Eine Topologieoptimierungsmethode zur Synthese additiv gefertigter, steifigkeitsoptimierter Produktdesigns am Beispiel des SLM – Selektives Laserschmelzen = A topology optimization method for the synthesis of additively manufactured, stiffness-optimized product designs exemplified by SLM – Selective Laser Melting

Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Klimaneutralität. Um die Potentiale des Leichtbaus zu heben, ist es jedoch erforderlich, dass dieser über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts hinweg integriert wird. Dies beginnt bereits in der Produktentstehung bei der Gestaltfindung. Dabei gilt es, Produkte zu entwickeln, die eine möglichst effektive Materialausnutzung aufweisen. Im Sinne des Leichtbaus bedeutet dies, dass Material ausschließlich an den Stellen im Produkt eingesetzt wird, an denen es für die Funktionserfüllung unabdingbar ist.
Ein unterstützendes Werkzeug für den Produktentwickler bei der Entwicklung derartiger Produkte stellen die rechnergestützten Optimierungsverfahren dar. ... mehrDie anhand dieser Optimierungsverfahren abgeleiteten, lastpfadoptimierten Designvorschläge lassen sich allerdings häufig aufgrund deren organischen Strukturen nur bedingt in konventionellen Fertigungsverfahren erzeugen. Abhilfe dafür kann die additive Fertigung schaffen, beispielsweise in Form des Selektiven Laserschmelzens (SLM). Das SLM besitzt aufgrund des diskontinuierlichen, schichtweisen Vorgehens bei der Fertigung eine hohe Gestaltungsfreiheit, wodurch komplexe Strukturen erzeugt werden können. Gleichzeitig sorgt dieses Vorgehen für lokal variierende Materialeigenschaften abhängig von der Produktgestalt, weshalb eine direkte Wechselwirkung zwischen Produkt (Gestalt) und Produktionssystem (SLM) besteht. Diese Wechselwirkung gilt es, bei der Gestaltfindung zu berücksichtigen, um eine möglichst effektive Materialausnutzung zu erzielen. Um den Produktentwickler respektive das Entwicklungsteam bei der Gestaltsynthese zu unterstützen, wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Optimierungsmethode entwickelt, die die fertigungsbedingten Materialeigenschaften in einer Topologieoptimierung integriert.
Zur Entwicklung dieser Optimierungsmethode wird zunächst eine Systemanalyse durchgeführt, um ein verbessertes Systemverständnis aufzubauen und die im SLM entstehenden Materialeigenschaften zu untersuchen. Aus dieser Systemanalyse geht hervor, dass sich drei Bereiche unterschiedlicher Porosität und somit mechanischer Materialeigenschaften abhängig von der Produktgestalt sowie der Aufbaurichtung bei der Fertigung einstellen. Diese drei Bereiche inklusive deren Materialeigenschaften werden in der entwickelten Topologieoptimierungsmethode iterativ berücksichtigt. Dazu werden in jeder Iteration der Topologieoptimierung die drei Materialbereiche automatisiert auf Basis des aktuellen Zwischenergebnisses abgebildet und der nächsten Iteration bereitgestellt. Aus den damit abgeleiteten Ergebnissen ergibt sich, dass die entwickelte Topologieoptimierungsmethode im Vergleich zu einer standardisierten Topologieoptimierung deutlich variierende Designvorschläge erzeugt, die das verfügbare Material effektiver ausnutzen. Somit stellt die entwickelte Topologieoptimierungsmethode ein unterstützendes Werkzeug für den Produktentwickler dar, besonders in der Gestaltfindung in frühen Phasen der Produktentstehung.

Lightweight design is a key technology towards carbon neutrality. However, in order to leverage the potential of lightweight design, it is necessary to integrate lightweight design throughout the entire life cycle of a product. This already begins in the product development process with the design phase. The aim is to develop products that maximise the effective material utilisation. In terms of lightweight design, a product should therefore only contain material in those areas where it is indispensable for the fulfilment of the product's function.
Computer-aided optimization methods are a supportive tool for the product developer when designing such products. ... mehrHowever, the load-compliant design proposals derived on the basis of such optimization methods often can only be generated to a limited extent in conventional manufacturing processes due to their organic structures. Additive manufacturing like Selective Laser Melting (SLM) offers a remedy to this limitation. SLM has a high degree of design freedom due to the discontinuous, layer-by-layer manufacturing process, which allows complex structures to be generated. At the same time, this process results in locally varying material properties depending on the product shape. Therefore, a direct interrelation between product (design) and production (SLM) occurs. This interrelation should be considered during the design phase in order to utilise the material as effectively as possible. In order to support the product developer respectively the development team in the design synthesis, this thesis presents an optimization method to integrate the manufacturing-related material properties in a topology optimization.
The first step to develop this optimization method consists of a system analysis in order to improve the understanding of the system and to investigate the material properties that arise in SLM. This system analysis shows three areas of different porosity and thus mechanical material properties depending on the design of the product and the building direction during manufacturing. These three areas, including their material properties, are considered iteratively in the developed topology optimization method. For this purpose, in each iteration of the topology optimization, the three material areas are mapped automatically on the basis of the current intermediate result and passed on to the next iteration. Based on the results derived this way, in comparison to a standardized topology optimization, the developed topology optimization method generates significantly varying design proposals that utilise the available material in a more effective way. Thus, the developed topology optimization method represents a supportive tool for the product developer, especially in the design phase in the early stages of the product development process.