Durch die neue Schweißfunktionalität in Creo 4, welche es ermöglicht Schweißnähte als Volumengeometrie zu modellieren, entstehen viele neue Möglichkeiten zur Berechnung der Spannungen innerhalb der Schweißnähte. Damit einhergehend entstehen neue Möglichkeiten zur Berechnung und Evaluierung dieser Schweißnähte nach den Richtlinien der FKM. Die Berechnung anhand der FKM-Richtlinien soll hierbei anhand der zwei Simulationstools Creo Simulate und Ansys Simulation dargestellt werden.

In der Dissertation erfolgt die methodische Einbindung von Wirtschaftlichkeitsaspekten und Gestaltungsempfehlungen für das selektive Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) mit der Titanlegierung Ti6Al4V in den Konstruktionsprozess. Hierzu werden Werkzeuge und Methoden erarbeitet um die Wirtschaftlichkeit des EBM-Prozesses anhand bestimmter Entwurfsparameter aus dem Produktentwicklungsprozess zu bewerten, ohne eine konkrete, additive Gestalt entwickeln zu müssen. Zudem werden anhand verschiedener Demonstratoren die Fertigungsgrenzen des Verfahrens speziell an der Titanlegierung Ti6Al4V erprobt. Infolge dessen erfolgt die Eingliederung des EBM Verfahrens in die Allgemein- und Grundtoleranzen sowie die Erarbeitung eines von Gestaltungsempfehlungen und eines umfassenden Konstruktionskataloges. Anhand von 3 Leichtbauanwendungen ist abschließend das Potenzial des EBM in Verbindung mit der Topologie- bzw. Strukturoptimierung dargestellt worden.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Begrifflichkeiten und Normung der additiven Fertigung 2.2 Das selektive Elektronenstrahlschmelzen 2.2.1 Prozessbeschreibung 2.2.2 Einflussfaktoren auf die Bauteilfertigung beim EBM 2.2.3 Nachbearbeitung 2.3 Produktgestaltung im Kontext der additiven Fertigung 2.3.1 Potenziale bei der additiven Produktgestaltung für EBM 2.3.2 Leichtbau in der Produktentwicklung 2.3.3 Strukturoptimierung in Verbindung mit der additiven Fertigung 2.3.4 Modelldatenerzeugung und deren Umwandlung 2.4 Design for Additive Manufacturing 2.4.1 Gestaltungsregeln der pulverbettbasierten additiven Fertigung 2.4.2 Gestaltungsrichtlinien für EBM 2.4.3 Maß-, Form- und Lagetoleranzen 2.5 Potenzialbewertung und Kostenabschätzung 2.5.1 Potenzialbewertung der additiven Fertigung 2.5.2 Kostenkalkulation 2.6 Zusammenfassung zum Stand der Technik 3 Methode zur Bewertung des EBM als potenzielles Fertigungsverfahren 3.1 Potenzialabschätzung für das EBM 3.1.1 Verfahrenspotenziale des EBM 3.1.2 Verfahrenspotenzialbewertung des Anwenders 3.1.3 Randbedingungen aus dem Produktentwicklungsprozess 3.1.4 Berechnungen des Potenzials 3.1.5 Ergebnis, Handlungsempfehlungen und Validierung 3.2 Bewertung der Wirtschaftlichkeit des EBM 3.2.1 Bauzyklus- und Bauteilherstellungskosten 3.2.2 Ermittlung der maximalen Bauteilanzahl pro Bauzyklus 3.2.3 Material- und Fertigungskosten 4 Erarbeitung geometrischer Grenzen des EBM 4.1 Geltungsbereich der Gestaltungsempfehlungen 4.1.1 Ausgangswerkstoff 4.1.2 Anlagen- und Prozessparameter 4.2 Mess- und Auswertestrategien 4.3 Allgemeine