Ein neuer Ansatz für das Design leichter Strukturen

Starke und gleichzeitig Leichte Strukturen zu schaffen, ist in vielen Branchen, einschliesslich Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie, super wichtig. Traditionelle Designmethoden brauchen oft riesige Computerressourcen und viel Zeit, besonders wenn’s um detaillierte Strukturen mit 3D-Druck geht. In diesem Artikel schauen wir uns einen neuen Ansatz an, der diese komplexen Strukturen effizienter und günstiger gestaltet.

#Die Bedeutung des Infill beim 3D-Druck

Beim Additive Manufacturing, also 3D-Druck, wird das Infill – das Material im Inneren der finalen Struktur – oft übersehen. Dabei spielt es eine entscheidende Rolle für die Stärke und das Gewicht des Bauteils. Ein gutes Infill-Design kann zu besserer Leistung und langlebigeren Produkten führen. In diesem Artikel diskutieren wir eine Methode, die das Infill-Design in die Gesamtoptimierung von Strukturen integriert.

#Herausforderungen beim Design angehen

Leichte Strukturen mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu entwerfen, bringt oft zwei grosse Herausforderungen mit sich: hohe Rechenkosten und der Bedarf an detailliertem Infill-Design. Viele aktuelle Methoden dauern viel zu lange und benötigen erhebliche Ressourcen, was den Zugang zu fortgeschrittenen Designtechniken einschränkt. Der Ansatz, den wir vorschlagen, zielt darauf ab, das einfacher zu machen, indem er einen systematischen Designprozess ermöglicht, der sowohl Geometrie als auch Infill optimiert.

#Die vorgeschlagene Methode

Unsere Methode kombiniert eine Technik namens Topologie-Optimierung mit einem neuen Prozess für die Verwaltung des Infill-Designs. Topologie-Optimierung vereinfacht den Designprozess, indem sie vorhandenes Material bestmöglich nutzt. Dieser neue Ansatz erlaubt es, Strukturen auf zwei Ebenen zu gestalten – einer Makroebene, die die Gesamtform betrachtet, und einer Mikroebene, die sich auf Details wie das Infill konzentriert.

#Verwendung von rechteckigen Mikrostrukturen

Das Herzstück unserer Methode ist die Nutzung von rechteckigen Mikrostrukturen als Basis für die Optimierung. Diese Mikrostrukturen schaffen ein starkes, aber leichtes Gerüst, das leicht angepasst werden kann. Durch die Optimierung der Anordnung dieser Mikrostrukturen können wir eine bessere Leistung mit weniger Material erreichen.

#Der zweistufige Prozess

1. Multi-Skalen-Optimierung: Der erste Schritt besteht darin, die Gesamtform und die Materialverteilung in grösserem Massstab zu optimieren. So erhalten wir ein Design, das weniger Material verwendet und gleichzeitig die Anforderungen an die Festigkeit erfüllt.

2. Mapping zu einer feinen Skala: Der zweite Schritt ist, dieses Design in eine detailliertere, feine Struktur zu verfeinern, die gut verteiltes Infill beinhaltet. So stellen wir sicher, dass wir den Materialverbrauch verringern, ohne die Festigkeit zu kompromittieren.

#Vorteile des neuen Ansatzes

Diese neue Methode bietet mehrere Vorteile gegenüber traditionellen Techniken:

1. Kosteneffektiv: Der verfeinerte Prozess senkt die Rechenkosten erheblich, sodass mehr Unternehmen und Einzelpersonen Zugang zu fortgeschrittenen Designtechniken haben.

2. Zeitersparnis: Durch die Straffung des Designprozesses wird die Zeit, die benötigt wird, um zu einer optimierten Struktur zu gelangen, drastisch verkürzt.

3. Mechanische Stabilität: Der Ansatz sorgt dafür, dass das endgültige Design stabiler unter Stress wird, wenn mehrere aktive Schichten verwendet werden.

4. Geeignet für 3D-Druck: Diese Methode berücksichtigt die speziellen Anforderungen des Additive Manufacturing und erleichtert die Erstellung komplexer Designs mit effektivem Infill.

#Praktische Anwendungen

Wir haben unsere Methode bei drei verschiedenen Ingenieurproblemen getestet, von denen jedes komplexer war als das vorherige. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass unser Ansatz eine hohe strukturelle Leistung aufrechterhält und dabei viel schneller ist als traditionelle Methoden.

#Beispiel 1: Der Michell-Balken

In einem Test haben wir die Designmethode auf einen Michell-Balken angewendet. Dieser Test zeigte, dass unser Rahmen nicht nur ein leichteres Design, sondern auch die notwendige Festigkeit beibehalten konnte. Wichtige Ergebnisse waren:

• Eine signifikante Materialeinsparung.
• Vergleichbare mechanische Leistung zu Designs, die mit herkömmlichen Methoden erstellt wurden.
• Ein schnellerer Optimierungsprozess, der die Aufgabe deutlich schneller als traditionelle Techniken abschloss.

#Beispiel 2: Der Lotte-Turm

Als Nächstes haben wir unsere Methodik auf den Lotte-Turm angewendet. Diese Struktur hat eine einzigartige Form, die von einer quadratischen Basis zu einem runden oberen Ende übergeht, was zusätzliche Designherausforderungen mit sich bringt. Unser Ansatz hat erfolgreich ein effizientes Design erzeugt durch:

• Eine nahtlose Integration des Infill als entscheidende Komponente.
• Schnelle Anpassungen an die spezifische Geometrie des Turms.
• Validierung der Leistung im Vergleich zu konventionellen Designtechniken.

#Beispiel 3: GE-Triebwerksbefestigung

Zuletzt haben wir die GE-Triebwerksbefestigung in Angriff genommen, die ein komplexeres Bauteil mit verschiedenen Lastfällen darstellt. Durch die Nutzung unserer Designmethode konnten wir zeigen:

• Die Flexibilität, unterschiedliche Lastbedingungen zu berücksichtigen und dabei den Materialverbrauch zu optimieren.
• Die Gesamtstruktur-Effizienz im Vergleich zu bestehenden Designs.

#Fazit

Der neue strukturelle Designansatz, den wir hier vorgestellt haben, stellt eine grosse Verbesserung darin dar, wie leichte, starke Strukturen für Ingenieranwendungen entwickelt werden können. Durch die Integration von Infill-Überlegungen direkt in den Designprozess und die Nutzung einer optimierten zweistufigen Methode können wir bessere Leistungen erzielen, Kosten senken und Zeit sparen. Unser Ansatz öffnet die Tür für eine breitere Anwendung fortgeschrittener Designtechniken, wodurch es für Hersteller einfacher wird, effektive, leichte Strukturen herzustellen.

In Zukunft wollen wir diese Techniken weiter verfeinern und noch mehr Anwendungen in verschiedenen Branchen erkunden. Indem wir sowohl Effizienz als auch Langlebigkeit im IngenieurdDesign priorisieren, können wir weiter innovieren und das herausragende Potenzial des Additive Manufacturing verbessern.