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Über dieses Buch

Additive Fertigungsverfahren besitzen hohes Potential für die Entwicklung hochleitungsfähiger Bauteile in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Die hohe Anzahl an geometrischen Freiheitsgraden macht jedoch den Einsatz von Designalgorithmen unumgänglich. In der vorliegenden Arbeit wird das Generative Design von multiphysikalisch beanspruchten Bauteilen anhand von Kühlkörpern unter erzwungener Konvektion vorgestellt. Dies umfasst die systematische Entwicklung des geometrischen und simulativen Modells sowie die Optimierung zur Leistungssteigerung des Bauteils.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Im Zeitalter der Digitalisierung schreiten technische Entwicklungen in immer kürzeren Zyklen voran. Aus Sicht der produzierenden Industrie steigt die Nachfrage nach individuell maßgeschneiderten, innovativen Produkten, was in kürzeren Produktentwicklungszyklen resultiert [1–3]. In all diesen Produkten kommen Halbleiter zum Einsatz, welche ihre Leistung in Wärme umsetzen.
Arnd Struve

Kapitel 2. Stand der Technik

Zusammenfassung
Dieses Kapitel dient der Darstellung der relevanten Technologien und physikalischen Hintergründe. Da alle Untersuchungen im Kontext der Additiven Fertigung stehen, werden in Abschnitt 2.1 zunächst die grundlegenden Begrifflichkeiten und Prinzipien der Additiven Fertigung erläutert. Der Fokus liegt hierbei auf dem Laserstrahlschmelzen. Abschnitt 2.2 ist den Grundlagen der digitalen Prozesskette und dem algorithmengestützten Design gewidmet.
Arnd Struve

Kapitel 3. Methodisches Vorgehen

Zusammenfassung
Auf Grundlage des Stands der Technik (Kapitel 2) kann der Forschungsbedarf identifiziert werden. Hierzu gehört die Betrachtung kommerzieller Lösungen sowie verwandter Forschungsergebnisse, um die Ziele der Arbeit zu definieren und diese zu strukturieren.
Arnd Struve

Kapitel 4. Grundlagen der Automatisierung

Zusammenfassung
Bevor ein Designszenario automatisiert werden kann, muss zunächst der Ausgangszustand untersucht werden. Hieraus ergeben sich zu variierende Geometrieparameter, deren Grenzen sowie Optimierungsziele. Bei mechanischen Problemstellungen ist das Ziel in der Regel eine Minimierung der Verformung oder Einhaltung von Vergleichsspannungen in einem bestimmten Lastfall, welche numerisch vergleichsweise simpel zu bestimmen sind. Bei erzwungener Konvektion von Kühlkörpern ist das zugrundeliegende physikalische Modell bedeutend komplexer. Mithilfe der Experimente in den Abschnitten 4.1 und 4.2 wird zunächst ein Simulationsmodell des Ist-Zustandes entwickelt und hinsichtlich möglicher vereinfachender Annahmen untersucht, um die Berechnungszeit zu minimieren (Abschnitt 4.3).
Arnd Struve

Kapitel 5. Generatives Grundmodell

Zusammenfassung
Generatives Design kann durch Variation der Topologie sowie der direkten und indirekten Geometrieparameter erfolgen. In jedem Fall bedarf es eines Grundmodells, welches durch die Rand- und Nebenbedingungen bestimmt wird und anhand von Kontrollvariablen Designvarianten erzeugt (vgl. Abschnitt 2.2).
Arnd Struve

Kapitel 6. Automatisierung mittels Software

Zusammenfassung
In den vorangegangenen Kapiteln wurden die Grundlagen geschaffen, um mittels Generativem Design Kühlkörpervarianten zu erzeugen sowie ihre jeweiligen Herstellkosten und Wärmewiderstände zu bestimmen. Diese Schritte sind jedoch weitestgehend entkoppelt und bedürfen einer Verknüpfung mittels Software, welche die automatische Berechnung und Auswertung einer Vielzahl von Konstruktionsvarianten ermöglicht, sodass eine Optimierung durchgeführt und die bestmögliche Variante gefunden werden kann. Das Kapitel widmet sich daher der softwareseitigen Verknüpfung der Elemente anhand eines Minimalbeispiels.
Arnd Struve

Kapitel 7. Auswertung

Zusammenfassung
Die Individualisierung und Optimierung eines Kühlkörpers unter erzwungener Konvektion stellen eine besondere Herausforderung dar. Bei der Konstruktion eines neuen Kühlkörpermodells ist der Konstrukteur auf seinen Erfahrungsschatz angewiesen und lediglich in der Lage, einzelne Geometrieparameter isoliert zu optimieren. Der Aufwand ist entsprechend hoch, sodass derartige Anpassungen und Untersuchungen meist nur bei großen Stückzahlen zu rechtfertigen sind, welche wiederum an die entsprechenden Fertigungsverfahren und ihre spezifischen konstruktiven Einschränkungen gekoppelt sind und somit nicht das vollständige Potential ausschöpfen.
Arnd Struve

Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
Kompakte Wärmeübertrager stellen eine ideale Anwendung für die Additive Fertigung dar. Hochleistungsfähige Kühlkörper weisen komplexe Geometrien auf, welche durch konventionelle Fertigungsverfahren nur mit großer Mühe zu realisieren sind, jedoch für Additive Fertigungsverfahren keine Herausforderung darstellen. Insbesondere bei geringen Stückzahlen spielen AM-Verfahren wie das Laserstrahlschmelzen ihre Stärken aus. Der breiten Anwendung von maßgeschneiderten Wärmeübertragern steht der hohe manuelle Entwicklungsaufwand derselben entgegen. Diese Hemmnisse lassen sich langfristig nur durch Automatisierung und geeignete Softwarewerkzeuge überwinden.
Arnd Struve

Backmatter

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