Verfahrensgenauigkeit innerhalb der Anlage 4.3.1 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage A2X 4.3.2 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage Q20plus 4.3.3 Zwischenfazit 4.4 Minimal mögliche Strukturen beim EBM 4.4.1 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.2 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 45° zur Bauebene 4.4.3 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.4 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.5 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.6 Minimale Wandstärke in Baurichtung 4.4.7 Minimaler Spaltabstand in Baurichtung 4.4.8 Winkeltreue an Downskin-Flächen 4.4.9 Minimale Wandstärke überhängender Strukturen 4.4.10 Zwischenfazit und -diskussion 4.5 Pulverentfernung 4.5.1 Versuchsauswertung zur Pulverentfernung 4.5.2 Maßhaltigkeit der Rohröffnungen des Demonstrators 4.6 Überhanguntersuchungen 4.6.1 Kritischer Überhangwinkel 4.6.2 Kritische freitragende Überhanglänge 4.6.3 Zwischenfazit und Diskussion 4.7 Einfluss der Stützstruktur auf die Bauteilqualität 4.8 Minimalmaß lasttragender Strukturen 4.8.1 Festigkeit schmaler Strukturen 4.8.2 Zwischenfazit und Diskussion 4.9 Gestaltungsempfehlungen für EBM 4.9.1 Geometrische Genauigkeit und Allgemeintoleranz des EBM 4.9.2 Konstruktionskatalog für das EBM 4.9.3 Diskussion und Implikation der Ergebnisse 5 Angewandte Strukturoptimierung 5.1 Main Gear Bracket (MGB) 5.1.1 Auslegungsgrundlagen 5.1.2 Strukturoptimierungsprozess 5.1.3 Festigkeitsnachweise 5.1.4 Fertigung 5.2 Formula Student Lenkstockhalter (FSL) 5.3 Flight Crew Rest Compartment Bracket (FCRC) 5.4 Zusammenfassung zur Strukturoptimierung 5.5 Beispielhafte Umsetzung der Kostenabschätzung 6 Zusammenfassung der Arbeit 7 Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis Anlagen / In this dissertation the methodical integration of economic aspects and design recommendations for selective electron beam melting (SEBM) with the titanium alloy Ti6Al4V into the design process is carried out. For this purpose, tools and methods are developed to evaluate the economic efficiency of the EBM process on the basis of certain design parameters from the product development process, without having to develop a concrete, additive design. In addition, the manufacturing limits of the process are tested using various demonstrators, especially on the titanium alloy Ti6Al4V. As a result, the EBM process is integrated into the general and basic tolerances and a design recommendation and a comprehensive design catalogue are developed. Finally, the potential of EBM in connection with topology and structural optimisation was demonstrated on the basis of 3 lightweight construction applications.