ThinKing November – Kombination von Topologieoptimierung und Additiver Fertigung ermöglicht 3D-Druck poröser Strukturen

11.11.2016

 

Material oder kein Material - das ist bei der Additiven Fertigung nicht mehr die Frage. Ein am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart gemeinsam mit dem Unternehmen MESHPARTS GmbH entwickeltes Softwaretool TOPOAD ermöglicht jetzt das Drucken von porösen Strukturen mit unterschiedlicher Materialdichte.

Der von MESHPARTS entwickelte Algorithmus hat den Vorteil, die Dichte kontinuierlich zwischen null und eins zu verteilen. Das Ergebnis der Optimierung ist eine belastungsgerechte, dem menschlichen Knochen nachempfundene leichte Struktur, die auch direkt herstellbar oder im CAD editierbar ist. Die Prozesskette ist vollständig digitalisiert.

Topologieoptimierung lässt sich in industriell additiv fertigen

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem ThinKing im November. Die Leichtbau BW GmbH gibt mit diesem Label monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

TOPOAD steht für "Topologie Optimierung für die Additive Fertigung". Damit ist es möglich, Geometrien aus der Topologieoptimierung, die üblicherweise auf Basis der Finiten-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden, in einem industriellen additiven Fertigungsprozess herzustellen.

Algorithmus verteilt die Dichte kontinuierlich zwischen null und eins

Ziel des Verfahrens mit dem Softwaretool TOPOAD ist es, bessere Produkte zu erstellen, als es mit der bisherigen Technologie möglich war. Die Bauteile sind bei gleichem Gewicht deutlich steifer oder bei gleicher Steifigkeit um vieles leichter. Der Druck von Strukturen mit variabler Porosität ermöglicht es beispielsweise, Verschraubungsflächen, an denen starke Kräfte wirken, massiv zu drucken, während an Stellen mit weniger Belastung das Material porös gestaltet werden kann.

Mit den bisherigen Berechnungsmethoden war es nur möglich, das volle oder kein Material einzubringen. Dank der "Verheiratung" von FEM und FDM lässt sich nun eine wabenartige Mikrostruktur drucken, die unterschiedliche Wandstärken hat. Zunächst wird am Computer der Bauraum definiert, der dann in ein FE-Modell umgewandelt wird. Per Topologieoptimierung wird anschließend die optimale Dichteverteilung errechnet. Der Prozess ist automatisiert.

Topologieoptimierung wird automatisch in CAD-Modell überführt

Auf Basis der Topologieoptimierung werden dann die wabenartigen Strukturen ermittelt. Diese "positiven Löcher" überführt die Software dann in ein fertiges CAD-Modell. Bislang gab es keine direkte Fertigbarkeit, sondern es war ein hoher manueller Aufwand bei der Interpretation und Umwandlung in ein CAD-Modell notwendig. Anschließend erfolgt eine Umwandlung der topologisch optimierten Geometriedaten einen maschinenlesbaren G-Code.

Die topologieoptimierten Strukturen lassen sich erst durch die neuen Designmöglichkeiten mit Additiver Fertigung realisieren. Speziell für die Herstellung poröser innerer Strukturen sind das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modelling) und Laserauftragschweißen (Cladding) geeignet. Metall- oder Kunststoffpulverbettverfahren haben den Nachteil, dass das Stützmaterial später aus Hohlräumen nur schwer entfernt werden kann. Das FDM-Verfahren wurde für den Druck poröser Strukturen eigens am ISW weiterentwickelt.