufwand herstellbar waren. Hieraus entstand die Motivation zur Entwicklung der im Folgenden vorgestellten Fertigungsrestriktionen für Strukturoptimierungswerkzeuge. Mittels dieser Restriktionen wird der Lösungsraum der Optimierung spezifisch für ein vorgegebenes Fertigungsverfahren eingeschränkt, sodass optimierte, herstellbare Entwürfe erstellt werden.