Generativer Entwurf: Gebläsekoppler-Optimierung für alveo

Überblick

IMT optimierte eine Gebläsekupplung für alveo und legte dabei Wert auf minimalen Druckverlust, Materialeffizienz und flussoptimierte Geometrie. Durch den Einsatz von generativem Design und additiver Fertigung wurde der Differenzdruck um 13 % reduziert, wobei weniger Material verwendet wurde.

Abbildung 1: alveo-Gebläse-Montage mit Gebläsekupplung

Hintergrund

Die Entwicklung komplexer mechanischer Komponenten erfordert innovative Methoden zur Effizienzsteigerung und Leistungsverbesserung. IMT nutzte generatives Design, um den Gebläsekoppler für alveo zu optimieren, mit dem Ziel, den Differenzdruck und das Innenvolumen zu reduzieren sowie den Materialeinsatz zu minimieren. Alle Designvarianten wurden additiv hergestellt und getestet, was zu einer Reduzierung des Differenzdrucks um 13 % im Vergleich zum ursprünglichen Design führte. Dieser Erfolg verdeutlicht, dass das volle Potenzial des generativen Designs nur durch die additive Fertigung realisiert wird, die fließoptimierte Strukturen ermöglicht.

Einführung

Moderne medizinische Technologiegeräte stehen zunehmend unter dem Druck, ihre Leistung zu verbessern und Ressourcen effizienter zu nutzen. IMT wurde beauftragt, einen Gebläsekoppler für einen Lungensimulator zu entwickeln, der speziell für ihre Tochtergesellschaft, IMT Analytics, konzipiert wurde. Das Ziel war es, den Druckverlust und das Innenvolumen zu minimieren und dabei Materialien effektiv zu nutzen. Dies wurde durch traditionelle Ingenieurpraktiken und den Einsatz von Werkzeugen wie Autodesk Fusion 360, einer CAD-Software, und Ansys FLUENT, einer CFD-Software, erreicht.

Was ist Generatives Design?

Generatives Design nutzt Algorithmen und künstliche Intelligenz, um optimierte Geometrien von Komponenten zu erstellen. Ingenieure definieren die Anforderungen, wie fluidische Bedingungen und Materialbeschränkungen, während die Software mehrere potenzielle Lösungen generiert, die von natürlichen Strukturen inspiriert sind. Die beste Geometrie wird durch iterative Simulationen bestimmt. Diese Methode ist besonders effektiv in der additiven Fertigung, die komplexe Formen erzeugt, welche die traditionelle Fertigung nicht ermöglichen kann.

Optimierung durch Generatives Design

Abbildung 2: Iterationen des Gebläseanschlusses

1. Manuelle Gestaltung und Simulation

Ein erfahrener Ingenieur modellierte zunächst eine konventionelle Geometrie für den Gebläsekoppler. Diese wurde mit FLUENT simuliert und getestet. Die erste Version wurde dann additiv hergestellt und präzise gemessen, um genaue Daten zu erhalten, die die Simulation validieren.

2. Generatives Design mit Fusion 360

Die gleiche Aufgabe wurde an einen generativen Designalgorithmus in Fusion 360 übergeben. Die erzeugte Form wurde ebenfalls simuliert, dann additiv hergestellt und gemessen. Die Testergebnisse zeigten, dass diese Variante schlechter abschnitt als das manuell entwickelte Modell, aufgrund ungeeigneter Eingabeparameter, wie falschen fluidischen Anforderungen und Materialbeschränkungen.

Abbildung 3: Varianten von Kupplungen, die durch generatives Design hergestellt wurden

Die Korrektur der Parameter verbesserte die Ergebnisse. Darüber hinaus wurden Gitterstrukturen implementiert, um die Materialnutzung weiter zu optimieren. Diese Gitterstrukturen reduzieren erheblich das Gewicht und das Material, während die strukturelle Integrität erhalten bleibt. Solche Designs waren besonders vorteilhaft in Komponenten, die für den Fluss optimiert sind, und fördern eine gleichmäßige Luftstromverteilung.

Abbildung 4: Reduzierung des Materials durch Verwendung einer Gitterstruktur

3. Feine Optimierung

Die endgültige Iteration wies eine konstruierte Form auf, die durch Mesh-Morphing in FLUENT optimiert wurde.

Diese Version wurde additiv hergestellt und gemessen, was zu einer Reduzierung des Differenzdrucks um 13 % führte, während weniger Material verwendet wurde, das gleiche Volumen beibehalten wurde, Wandstärken modifiziert wurden und eine Gitterstruktur eingeführt wurde, um die Leistung weiter zu verbessern. Diese optimierte Form konnte nur durch additive Fertigung erreicht werden, da herkömmliche Methoden solche komplexen, strömungsoptimierten Strukturen nicht erzeugen können.

Die endgültige Iteration kombinierte die ingenieurtechnisch geprägte Form mit zusätzlichen Optimierungen durch Mesh-Morphing in FLUENT. Dieser Prozess umfasste die Verfeinerung der Geometrie basierend auf den Ergebnissen der ersten Simulationen, was zu einem effizienteren und effektiveren Design führte.

Abbildung 5: Enddesign

Abschluss

Generatives Design ist zweifellos effektiv bei der Optimierung von Formen, ersetzt jedoch nicht die kritische Expertise von Ingenieuren. Die substantiellsten Lösungen entstehen aus einer entscheidenden Kombination klassischer Ingenieurprinzipien, fortschrittlicher Simulationstechniken und generativem Design. In den letzten Phasen unserer Projekte haben wir mit Zuversicht additive Fertigung und präzise Messungen eingesetzt, um unsere Ergebnisse zu validieren, und dabei eine bemerkenswerte Reduzierung des Differenzdrucks um 13 % erreicht.

Darüber hinaus werden die vollen Vorteile des generativen Designs ausschließlich durch additive Fertigung realisiert, die überlegene fließoptimierte Geometrien ermöglicht. Bei IMT sind wir bestrebt, generatives Design zu nutzen, um innovative Lösungen zu entwickeln, die die komplexen Herausforderungen unserer Kunden erfüllen und übertreffen.