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Begrifflichkeiten und Normung der additiven Fertigung 2.2 Das selektive Elektronenstrahlschmelzen 2.2.1 Prozessbeschreibung 2.2.2 Einflussfaktoren auf die Bauteilfertigung beim EBM 2.2.3 Nachbearbeitung 2.3 Produktgestaltung im Kontext der additiven Fertigung 2.3.1 Potenziale bei der additiven Produktgestaltung für EBM 2.3.2 Leichtbau in der Produktentwicklung 2.3.3 Strukturoptimierung in Verbindung mit der additiven Fertigung 2.3.4 Modelldatenerzeugung und deren Umwandlung 2.4 Design for Additive Manufacturing 2.4.1 Gestaltungsregeln der pulverbettbasierten additiven Fertigung 2.4.2 Gestaltungsrichtlinien für EBM 2.4.3 Maß-, Form- und Lagetoleranzen 2.5 Potenzialbewertung und Kostenabschätzung 2.5.1 Potenzialbewertung der additiven Fertigung 2.5.2 Kostenkalkulation 2.6 Zusammenfassung zum Stand der Technik 3 Methode zur Bewertung des EBM als potenzielles Fertigungsverfahren 3.1 Potenzialabschätzung für das EBM 3.1.1 Verfahrenspotenziale des EBM 3.1.2 Verfahrenspotenzialbewertung des Anwenders 3.1.3 Randbedingungen aus dem Produktentwicklungsprozess 3.1.4 Berechnungen des Potenzials 3.1.5 Ergebnis, Handlungsempfehlungen und Validierung 3.2 Bewertung der Wirtschaftlichkeit des EBM 3.2.1 Bauzyklus- und Bauteilherstellungskosten 3.2.2 Ermittlung der maximalen Bauteilanzahl pro Bauzyklus 3.2.3 Material- und Fertigungskosten 4 Erarbeitung geometrischer Grenzen des EBM 4.1 Geltungsbereich der Gestaltungsempfehlungen 4.1.1 Ausgangswerkstoff 4.1.2 Anlagen- und Prozessparameter 4.2 Mess- und Auswertestrategien 4.3 Allgemeine Verfahrensgenauigkeit innerhalb der Anlage 4.3.1 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage A2X 4.3.2 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage Q20plus 4.3.3 Zwischenfazit 4.4 Minimal mögliche Strukturen beim EBM 4.4.1 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.2 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 45° zur Bauebene 4.4.3 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.4 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.5 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.6 Minimale Wandstärke in Baurichtung 4.4.7 Minimaler Spaltabstand in Baurichtung 4.4.8 Winkeltreue an Downskin-Flächen 4.4.9 Minimale Wandstärke überhängender Strukturen 4.4.10 Zwischenfazit und -diskussion 4.5 Pulverentfernung 4.5.1 Versuchsauswertung zur Pulverentfernung 4.5.2 Maßhaltigkeit der Rohröffnungen des Demonstrators 4.6 Überhanguntersuchungen 4.6.1 Kritischer Überhangwinkel 4.6.2 Kritische freitragende Überhanglänge 4.6.3 Zwischenfazit und Diskussion 4.7 Einfluss der Stützstruktur auf die Bauteilqualität 4.8 Minimalmaß lasttragender Strukturen 4.8.1 Festigkeit schmaler Strukturen 4.8.2 Zwischenfazit und Diskussion 4.9 Gestaltungsempfehlungen für EBM 4.9.1 Geometrische Genauigkeit und Allgemeintoleranz des EBM 4.9.2 Konstruktionskatalog für das EBM 4.9.3 Diskussion und Implikation der Ergebnisse 5 Angewandte Strukturoptimierung 5.1 Main Gear Bracket (MGB) 5.1.1 Auslegungsgrundlagen 5.1.2 Strukturoptimierungsprozess 5.1.3 Festigkeitsnachweise 5.1.4 Fertigung 5.2 Formula Student Lenkstockhalter (FSL) 5.3 Flight Crew Rest Compartment Bracket (FCRC) 5.4 Zusammenfassung zur Strukturoptimierung 5.5 Beispielhafte Umsetzung der Kostenabschätzung 6 Zusammenfassung der Arbeit 7 Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis Anlagen

