Reichwein, Jannik (2022)
Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung mittels Bauteilintegration und -trennung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00020822
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die additive Fertigung ist eine relativ neue Fertigungstechnologie. Sie zeichnet sich durch spezifische Restriktionen und Potenziale aus und grenzt sich damit gegen andere Fertigungsverfahren ab. Die Herausforderungen in der Anwendung der additiven Fertigung liegen dabei unter anderem in fehlendem konstruktivem Wissen und den hohen Kosten der Fertigungstechnologie. Die Eigenschaften der additiven Fertigung erfordern ein fundamentales Umdenken in der Konstruktion der Bauteile, aber auch in der Gestaltung der Baustruktur. In der Literatur zur Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung wird dabei insbesondere eine Integralbauweise angestrebt. Eine Trennung von Bauteilen wird nur eingeschränkt betrachtet und die kombinierte Betrachtung von Integral- und Differenzialbauweise fehlt. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung durch Bauteilintegration und -trennung. Hieraus ergibt sich die erste Forschungsfrage: Welche Einflüsse ergeben sich aus den Potenzialen und Restriktionen der additiven Fertigung auf die Baustruktur eines Produktes im Rahmen einer Anpassungskonstruktion? Dazu werden zunächst die Potenziale und Restriktionen der additiven Fertigung analysiert und diese gezielt mit den Motiven für eine Bauteiltrennung verknüpft. Daraus lässt sich systematisch ein Einfluss der Eigenschaften der additiven Fertigung auf die Baustruktur ableiten. Eine Veränderung der Baustruktur beeinflusst die Herstellkosten, die Fertigungszeit und die Qualität der Bauteile. Diese können daher als Kriterium für die Bewertung einer Anpassung der Baustruktur herangezogen werden. Aus dem Einfluss der Eigenschaften der additiven Fertigung auf die Baustruktur lässt sich darüber hinaus ein methodisches Vorgehen zur Gestaltung der Baustruktur mittels Bauteilintegration und -trennung ableiten. Der Ansatz zur Gestaltung der Baustruktur sieht dabei zunächst eine Integration von Bauteilen durch die Nutzung der Potenziale der additiven Fertigung vor. Dies führt zu der zweiten Forschungsfrage: Wie kann die Auswahl von Bauteilen für eine Bauteilintegration unterstützt werden? Anhand der Literatur werden die für eine Bauteilintegration relevanten Informationen identifiziert und diese in einem Modell dargestellt. Dies ermöglicht die systematische Auswahl von Bauteilen für eine Bauteilintegration. Die Restriktionen werden hierbei bewusst nicht berücksichtigt, um einen möglichst hohen Grad der Bauteilintegration zu erreichen. Dies erweitert den Gestaltungsspielraum für die anschließende Bauteiltrennung. Die Bauteiltrennung greift dann gezielt die Restriktionen der additiven Fertigung auf und stellt abschließend die Fertigbarkeit der Bauteile sicher. Darüber hinaus können die Menge an Stützkonstruktionen, die Prozesszeit und damit die Herstellkosten durch die Bauteiltrennung beeinflusst werden. Hieraus ergibt sich die dritte und abschließende Forschungsfrage: Welchen Einfluss hat eine Bauteiltrennung auf die Kriterien Herstellkosten, Qualität und Fertigungszeit eines Bauteils und wo sollten Bauteile getrennt werden, um diese Kriterien zu optimieren? Zur Optimierung der Baustruktur hinsichtlich dieser Kriterien wird ein automatisiertes Programm entwickelt, welches eine Bauteiltrennung und -beurteilung verschiedener Varianten ermöglicht. Die Beantwortung dieser Forschungsfragen wird durch eine logische Verifikation gezeigt. Die entwickelte Methode zur Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung wird anhand von zwei Evaluationsbeispielen initial validiert. Um einen Einfluss der Methode auf die beschriebenen Herausforderungen zu zeigen, wird eine Nutzerstudie durchgeführt und abschließend die Herstellkosten der erarbeiteten Lösungen mit den Ausgangskonstruktionen verglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen damit eine fertigungsgerechte Gestaltung der Baustruktur durch Bauteilintegration und -trennung im Rahmen einer Anpassungskonstruktion.

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