Production technologies often turn out to be a limiting factor for the geometrical freedom in part design. By the use of Additive Layer Manufacturing processes, the existing restrictions can be negotiated due to their generative character. To exploit their whole capabilities, new approaches in part design have to be applied. One of these numerous possibilities is mesoscopic lightweight design, like for example by the use of lattice structures instead of massive material accumulations. Currently, these structures have a periodic build-up, which leads to unfavourable stress states like bending loads in the single strut elements. By an adaption of the course of the structure to the flux of force inside a part, predominantly push and pull forces appear inside the struts, which is very positive for the structures lightweight performance. To prove the capability of this optimization approach, Finite-Element-Analyses have been executed for periodic and for flux of force adapted lattice structures. Thus, the great potential of this optimization method has been shown.
Presently the trend to customized products tends to result in complex geometries, a high number of variants causes the mold and die section to investigate new technologies. Economic solutions for injection molding are limited by the smaller number of products being produced with a single tool. Based on this understanding, formflexible tools for injection molding are developed to allow different geometries being generated with a single tool. Such a form-flexible tool is based on the principle of a pincushion. This cushion is made of a large number of square pins which are arranged in such a way as to allow relative movement to each other. The arrangement of pins enables generating any kind of cavity, which provides the mold for casting the individual plastic part. Having performed successfully as a mold, the pins can be re-arranged and adjusted automatically to produce other parts with different geometries.
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
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