In der fleischverarbeitenden Industrie gibt es eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen. Kuttermesser stehen hierbei in der Prozesskette weit hinten und haben einen direkten Einfluss auf die Qualität des Endprodukts. Der Prozess des Kutterns ist bislang nicht komplett analytisch geklärt. Während des Vorgangs durchläuft das Schneidgut (i.A. das Fleisch bzw. das Brät) wechselnde Aggregatzustände von fester (leicht gefrorener) Form hin zum zähviskosen Zustand. Weiterhin ist es permanentem korrosiven Kontakt ausgesetzt. Die Komplexität macht eine analytische Herangehensweise äußerst aufwendig, sodass sich mittels der FEM durch numerisches Vorgehen und Lastannahmen aus Untersuchungen diesem Problem gewidmet wird. Dabei sind bislang nicht bekannte Potentiale zu erkennen. Hierbei wurden verschiedene Vernetzungsstrategien (p- und h-Methode) der FEM angewandt und verglichen. Es sind dabei Materialreduktionen bis knapp 30% ersichtlich.

Zweitveröffentlichung, ursprünglich veröffentlicht: Jonas Holley: Stress-Constrained Topology Optimization with Application to the Design of Electrical Machines. München: Verlag Dr. Hut, 2023, 199 Seiten, Dissertation Humboldt-Universität Berlin (2023). ISBN 978-3-8439-5378-8 / Während des Designprozesses physischer Gegenstände stellt die mechanische Stabilität in nahezu jedem Anwendungsbereich eine essentielle Anforderung dar. Stabilität kann mittels geeigneter Kriterien, die auf dem mechanischen Spannungstensor basieren, mathematisch quantifiziert werden. Dies dient dem Ziel der Vermeidung von Schädigung in jedem Punkt innerhalb des Gegenstands. Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einer Methode zur Lösung von Designoptimierungsproblemen mit punktweisen Spannungsrestriktionen. Zunächst wird eine Regularisierung des Optimierungsproblems eingeführt, die einen zentralen Baustein für den Erfolg einer Lösungsmethode darstellt. Nach der Analyse des Problems hinsichtlich der Existenz von Lösungen wird ein Gradientenabstiegsverfahren basierend auf einer impliziten Designdarstellung und dem Konzept des topologischen Gradienten entwickelt. Da der entwickelte Ansatz eine Methode im Funktionenraum darstellt, ist die numerische Realisierung ein entscheidender Schritt in Richtung der praktischen Anwendung. Die Diskretisierung der Zustandsgleichung und der adjungierten Gleichung bildet die Basis für eine endlich-dimensionale Version des Optimierungsverfahrens. Im letzten Teil der Arbeit werden numerische Experimente durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des entwickelten Algorithmus zu bewerten. Zunächst wird das Problem des minimalen Volumens unter punktweisen Spannungsrestriktionen anhand der L-Balken Geometrie untersucht. Ein Schwerpunkt wird hierbei auf die Untersuchung der Regularisierung gelegt. Danach wird das multiphysikalische Design einer elektrischen Maschine adressiert. Zusätzlich zu den punktweisen Restriktionen an die mechanischen Spannungen wird die Maximierung des mittleren Drehmoments berücksichtigt, um das elektromagnetische Verhalten der Maschine zu optimieren. Der Erfolg der numerischen Tests demonstriert das Potential der entwickelten Methode in der Behandlung realistischer industrieller Problemstellungen. / In the process of designing a physical object, the mechanical stability is an essential requirement in nearly every area of application. Stability can be quantified mathematically by suitable criteria based on the stress tensor, aiming at the prevention of damage in each point within the physical object. This thesis deals with the development of a framework for the solution of optimal design problems with pointwise stress constraints. First, a regularization of the optimal design problem is introduced. This perturbation of the original problem represents a central element for the success of a solution method. After analyzing the perturbed problem with respect to the existence of solutions, a line search type gradient descent scheme is developed based on an implicit design representation via a level set function. The core of the optimization method is provided by the topological gradient, which quantifies the effect of an infinitesimal small topological perturbation of a given design on an objective functional. Since the developed approach is a method in function space, the numerical realization is a crucial step towards its practical application. The discretization of the state and adjoint equation provide the basis for developing a finite-dimensional version of the optimization scheme. In the last part of the thesis, numerical experiments are conducted in order to assess the performance of the developed algorithm. First, the stress-constrained minimum volume problem for the L-Beam geometry is addressed. An emphasis is put on examining the effect of the proposed regularization. Afterwards, the multiphysical design of an electrical machine is addressed. In addition to the pointwise constraints on the mechanical stress, the maximization of the mean torque is considered in order to improve the electromagnetic performance of the machine. The success of the numerical tests demonstrate the potential of the developed design method in dealing with real industrial problems.

Die neuen Fertigungsmöglichkeiten durch die Additive Fertigung ermöglicht es nicht nur topologisch neuartige Bauteile herzustellen, sondern auch Bauteile mit inneren Strukturen zu versehen, die der Bauteilbelastung angepasst sind oder anderen Funktionen Freiräume bieten. Ein Ansatz ist es durchlässige innere Strukturen, z. B. Gitterstrukturen (auch als Lattice Strukturen bezeichnet) einzusetzen und durch die damit geschaffenen großen inneren Flächen eine effiziente Bauteilkühlung zu realisieren. Anhand eines einfachen Beispiels wird durch Simulation und Experiment die Wirkung einer solchen Kühlung gezeigt. Als weiteres Anwendungsbeispiel wird der Einsatz verschiedener innere Strukturen zur festigkeitsgerechten Gestaltung gewichtsoptimierter Bauteile vorgestellt. In beiden Fällen wird die Gestaltung mit Hilfe von FE-Modellen experimentell begleitet. / The new manufacturing possibilities offered by additive manufacturing not only allows to produce topologically novel components, but also enables to provide components with internal structures that are adapted to the component load or offer new possibilities for other functions. One approach is to use permeable internal structures, e. g. lattice structures, to realize efficient component cooling through the large internal surfaces created thereby. The effect of such a cooling is demonstrated by simulations and experiments using a simple example. As a further application example, the use of various internal structures for the strength-oriented design of weight-optimized components will be presented. In both cases the design is experimentally accompanied by FE models.

