Smarte digitale Materialien: Algorithmus-basierte Gitterstrukturen für bauteiloptimierten Aufbau

Industrie 4.0 und Digitalisierung sind Schlagworte der industriellen Zukunft. Die Fertigung auf Basis digitaler Daten revolutioniert die produzierende Industrie. Sogenannte digitale Materialien sind der Werkstoff dieser Daten. Zu ihnen zählen Gitterstrukturen, die mithilfe von CAD-Software in das Bauteildesign integriert werden.

Der Einsatz von Gitterstrukturen anstelle  massiven Volumens  in Bauteilen bringt gleich mehrere Vorteile mit: Sie ermöglichen einen stabilen Aufbau von Komponenten und gleichzeitig die Reduktion von Gewicht. Durch das Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF), auch bekannt als selektives Laserstrahlschmelzen, können solche Gitterstrukturen bis in den Mikrometerbereich hergestellt werden.
Vereinfacht dargestellt, werden homogene Gitterstrukturen mit definierten Durchmessern, Geometrien und Winkeln vervielfacht, die Außenhülle des Bauteils wird über das Gitter gelegt und nicht benötigte Strukturen außerhalb der Bauteilgrenzen werden entfernt, um den geometrischen Raum des Bauteils auszufüllen.

Zonen, in denen die Belastung des Bauteils höher ist, benötigen dabei eine andere Gittergeometrie als diejenigen, in denen die Belastung des Bauteils niedriger ist. Bisher müssen solche Zonen manuell angepasst oder durch sogenannte „attraction points“ in die CAD-Bauteilplanung eingefügt werden. Die dabei entstehenden Datenmengen überschreiten oftmals die Kapazität gängiger Hardware.

Den Partnern rund um DPP2 ist es nun gelungen, Gitterstrukturen intelligent „wachsen“ zu lassen und die Datenmenge im Vergleich zu konventionellen Vorgehensweisen gering zu halten. Prozedurale Strukturen, die Algorithmus-basiert in einer CAD-Software generiert werden, sind der Schlüssel in diesem Ansatz. Anhand des Algorithmus ist es möglich, Gitterstrukturen nahezu automatisch unter Berücksichtigung material- und maschinenspezifischer Eigenschaften, Belastungsart und Fertigungseinschränkungen in die Bauteilgeometrie zu integrieren. So entsteht ein anwendungsoptimierter Gesamtaufbau des Bauteils.

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