Wenn aus digitalen Daten Realität wird: Wissenschaftler begutachtet das erste gefertigte Bauteil mit prozeduralen Strukturen.

Intelligent wachsende Gitterstrukturen revolutionieren Leichtbau

Ressourceneffizienz und Umweltschutz sind Herausforderungen der Zukunft und erfordern technische Innovationen. Der Leichtbau, etwa in der Automobilbranche, leistet schon heute einen vielversprechenden Beitrag, durch die Reduzierung von Emissionen und Materialaufwand. Digitales Material, beispielsweise periodische und/oder stochastische Gitterstrukturen, revolutioniert diese Technologie. Zu ihnen zählen Gitterstrukturen, die mithilfe von Software generiert und in das Bauteilvolumen integriert werden. Additiv gefertigt mittels Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF), ermöglichen diese einen robusten Aufbau von Komponenten bei gleichzeitiger Reduktion von Gewicht. Intelligent wachsende Gitterstrukturen, die nahezu automatisch unter Berücksichtigung von material- und maschinenspezifischen Eigenschaften, Belastungsart sowie Fertigungseinschränkungen generiert werden, sind ein Meilenstein in der Herstellung von Leichtbaukomponenten – dieser ist den Partnern aus Wissenschaft und Industrie gemeinsam im Forschungscampus Digital Photonic Production DPP gelungen.

 

Konventionell werden Gitterstrukturen in einem geometrischen Bauteilvolumen erzeugt, indem geometrisch bestimmte Elementarzellen in alle Raumrichtungen vervielfacht werden. In einem weiteren Schritt wird die Außenhülle der Bauteilgeometrie in die Gitterstruktur projiziert und nicht benötigte Strukturen außerhalb der Bauteilgrenzen werden mittels boolescher Operationen entfernt. Durch das Entfernen der überschüssigen Gitterstrukturen entstehen wiederum unverbundene Gitterstrukturen. Um eine gute Verbindung der jeweiligen Gitterstrukturen zu gewährleisten, erzeugen kommerzielle Softwareprodukte neue Geometrien, zum Beispiel eine Halbkugel, an den entsprechenden Enden. Dadurch werden große Datenmengen akkumuliert, die eine lange Programm-Verarbeitungszeit fordern und oftmals die Kapazität gängiger Hardware überschreiten. Die anwendungsspezifische Anpassung der Gitterstrukturen, etwa an die Belastung, erfordert weitere aufwändige Arbeitsschritte.

Wenn aus digitalen Daten Realität wird: Wissenschaftler begutachtet das erste gefertigte Bauteil mit prozeduralen Strukturen.
Wenn aus digitalen Daten Realität wird:
Wissenschaftler begutachtet das erste gefertigte Bauteil mit prozeduralen Strukturen. © Forschungscampus DPP, Aachen.

Applikationsangepasste Gitterstrukturen per Knopfdruck

Ein Experten-Team bestehend aus Mitarbeitern der Lehrstühle für Digital Additive Production DAP und für Lasertechnik LLT an der RWTH Aachen University, dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT sowie der EXAPT Systemtechnik GmbH und der ModuleWorks GmbH entwickelt nun ein ganzheitliches Konzept, bei dem Gitterstrukturen nahezu automatisch belastungsgerechte basierend auf der Applikation wachsen. Die Vorverarbeitung der dazugehörigen CAD-Daten geschieht durch effiziente Datenspeicherung und somit erheblich schneller. Der Schlüssel in diesem Ansatz ist ein Algorithmus, auf dem basierend die Gitterstrukturen in einer CAD-Software generiert werden. Der Algorithmus ermöglicht es, die Gitterstrukturen intelligent in das Bauteil einzubringen. Somit können die Strukturen des erstellten Bauteils unmittelbar überprüft und gegebenenfalls nachjustiert werden.

Vereinfachtes und einheitliches Datenformat zur Bearbeitung von Freiformgeometrien

Hierfür wird ein Format entwickelt, das speziell für die Verarbeitung der intelligenten Gitterstrukturen geeignet ist. Bei dem vorgestellten Format handelt es sich um eine ASCII-Datei, die problemlos in ein Binärformat formatiert werden kann. Eine Strebe wird durch zwei Punkte (P) und zwei Radien (D) dargestellt: P1x P1y P1z P2x P2y P2z D1 D2. Der große Vorteil dieses Formats ist, dass nicht mit Volumen-Modellen, sondern mit Linien gerechnet wird. Das Volumen der Streben wird erst im letzten Schritt bei der Aufteilung des Bauteils in Schichten – dem „Slicen“ – generiert. Das Experten-Team entwickelt derzeitig einen sogenannten „Slicer“ speziell für die Verarbeitung dieser Gitterstrukturen, der die generierten Daten für die Additive Fertigung aufbereitet.

