Hochschulschrift:
Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2021
Anmerkungen:
Beschreibung:
Abstract: Additive manufacturing is a promising technology for the sustainable production of lightweight parts through the direct fabrication of complex, near-net shapes. In addition, the great design freedom enables the application of topology optimization for automating the structural layout and hereby more efficient solutions for load-bearing components can be found.<br>However, there is no systematic approach for implementing sustainability as a guiding principle in the product development to collectively address related criteria. In this work, this issue is addressed in multiple ways and a novel generative design methodology is developed and demonstrated regarding the sustainable design for additive manufacturing and specifically laser powder bed fusion. In this connection, suitable sustainability measures are defined and a number of models are developed for automation.<br>Generative design models with advancements in topology optimization are contributed for automating the design and process layout. Hereby, restrictions of current methods in collectively optimizing very nonlinear behaving mechanical and process-related performance goals are overcome with reasonable computational effort. Furthermore, the resources in the laser powder bed fusion process are analyzed and a predictive model for early stage evaluation of solutions regarding their consumption is proposed. The latter is validated with production experiments and shows adequate qualitative as well as quantitative accuracy.<br>The contributions are combined in a multidisciplinary generative design model regarding sustainability optimization for laser powder bed fusion. The latter demonstrates effectiveness and feasibility in collectively modeling and optimizing multiple sustainability criteria in a lightweight design application
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 automa-<br>tisierten Geometrieentwurf befähigen, wodurch noch effizientere Lösungen für lasttragende Bauteile erreicht werden können. <br>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.<br>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.<br>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