Innovatives bionisches Spiegeldesign für hochdynamische Anwendungen

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Presseinformation ARGES GmbH: Die Topologieoptimierung ist ein sehr umfangreiches Instrument bei der Neuentwicklung von mechanischen Bauteilen. Neue Fertigungsverfahren und Materialien ermöglichen ein hohes Optimierungspotenzial bei Scannerspiegeln. Mittels Simulation können diese optischen Elemente für hochdynamische Anwendungen in der Strahlumlenkung deutlich verbessert werden.

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LEICHTGEWICHTIGE SPIEGELSUBSTRATE AUS ALUMINIUM
Bereits in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekt wurde die Verwendung von Aluminium-Silizium-Legierungen (AlSi) als Spiegelsubstrat untersucht. Bisher sind Lösungen aus Beryllium oder Keramiken im hochdynamischen Einsatz etabliert. Diese Werkstoffe sind bezüglich der toxischen Eigenschaft des Berylliumoxides und der großen Härte und Bearbeitungsgrenzen bei Keramiken mit sehr hohen Kosten verbunden.

Aluminium-Silizium-Substrate lassen sich mit konventionellen Methoden herstellen, wodurch ein Leichtbau bei Spiegeln möglich wird. Ein gewichtreduziertes AlSi40 Spiegelpaar, ist in Abbildung 1 zu erkennen.

MAXIMALE LEISTUNGSFÄHIGKEIT DANK SIMULATION
Seit einigen Jahren werden bei der ARGES GmbH mechanische Komponenten in der Entwicklung, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. Dabei kommt eine große Bandbreite an Simulationstechniken zum Tragen. Zum einen werden einzelne Bauteile auf Basis der jeweiligen Beanspruchungen und Randbedingungen analysiert. Hier stehen lineare, dynamische und statische Simulationen im Vordergrund. Dagegen eröffnen nichtlineare, dynamische Simulationen einen Blick in die extrem schnellen Bewegungen der Spiegelsysteme. Zum anderen werden auch Prozesse, wie beispielsweise das Laserhärten von Stählen in der Simulation abgebildet, um ideale Prozessparameter zu ermitteln.

Bei der Neuentwicklung von opto-mechanischen Komponenten ist es wichtig ein robustes und leistungsstarkes Design zu generieren. Die Finite-Elemente-Methode (FEM), in Verbindung mit der Topologieoptimierung ermöglicht die automatisierte, simulationsgestützte Verbesserung von Bauteilen. Die Software übernimmt den iterativen Optimierungsprozess, nachdem die Randbedingungen, Belastungen, Fertigungsrestriktionen und Designgrenzen festgelegt wurden. Das Material wird sukzessive an den Stellen entfernt, welche nicht im Kraftfluss stehen. Am Ende des Optimierungsprozesses wird eine geglättete Fläche generiert, die das ideal verteilte Material repräsentiert.

KEINE SIMULATION AUF KNOPFDRUCK
Die Topologieoptimierung setzt die korrekte Anbringung von Randbedingungen, Belastungen und Designgrenzen voraus. Zur Verifikation des Optimierungsalgorithmus werden Simulationen anhand von Minimalbeispielen durchgeführt.

Hierzu wird im ersten Schritt das Spiegelmodell als ebene, zweidimensionale und symmetrische Platte approximiert. Der dazugehörige Dreiviertelschnitt ist in Abbildung 2 zu erkennen. Die Platte wird so eingespannt, dass es der Symmetrieebene des Spiegels entspricht. Die Reflexionsfläche (grau) wird vom Designraum (blau) ausgenommen.

Die zweidimensionale Optimierung wird für verschiedene Lasten durchgeführt. Dazu zählt eine Kraft F (am äußeren Rand des Spiegels), ein Druck p (wirkt auf der vollständigen Reflexionsfläche), eine Beschleunigung g (senkrecht zur Reflexionsfläche) und eine Winkelbeschleunigung φ um den Drehpunkt des Spiegels. Die Modelle werden in Tabelle 3 nochmals erläutert.

Es wird ersichtlich, dass sich für verschiedene vorgegebene Zielfunktionen und Restriktionen, wie Masse oder Massenträgheitsmoment, auch unterschiedliche, optimale Stützstrukturen ergeben. Die Interpretation der Ergebnisse und Prüfung der Plausibilität ist essentiell, um auch dreidimensionale Strukturen korrekt optimieren zu können.

3D TOPOLOGIEOPTIMIERUNG UND ADDITIVE FERTIGUNG
Um eine gute Lösung auch im dreidimensionalen Fall zu erhalten, muss der Designraum (vgl. Abbildung 2, transparentes Volumen) sehr fein aufgelöst werden. Dies bedeutet in der Simulation eine große Anzahl an diskreten Berechnungspunkten bzw. Elementknoten. In der Regel werden Simulationen mit bis zu 1,5 Mio. Freiheitsgraden (DOFs) erstellt. Eine Konvergenz wird beim sensitivitätsbasierten Optimierungsalgorithmus nach ca. 80 Berechnungsiterationen erreicht. Es ist ersichtlich, dass es sich dabei um sehr ressourcenfordernde Simulationen handelt.

WEITERE VORGEHENSWEISE
Im weiteren Verlauf des Projekts wird das bisher einzige Optimierungsziel – maximale Steifigkeit – um zusätzliche Ziele erweitert. Hierzu zählen verschiedene Lasten, die während des Fertigungsprozesses entstehen, wie z. B. auftretende Schubspannungen infolge der aufgebrachten hochreflektierenden Beschichtungssysteme auf der Reflexionsfläche. Des Weiteren werden thermische Verformungen, aufgrund von absorbierter Laserstrahlung während der hochdynamischen Applikation, untersucht. Das Ziel ist hier die Reduktion der Verformung der optischen Oberfläche bereits im Design.

Ebenfalls wird das optimierte Design des additiv gefertigten Spiegels mit aktuell erhältlichen Substraten verglichen und diesen gegenübergestellt.

Die additive Fertigung zeichnet sich durch das große Spektrum an Möglichkeiten aus. Da die dynamischen Anforderungen an das Scansystem gleichzeitig die wirkenden Lasten auf die Spiegelsubstrate definieren, kann mit dieser neuartigen Fertigungstechnologie eine hohe Individualität erreicht werden. Somit können sehr gezielte Kundenanforderungen realisiert werden.

BEKANNTMACHUNG
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Themenfeldes „Additive Fertigung – Individualisierte Produkte, komplexe Massenprodukte, innovative Materialien (ProMat_3D)“ gefördert.
Mit der Abwicklung der Fördermaßnahme hat das BMBF seinen Projektträger Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beauftragt.

AUTOR: Patrick Stolarczyk

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