Ein simulationsbasierter Ansatz zur Auslegung additiv gefertigter FLM-Faserverbundstrukturen Translated title: A simulation-based approach to Design for Additive Manufacturing of Fused Layer Modelling lightweight structures

Abstract

Additive Fertigungsverfahren erlauben große Designfreiheiten, die durch Design for Additive Manufacturing (DfAM) ausgeschöpft werden können. An AM-Leichtbauteile werden besonders hohe Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen gestellt. Hierfür eignen sich besonders Faser-Kunststoff-Verbunde. Mit dem Fused Layer Modelling-(FLM-)Verfahren lässt sich die ausgeprägte Anisotropie der Faser-Kunststoff-Verbunde im Vergleich zu anderen AM-Verfahren sehr zielgerichtet einsetzen. In dieser Dissertation wird daher ein strukturierter DfAM-Ansatz zur Auslegung kurzfaserverstärkter FLM-Leichtbauteile vorgestellt. Dieser berücksichtigt die orthotropen Materialeigenschaften zunächst durch eine Baurichtungsoptimierung, die den Kraftfluss im Bauteil möglichst planar in der Druckplattformebene führt. Anschließend folgt eine Topologieoptimierung mit orthotropem Materialmodell, die sowohl Außengestalt als auch Infill simultan optimiert. Eine Extrusionspfadgenerierung überführt Ergebnisse dann in druckbare Bauteile. Eine strukturmechanische FLM-Simulation erlaubt den Vergleich verschiedener FLM-Bauteile mit verschiedenen Infill-Mustern. Zur Demonstration wird ein Tragwerksknoten unter zwei Lastfällen mit dem neuen Ansatz optimiert. Die entstehende Geometrie; dieselbe Geometrie, jedoch mit anderen Infill-Mustern; und eine konventionell ausgelegte Variante werden mittels FLM-Simulation verglichen. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Steifigkeitsgewinn des neuen Ansatzes gegenüber konventionellen Alternativen, der Produktentwickelnde zudem strukturiert durch den DfAM-Prozess mit seinen herausfordernden Designfreiheiten führt.

Translated abstract

Additive Manufacturing (AM) offers great design freedom to be exploited by Design for Additive Manufacturing (DfAM). However, AM components for structural lightweight applications are subject to particularly high stiffness and strength requirements, which necessitate special material, process, and design engineering measures. Fibre-reinforced plastics (FRP) are especially suitable due to their high stiffness and strength. Moreover, the Fused Layer Modelling (FLM) process allows to exploit the pronounced anisotropy of FRP effectively. This thesis therefore presents a DfAM approach for short-fiber-reinforced lightweight structures. It considers the orthotropic properties of FLM components by build-up direction optimisation to keep the force flow as parallel to the printing platform as possible – and thus, to bypass low stiffness and strength between layers. This step is followed by a topology optimisation with orthotropic material model, which simultaneously optimises both the outer shape and in-plane projected inner material orientations. Subsequent extrusion path generation transforms the optimisation results into printable components. Finally, a simulation approach is presented to compare different FLM components with various infill patterns. For demonstration, a truss node is optimised under two load cases. The resulting geometry; the same geometry but with different infill patterns; and a conventionally designed variant are compared using the simulation approach. Results show a considerable stiffness gain of the new approach offering structured guidance for product developers.