Auslegung von Gitter- und Wabenstrukturen für die additive Fertigung

Optimale Leichtbaukonstruktionen können oft noch nicht umgesetzt werden, weil entsprechende Fertigungstechnologien nicht zur Verfügung stehen. Abhilfe können hier die additiven Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen schaffen. Der Prozessablauf ermöglicht dabei die Fertigung diffiziler Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit. Somit können Leichtbauansätze meist komplett ohne Einschränkungen umgesetzt und deren volles Potenzial ausgeschöpft werden. Als besonders geeignet hat sich hierfür der Einsatz bionischer Leichtbaustrukturen, wie Waben- oder Gitterstrukturen erwiesen. In der Natur sind seit jeher Leichtbauansatze zu finden, die im Laufe der Evolution optimiert wurden. Die additive Fertigung bietet das Potenzial diese bionischen Leichtbaustrukturen bestmöglich umzusetzen, da nur geringe geometrische Einschränkungen vorhanden sind. In der Vergangenheit wurden Leichtbauansatze für die additive Fertigung entwickelt und optimiert welche sich die Ansätze aus der Natur zu Nutze machen und in die technische Anwendung übertragen. Zum einen wurden die in der additiven Fertigung bereits etablierten Gitterstrukturen analog zum Aufbau des Schwammgewebes in Knochen optimiert. Hierbei wird einerseits der Verlauf der Struktur an den Kraftfluss im Bauteil angepasst und andererseits der Materialfüllgrad entsprechend der auftretenden Belastungen optimiert. Dadurch ist es möglich bei vergleichbaren mechanischen Bauteileigenschaften die Masse deutlich zu senken Zum anderen wurde ein Ansatz entwickelt um Wabenstruktuen an die Geometrie einer beliebigen Freiformflache sowie an die Belastungen im Bauteil anzupassen. Bisher war eine derartige Anpassung nicht möglich da durch die verwendeten Fertigungsprozesse lediglich ebene oder einfach gekrümmte Strukturen mit einheitlichem Materialfüllgrad herstellbar waren. Somit ist es durch die entwickelten Optimierungsverfahren und die Verwendung der additiven Fertigung möglich Bauteile zu designen und herzustellen, die der allgemeinen Regel in der Biologie folgen dass die verwendeten Bauelemente stets lageoptimal in die jeweilige Konstruktion eingefügt werden. Ausblickend gilt es die bereits entwickelten Vorgehensweisen für Gitter und Wabenstrukturen weiter zu erforschen und die Ergebnisse Konstrukteuren zur Verfugung zu stellen. Darüber hinaus sollen basierend auf den aktuellen Forschungsergebnissen weitere Ansätze zur kraftflussoptimierten Auslegung von Bauteilen nach bionischen Prinzipien entwickelt werden.