Phase-field Based Load-specific Structural Optimization and Experimental Validation of Porous Structures

Diese Arbeit untersucht das Potenzial und die Möglichkeiten der belastungsspezifischen Optimierung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften poröser Strukturen, wobei der Schwerpunkt auf einer phasenfeldbasierten Optimierung liegt. Zur Bewertung dieses Ansatzes werden sowohl numerische Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. \ Diese Studie konzentriert sich hauptsächlich auf dreifach periodische Minimalflächen (TPMS), welche komplexe, mathematisch definierbare Zellstrukturen sind, die in verschiedenen Anwendungs- und Forschungsbereichen verwendet werden. ... mehrAufgrund ihrer Vielseitigkeit und ihres Potenzials zur Leistungssteigerung werden diese Strukturen für verschiedene Belastungsszenarien optimiert. \ Im ersten Teil der Untersuchung werden TPMS-Strukturen mit variierenden Porositätsgradienten analysiert. Anschließend folgt eine detaillierte Formoptimierung, die auf einem modifizierten Phasenfeldansatz basiert. Der darauffolgende Teil widmet sich der strukturellen Optimierung verschiedener Zellstrukturen mittels der Phasenfeldmethode. Dabei werden Gyroid-Strukturen sowie 3D- Gitterstrukturen optimiert und anschließend mit den TPMS-Strukturen verglichen. Im letzten Abschnitt werden die belastungsspezifisch optimierten TPMS-Strukturen experimentell untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Validierung der phasenfeldbasierten Optimierung liegt.
Insgesamt demonstriert diese Arbeit das Potenzial und die Leistungsfähigkeit der phasenfeldbasierten Optimierung für komplexe poröse Strukturen. Es zeigt sich, dass die belastungsspezifische Phasenfeldoptimierung durch gezielte Volumenumverteilung nicht nur die charakteristischen Eigenschaften erhält, sondern auch die Steifigkeit in den

This study explores the potential and opportunities for load-specific optimization of porous structures, with a focus on phase-field-based optimization. Both simulation and experimental analysis are conducted to evaluate this approach.
The study primarily concentrates on triply periodic minimal surfaces (TPMS), which are complex, mathematically definable cellular structures used across various application and research fields. Due to their versatility and potential for performance enhancement, these structures are primarily optimized for specific loading cases. \
The first part of the investigation examines TPMS structures with varying porosity gradients. ... mehrBuilding on this, a detailed shape optimization is carried out, utilizing a modified phase-field approach tailored to specific loading scenarios. In the subsequent part, a sheet-based gyroid structure is subjected to structural optimization. Following this, a 3D lattice structure undergoes similar optimization and is compared to TPMS structures. In the final part, the load-specific TPMS structures are experimentally investigated, with a focus on validating the phase-field based optimization. \
Overall, this work demonstrates the potential and capabilities of phase-field based optimization for complex structures. It has been shown that load-specific phase-field optimization, not only preserves characteristic properties but also enhances stiffness in the respective loading directions.