Mehrzieloptimierung der Bauteilorientierung für Anwendungen der Rapid-Technologie

Aufgrund des Alleinstellungsmerkmals der nahezu werkzeuglosen generativen Bauteilherstellung mit signifikanter Gestaltungsfreiheit haben die Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Rapid-Technologie dazu geführt, dass neben der Erzeugung physischer Prototypen (Rapid Prototyping) die schnelle Herstellung marktfähiger Produkte mit serienidentischen oder seriennahen Eigenschaften (Rapid Manufacturing) möglich ist. Einhergehend mit den Verfahrensverbesserungen und der zunehmenden Vielseitigkeit in der Anwendung ist jedoch auch die Anzahl verfahrensspezifischer Wechselwirkungen und somit insgesamt die Komplexität der Prozessvorbereitung angestiegen. Einen wesentlichen Bestandteil der Vorbereitungsmaßnahmen stellt die geeignete Auswahl der Bauteilorientierung dar.

In dieser Arbeit werden daher die bei der Wahl der Orientierung zu berücksichtigenden Einflusskriterien (z. B. Treppenstufeneffekt) quantifiziert und mit Hilfe mathematischer Modelle entsprechende Gütekriterien definiert. Die erarbeiteten Zusammenhänge zwischen diesen Kennwerten und den Suchvariablen erlauben schließlich eine auf Regeln und geometrische Analyse gestützte Auswahl einer Bauteilorientierung unter Berücksichtigung qualitativer und wirtschaftlicher Aspekte.

Zur Umsetzung entsprechender Optimierungsstrategien werden durch Abstraktion des Optimierungsproblems auf eine zunächst rein mathematische Ebene zahlreiche Routinen der algorithmischen Geometrie entwickelt und angewendet. Zur Realisierung einer Multiziel-Optimierung hinsichtlich der Bauteilorientierung unter Beachtung fertigungstechnischer sowie funktionaler Randbedingungen in vertretbaren Antwortzeiten, kommt ein genetischer Algorithmus zum Einsatz. Die entwickelten Algorithmen zur Lösung geometrischer Teilaufgaben werden schließlich durch zahlreiche Anwendungsbeispiele hinsichtlich ihrer Ergebnisqualität und allgemeinen Anwendbarkeit validiert. Wesentliches Merkmal des Optimierungsmodells ist das Fehlen jeglicher Restriktionen.

Das hier vorgestellte Konzept zur multikriteriellen Optimierung der Bauteilorientierung ermöglicht für unterschiedliche Fertigungsziele die qualitative sowie quantitative Vorhersage der Prozess- und Bauteilqualität durch Simulation des Fertigungsprozesses. Durch den praktischen Bezug lässt sich das entwickelte Optimierungsmodell im Konstruktionsprozess zur Reduzierung der Produktentwicklungszeiten und zur Erschließung neuer Potenziale in der Rapid-Technologie durch Schließung der CAD-RP/RM-Kette einsetzen.