Topologieoptimierte Geometrie wird vom Konstrukteur in einem Format benötigt, das im CAD verwendet werden kann. Die Herausforderung ist, dass man als Optimierungsergebnis eine STL-Geometrie bekommt, doch fürs CAD soll die Oberfläche möglichst glatt und vereinfacht sein. Die Software MSC Apex erzeugt aus einer STL-Geometrie eine echte, geglättete Parasolid-Geometrie. Eine spezielle Form der Topologieoptimierung ist die Topometrieoptimierung, welche die Rippenstruktur auf einem Blech vorschlägt. Auch hierfür ist Geometrierückführung möglich. Auch stark verformte Bauteile, z.B. Gummiteile, kann man als Geometrie im verformten Zustand ans CAD zurückgeben, um zu sehen, wie sie dann in die Baugruppe passen. / Topology optimized geometry must be provided to the designer in a format that can be used in CAD. The challenge is that the optimization result is typically an STL geometry, but for CAD the surface should be as smooth and simplified as possible. The MSC Apex software creates a real, smoothed parasolid geometry from an STL geometry. A special form of topology optimization is topometry optimization, which suggests the rib structure on a sheet. Reverse engineering is also possible for this. Even heavily deformed components, e.g. rubber parts, can be returned to CAD as geometry in the deformed state, to see how they fit into the assembly in this state.

Die rechnergestützte Topologieoptimierung wird zur Gestaltoptimierung, also im Wesentlichen zur Gewichtsreduktion von Bauteilen oder komplexeren Strukturen eingesetzt. Da die Funktionalität im Rahmen von FEM-Programmen zur Verfügung gestellt wird, erfordert sie umfangreiche Kenntnisse zur Bedienung der Software und der festigkeitstechnischen Grundlagen und wird daher überwiegend von Berechnungsexperten im rein technischen Kontext im Maschinenbau oder Luft- und Raumfahrzeugbau angewendet. Allerdings zeigen vereinzelte Arbeiten wie die Sitzmöbel »Bone Furniture«, die aus einer Zusammenarbeit des Studios »Joris Laarman Lab« mit Opel resultieren (Laarman 2006, Abbildung 1), dass derartige Methoden für das Design interessant sein können. [... aus der Einleitung]

Der Software-Hersteller CAESS (PTC Partner Advantage, Silver) hat eine neue Version der Topopologie-Optimierungs-Lösung ProTOp auf den Markt gebracht. Die Software zeichnet sich aus durch neue Elemente wie: • Intuitive Benutzer-Oberfläche • Verwendung von 'Shell-, Lattice-'Strukturen • Nichtlinearitäten: Kontakte, Vorspannung, elastoplastisches Material • Extrem schnelle Gleichungslösung • Flächen-Glättung • Flächen-Rückführung mit .obj-Daten (wavefront) ins CAD

Die Topologieoptimierung ist die Suche einer optimalen Bauteilgeometrie in Abhängigkeit des Einsatzfalls. Für komplexe Probleme kann die Topologieoptimierung aufgrund eines hohen Detailgrades viel Zeit- und Rechenkapazität erfordern. Diese Nachteile der Topologieoptimierung sollen mittels Deep Learning reduziert werden, so dass eine Topologieoptimierung dem Konstrukteur als sekundenschnelle Hilfe dient. Das Deep Learning ist die Erweiterung künstlicher neuronaler Netzwerke, mit denen Muster oder Verhaltensregeln erlernt werden können. So soll die bislang numerisch berechnete Topologieoptimierung mit dem Deep Learning Ansatz gelöst werden. Hierzu werden Ansätze, Berechnungsschema und erste Schlussfolgerungen vorgestellt und diskutiert.

Von der Professur Montage- und Handhabungstechnik der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz wird seit 2009 das jährliche Simulationsanwendertreffen SAXSIM organisiert. Ausgewählte Beiträge werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. Das 10. Anwendertreffen SAXSIM fand am 22.03.2018 an der TU Chemnitz statt. / The Chair of Assembly and Handling Technology, which belongs to the Faculty of Mechanical Engineering, has organized the annual simulation user meeting SAXSIM since 2009. Select contributions will be published in conference proceedings. The 10th SAXSIM user meeting took place at Technische Universität Chemnitz on March 22, 2018.