Generativer Entwurf: Gebläsekoppler-Optimierung für alveo

Übersicht

Das IMT optimierte eine Gebläsekupplung für alveo und legte dabei Wert auf minimalen Druckverlust, Materialeffizienz und eine strömungsoptimierte Geometrie. Durch den Einsatz von generativem Design und additiver Fertigung konnte der Differenzdruck bei geringerem Materialeinsatz um 13 % reduziert werden.

Abbildung 1: alveo Gebläsebaugruppe mit Gebläsekupplung

Hintergrund

Die Entwicklung komplexer mechanischer Komponenten erfordert innovative Methoden zur Verbesserung von Effizienz und Leistung. Das IMT setzte generatives Design ein, um die Gebläsekupplung für alveo zu optimieren, mit dem Ziel, den Differenzdruck und das interne Volumen zu reduzieren und gleichzeitig den Materialverbrauch zu minimieren. Alle Designvarianten wurden additiv gefertigt und getestet, um die beste Lösung zu validieren. Dabei wurde eine Reduzierung des Differenzdrucks um 13 % im Vergleich zum ursprünglichen Design erreicht. Dieser Erfolg unterstreicht, dass das volle Potenzial des generativen Designs erst durch die additive Fertigung realisiert werden kann, die strömungsoptimierte Strukturen ermöglicht.

Einführung

An moderne medizintechnische Geräte werden immer höhere Anforderungen an Leistung und Ressourceneffizienz gestellt. IMT wurde mit der Entwicklung einer Gebläsekupplung für einen Lungensimulator beauftragt, der für das Tochterunternehmen IMT Analytics entwickelt wurde. Ziel war es, den Druckverlust und das interne Volumen minimize und gleichzeitig die Materialien effektiv zu nutzen. Dies wurde durch herkömmliche Konstruktionsverfahren und den Einsatz von Werkzeugen wie Autodesk Fusion 360, einer Software für computergestütztes Design (CAD), und Ansys FLUENT, einer Software für numerische Strömungsmechanik (CFD), erreicht.

Was ist generatives Design?

Beim generativen Design werden Algorithmen und künstliche Intelligenz eingesetzt, um optimierte Bauteilgeometrien zu erstellen. Die Ingenieure legen die Bedingungen fest, z. B. strömungstechnische Anforderungen und Materialbeschränkungen, während die Software mehrere potenzielle Lösungen generiert, die von natürlichen Strukturen inspiriert sind. Die beste Geometrie wird durch iterative Simulationen ermittelt. Diese Methode ist besonders effektiv bei der additiven Fertigung, mit der komplexe Formen hergestellt werden können, die bei der herkömmlichen Fertigung nicht möglich sind.

Optimierung durch generatives Design

Abbildung 2: Iterationen des Gebläsekopplers

1. Manueller Entwurf und Simulation

Ein erfahrener Ingenieur modellierte zunächst eine konventionelle Geometrie für die Gebläsekupplung. Diese wurde mit FLUENT simuliert und getestet. Die erste Version wurde dann additiv gefertigt und genau vermessen, um genaue Daten zur Validierung der Simulation zu erhalten.

2. Generativer Entwurf mit Fusion 360

Dieselbe Aufgabe wurde an einen generativen Designalgorithmus in Fusion 360 übergeben. Die generierte Form wurde ebenfalls simuliert, anschließend additiv gefertigt und gemessen. Die Testergebnisse zeigten, dass diese Variante aufgrund ungeeigneter Eingabeparameter, wie falscher strömungstechnischer Anforderungen und Materialbeschränkungen, schlechter abschnitt als das manuell entwickelte Modell.

Abbildung 3: Durch generativen Entwurf erzeugte Kupplungsvarianten

Durch die Korrektur der Parameter konnten die Ergebnisse verbessert werden. Zusätzlich wurden Gitterstrukturen implementiert, um den Materialeinsatz weiter zu optimieren. Diese Gitterstrukturen führen zu einer erheblichen Gewichts- und Materialeinsparung bei gleichzeitiger Wahrung der strukturellen Integrität. Solche Konstruktionen waren besonders bei strömungsoptimierten Bauteilen von Vorteil, da sie eine gleichmäßige Verteilung des Luftstroms fördern.

Abbildung 4: Materialreduzierung durch Gitterstruktur

3. Fein-Optimierung

Bei der letzten Iteration wurde die Form durch Mesh-Morphing in FLUENT optimiert.

Diese Version wurde additiv gefertigt und vermessen. Das Ergebnis war eine Reduzierung des Differenzdrucks um 13 % bei geringerem Materialeinsatz, gleichem Volumen, veränderten Wandstärken und der Einführung einer Gitterstruktur zur weiteren Leistungssteigerung. Diese optimierte Form konnte nur durch additive Fertigung erreicht werden, da herkömmliche Verfahren keine derart komplexen, strömungsoptimierten Strukturen erzeugen können

In der letzten Iteration wurde die ingenieurmäßige Form mit zusätzlichen Optimierungen durch Mesh Morphing in FLUENT kombiniert. Bei diesem Prozess wurde die Geometrie auf der Grundlage der Ergebnisse der ersten Simulationen verfeinert, was zu einem effizienteren und effektiveren Entwurf führte.

Abbildung 5: Endgültiger Entwurf

Schlussfolgerung

Generatives Design ist unbestreitbar effektiv bei der Optimierung von Formen, ersetzt aber nicht das entscheidende Fachwissen der Ingenieure. Die substanziellsten Lösungen ergeben sich aus einer entscheidenden Kombination aus klassischen Konstruktionsprinzipien, fortschrittlichen Simulationstechniken und generativem Design. In den letzten Phasen unserer Projekte haben wir die additive Fertigung und präzise Messungen eingesetzt, um unsere Ergebnisse zu validieren und eine bemerkenswerte Reduzierung des Differenzdrucks um 13 % zu erreichen.

Darüber hinaus werden die Vorteile des generativen Designs ausschließlich durch die additive Fertigung realisiert, die hervorragende, strömungsoptimierte Geometrien ermöglicht. Wir bei IMT haben uns verpflichtet, generatives Design zu nutzen, um innovative Lösungen zu entwickeln, die die komplexen Herausforderungen unserer Kunden erfüllen und übertreffen.