Simulation und Optimierung von additiv gefertigter Keramik

Das Potential der Additiven Fertigung, das durch geometrische Freiheiten der Gestaltung gegeben ist, wird bisher haufig nur unter Design Aspekten genutzt. Zur Konstruktion keramischer Bauteile sind viele Heuristiken und Richtlinien vorhanden, es mangelt jedoch an einer analytischen Herangehensweise und Vergleichskriterien. Die gezielte Reduzierung der Masse, ohne Einbuse des Einsatzverhaltens, ist fur Keramik kommerziell noch nicht umgesetzt. Auf Grundlage einer Anpassung fur Bauteile aus Stahl wurde daher eine anwendungsspezifische Topologieoptimierung keramischer Bauteile entwickelt, um das Potential des 3D-Drucks fur keramische Komponenten konsequent zu nutzen. Als besondere Herausforderung galt es, die beim Sinterprozess auftretenden Schwindungen zu berucksichtigen und die richtungsabhangigen Materialeigenschaften gedruckter Keramik zu berucksichtigen. Beispielsweise mussen, um Risse zu vermeiden, grose Masseunterschiede innerhalb eines Bauteils vermieden werden und trotzdem eine Gewichts- und Grosenreduktion erreicht werden. Das anwendungsoptimierte Bauteil wurde in einem zweiten Schritt ein weiteres Mal topologieoptimiert, diesmal mit einem fertigungsspezifischen Bezug. Insbesondere beachtet wurden die Vorgange beim Sintern. Da zu diesem Vorgang noch keine Standardmodellierung vorlag, werden eine Modellierung und ein numerisches Berechnungsverfahren entwickelt. Hierzu wurden physikalische Tests wie Biegeprufungen und E-Modulbestimmungen und Ermittlungen der Oberflachenrauigkeit durchgefuhrt und in die Simulation eingepflegt. Ziel der Topologieoptimierung sind die Reduktion von Spannungen im Bauteil und die Wahrung der Form nach dem Sintern. Das Ergebnis der Topologieoptimierung ist nicht das fertige Bauteil, sondern der zu druckende Grunling.