Polymorphe Unschärfemodellierung eines 3D Druckprozesses von Beton
Zusammenfassung der geplanten Projektinhalte unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus der ersten Bearbeitungsphase
In den letzten Jahrzehnten hat die Digitalisierung vermehrt Einzug in die Fertigungsindustrie erhalten. Sie wurde dabei in verschiedene Prozesse integriert, vom Design und der Planung bishin zur Überwachung und Unterhaltung von Strukturen im Betrieb. Die gesteigerte Automatisierung und Rationalisierung hilft Kosten zu sparen und Arbeitsbedingungen sicherer zu gestalten. Im Vergleich zu konventionellen Fertigungstechniken, die i.d.R. subtraktiv sind, erlauben additive Fertigungsverfahren einen designgesteuerten Fertigungsprozess. So können Strukturen mit einer hohen geometrischen Komplexität, Freiheit in Form und Funktionalität produziert werden.
Prinzipschema: Finite-Elemente Berechnung unter Verwendung eines adaptiven Pseudo-Dichte Ansatzes; Zuverlässigkeitsanalyse während des Druckprozesses; polymorphe Unschärfebeschreibung der Modellparameter: Materialparameter M1, M2, Prozessparameter P1 und Zeitverhalten des Materialparameters M, die Modellantwort u wird für eine fuzzy-stochastische Zuverlässigkeitsanalyse verwendet
Derzeit werden die 3D Druck-Techniken weiter entwickelt und optimiert, so dass Strukturen mit wohl-definierten Eigenschaften und zuverlässigem Verhalten unter Lasten entstehen.
Bei einer Vielzahl von Materialien und Drucktechniken dominieren Unschärfen den Herstellungsprozess. So mag zum Beispiel bei einem 3D Extrusionsprozess von Beton die Viskosität des Flüssigbetons stochastisch variieren, welches Einflüsse auf Geometrie, Verfestigung und die finalen Eigenschaften der Struktur haben kann. Daher wird im Projekt der Einfluss der allgemein im 3D Druck-Prozess variierenden Parameter zu untersuchen. Diese Material- und Prozessparameter zeitliche Auto-Korrelationen auf. Der Grad der Korrelation ist jedoch nicht vollständig bekannt, welches die Nutzung von Fuzzy-Zufallszahlen motiviert. Des Weiteren mögen verschiedene an dem Prozess beteiligte Parameter kreuz-korreliert sein. Auch hier kann erneut der Grad der Korrelation nicht vollständig definiert werden.
Zusammenfassend beinhaltet das Projekt eine polymorphe Unschärfebeschreibung eines 3D Druckprozesses von Beton basierend auf einer transienten Finite Elemente Modellierung, bei der auto- und kreuz-korrelierte Zufallsprozesse in kreuz-korrelierte Zufallsfelder konvertiert werden, die den örtlich und zufällig streuenden Kennwerten der gefertigten Struktur entsprechen. Mit einer präzisen Unschärfemodellierung kann die Zuverlässigkeit während des Prozesses geschätzt werden, wobei verschiedene Versagenskriterien betrachtet werden (Überschreitung von Festigkeiten, geometrische Anforderungen, Ausbeulen, und Bindevermögen zwischen gefertigten Schichten). Schlussendlich kann das Modell genutzt werden, um einen 3D Prozess optimal zu steuern unter der rigorosen Berücksichtigung aller Quellen von Unschärfe.
Wesentliche Projektziele
- Entwicklung eines allgemeinen FE-Frameworks für den 3D-Druck
- Untersuchung von Versagensmechanismen in 3D-Druckbetonstrukturen unter Verwendung geeigneter Materialparameter und Modelle
- Implementierung verschiedener Versagensmechanismen unter Verwendung eines mehrstufigen Ansatzes, der von der analytischen Annäherung bis zur nichtlinearen Simulation reicht
- Entwicklung eines polymorphen Unschärfemodells, das verschiedene Material- und Prozessparameter unter Verwendung von fuzzy-stochastischen Zufallsprozessen
und -feldern mit unscharfen Auto- und Kreuzkorrelationen beschreibt - Optimierung des Extrusionsprozesses innerhalb des polymorphen Unschärfemodells
Prof. Lahmer
Prof. Dr.-Ing. Ph.D. Tom Lahmer
Bauhaus-Universität Weimar
Institut für Strukturmechanik
Juniorprofessur Optimierung und Stochastik
Prof. Könke
Prof. Dr.-Ing. Carsten Könke
Bauhaus-Universität Weimar
Institut für Strukturmechanik
Professur Baustatik und Bauteilfestigkeit
Dr. Göbel
Dr. Luise Göbel
Bauhaus-Universität Weimar
Charakterisierung und Funktionalisierung von Werkstoffen und Bauteilen in der Materialforschungs- und -prüfanstalt
Hr. Schmidt
Dipl. Phys. Albrecht Schmidt
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Digitale Modelle und Simulation
Materialforschungs- und -prüfanstalt
an der Bauhaus-Universität Weimar