Dimensionierung interner Gitterstrukturen für die additive Fertigung mittels Evolutionsstrategien
Stefan Hautsch
Strukturoptimierungsverfahren, wie sie heute in der virtuellen Produktentwicklung häufig zum Einsatz kommen, können hohle und mit Gitterstrukturen gefüllte Bauteilgeometrien computergestützt generieren und auslegen. Mit konventionellen Fertigungsverfahren lassen sich derartige Topologien jedoch nicht herstellen. Die additive Fertigung ermöglicht durch die Erhöhung der geometrischen Gestaltungsfreiheit die Ausnutzung solcher Leichtbaupotentiale. Die höheren Fertigungskosten amortisieren sich wiederum nur durch eine Steigerung des Produktnutzens, wie sie strukturgefüllte Bauteile bieten. Entsprechende Softwaretools sind selten, in der Regel wenig flexibel und bringen oft manuellen Aufwand mit sich. In dieser Arbeit wird daher ein durchgängiger, automatisierter Ansatz auf Basis freier Software entwickelt, der ausgehend von einer CAD-Geometrie über die Konvertierung eines Finite-Elemente-Netzes ein Schalen-Stab-Modell erzeugt, darauf folgend dimensioniert und schließlich für die additive Fertigung vorbereitet. Dabei kommen Evolutionsstrategien als allgemeingültiger Lösungsansatz zur Anwendung, sodass beliebige Auslegungsziele erreicht werden können. Der im Vergleich zu anderen Optimierungsalgorithmen hohe Aufwand für die Evolutionsstrategien wird durch den geringen Rechenbedarf eines Schalen-Stab-Modells ausgeglichen. Um den evolutionären Algorithmus mit den idealen Einstellungen für schnelle und sichere Konvergenz zu betreiben, wird eine Parameterstudie mit drei verschiedenen Geometrien und insgesamt 630 Parameter-Modell-Kombinationen durchgeführt und ausgewertet. Empfehlungen sowohl für die Steuergrößen des Lösungsansatzes als auch für die allgemeine Modellbildung sowie eine kritische Bewertung der gewählten Strategie schließen die Arbeit ab.
