Options
2021
Doctoral Thesis
Title
Sustainable design with topology optimization for laser powder bed fusion of metals
Abstract
Die additive Fertigung ist eine vielversprechende Technologie, um durch die direkte konturnahe Herstellung komplexer Geometrien die nachhaltige Produktion von Leichtbauteilen zu ermöglichen. Weiterhin kann die große Designfreiheit den Einsatz der Topologieoptimierung für einen automatisierten Geometrieentwurf befähigen, wodurch noch effizientere Lösungen für lasttragende Bauteile erreicht werden können.
Aktuell besteht jedoch noch kein systematischer Ansatz, um Nachhaltigkeit als Leitlinie für die Produktentwicklung zu realisieren und dabei zugehörige Kriterien zusammenhängend zu behandeln. In dieser Arbeit wird diese Forschungslücke mit mehreren Entwicklungen geschlossen. Ein methodisches Rahmenwerk für generatives Design wird vorgeschlagen und demonstriert, um nachhaltiges Design für die Additive Fertigung und speziell für das Laserstrahlschmelzen umzusetzen. In diesem Zusammenhang werden geeignete Messgrößen für die Nachhaltigkeit definiert und mehrere Modelle für die Automatisierung vorgeschlagen.
Generative Designmodelle mit weiterentwickelter Topologieoptimierung werden eingebracht, um das Design und die Prozessauslegung zu automatisieren. Hierbei werden Beschränkungen aktueller Methoden in der zusammenhängenden Optimierung von sich sehr nichtlinear verhaltenden mechanischen und prozessspezifischen Zielgrößen mit guter recheneffizienz überwunden. Zusätzlich werden die Ressourcen im Fertigungsprozess des Laserstrahlschmelzens analysiert und ein Vorhersagemodell für die Bewertung des Verbrauchs von Lösungen vorgeschlagen, welches schon in der Frühphasenentwicklung eingesetzt werden kann. Letzteres wird in Fertigungsexperimenten validiert und zeigt qualitativ als auch quantitativ eine geeignete Genauigkeit.
Die Forschungsbeiträge werden in einem multidisziplinären generativen Designmodell für die Optimierung der Nachhaltigkeit für das Laserstrahlschmelzen kombiniert. Dieses demonstriert in einem Leichtbau-Anwendungsbeispiel bei der zusammenhängenden Modellierung und Optimierung mehrerer Nachhaltigkeitskriterien eine hohe Effektivität und Durchführbarkeit.
Aktuell besteht jedoch noch kein systematischer Ansatz, um Nachhaltigkeit als Leitlinie für die Produktentwicklung zu realisieren und dabei zugehörige Kriterien zusammenhängend zu behandeln. In dieser Arbeit wird diese Forschungslücke mit mehreren Entwicklungen geschlossen. Ein methodisches Rahmenwerk für generatives Design wird vorgeschlagen und demonstriert, um nachhaltiges Design für die Additive Fertigung und speziell für das Laserstrahlschmelzen umzusetzen. In diesem Zusammenhang werden geeignete Messgrößen für die Nachhaltigkeit definiert und mehrere Modelle für die Automatisierung vorgeschlagen.
Generative Designmodelle mit weiterentwickelter Topologieoptimierung werden eingebracht, um das Design und die Prozessauslegung zu automatisieren. Hierbei werden Beschränkungen aktueller Methoden in der zusammenhängenden Optimierung von sich sehr nichtlinear verhaltenden mechanischen und prozessspezifischen Zielgrößen mit guter recheneffizienz überwunden. Zusätzlich werden die Ressourcen im Fertigungsprozess des Laserstrahlschmelzens analysiert und ein Vorhersagemodell für die Bewertung des Verbrauchs von Lösungen vorgeschlagen, welches schon in der Frühphasenentwicklung eingesetzt werden kann. Letzteres wird in Fertigungsexperimenten validiert und zeigt qualitativ als auch quantitativ eine geeignete Genauigkeit.
Die Forschungsbeiträge werden in einem multidisziplinären generativen Designmodell für die Optimierung der Nachhaltigkeit für das Laserstrahlschmelzen kombiniert. Dieses demonstriert in einem Leichtbau-Anwendungsbeispiel bei der zusammenhängenden Modellierung und Optimierung mehrerer Nachhaltigkeitskriterien eine hohe Effektivität und Durchführbarkeit.
Thesis Note
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2021