Intelligente prozedurale Struktur, generiert auf Basis des entwickelten Algorithmus. © RWTH Aachen DAP.
Intelligente prozedurale Struktur, generiert auf Basis des entwickelten Algorithmus.
© RWTH Aachen DAP.

Um intelligente Gitterstrukturen innerhalb des Bauteilvolumens zu erzeugen, wird der Bearbeitungsbereich des Bauteilvolumens zunächst in Ebenen aufgeteilt. Diese Ebenen werden in einem zweiten Schritt durch Streben miteinander verbunden. So können auf jeder einzelnen Ebene und auf jeder Strebe zwischen den Ebenen eigene Parameter angewendet werden. Dadurch müssen die Gitterstrukturen keinem regelmäßigen Muster folgen, sondern können durch den entwickelten Algorithmus jede frei zu definierende Form annehmen und der Außenhülle des Bauteilvolumens entsprechend individuell angepasst werden. So können zukünftig auch Freiformgeometrien mit entsprechenden intelligent „wachsenden“ Strukturen versehen werden. Darüber hinaus wird die Gitterstruktur hin zur optimalen Tragfähigkeit entwickelt. Der Algorithmus berücksichtigt Position, Richtung und Stärke der induzierten Kraft und definiert in Abhängigkeit des Kraftverlaufs die Strebendicke an beiden Endpunkten, zwischen denen linear interpoliert wird.

Mit dieser Vorgehensweise können Millionen einzelner Streben zusammengefasst und gespeichert werden. Auch weitere Geometrien, wie beispielsweise Quadrate, Ellipsen oder anderweitige Polylinien können einbezogen werden.

Aufbau des Bauteils mit prozeduralen Struktu-ren in einer industriellen Fertigungsmaschine. © RWTH Aachen DAP.
Aufbau des Bauteils mit prozeduralen Strukturen in einer industriellen Fertigungsmaschine.
© RWTH Aachen DAP.

Ganzheitlich: Intelligente Strukturen berücksichtigen Fertigungsrestriktionen

Die Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen spielt eine zentrale Rolle in der Entwicklung des holistischen Ansatzes. Die relevanten Eingangsparameterkritischer Überhangwinkel (α), minimal erreichbarer Strebendurchmesser sowie maximal erreichbarer Detaillierungsgrad (β) sind durch das L-PBF Verfahren und -Maschine vorgegeben. Diese Kenngrößen werden automatisiert bei der Erstellung der Gitterstrukturen berücksichtigt und unterstützen einen stabilen und reproduzierbaren Fertigungsprozess. Die für jedes Material und jede Maschine spezifischen Daten werden dafür in einer Datenbank hinterlegt und können auf jedes Bauteil entsprechend angewendet werden.

Das Ziel weiterer Entwicklungsarbeiten ist die Erweiterung der Bauteilindividualisierung bei einem optimalen Verhältnis von Gewicht und aufzunehmender Kraft.

Nahaufnahme des Bauteils mit einem Stre-bendurchmesser von 500 µm und einseitigem Verbund der Ebenen. © RWTH Aachen DAP.
Nahaufnahme des Bauteils mit einem Stre-bendurchmesser von 500 µm und einseitigem Verbund der Ebenen.
© RWTH Aachen DAP.

Die Forschungsarbeiten finden gemeinschaftlich unter einem Dach im Rahmen des Forschungscampus Digital Photonic Production DPP statt. Der Forschungscampus DPP ist Teil der deutschlandweiten Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF.

 

 

 

 

 

Ansprechpartner

Omid Zarei, M. Sc.
Gruppe Digital Product
RWTH Aachen University Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion DAP
omid.zarei@dap.rwth-aachen.de

Maximilian Voshage, M. Sc.
Gruppe Advanced Materials and Processes
RWTH Aachen University Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion DAP
maximilian.voshage@dap.rwth-aachen.de

Forschungsgruppe Digitale Photonische Prozesskette

⇓ Download Pressemeldung „Intelligent wachsende Gitterstrukturen revolutionieren Leichtbau“

 

EB