Generatives Design: Blower Coupler-Optimierung für Lungen-Simulator

Dieser Artikel befasst sich mit den folgenden Themen:

• Entwicklung eines Blower Couplers: IMT optimierte einen Blower Coupler für einen Lungen-Simulator, mit Fokus auf minimalen Druckverlust, Materialverbrauch und strömungsoptimierte Geometrien.

• Einsatz von Generativem Design: Mit Hilfe von generativem Design und additiver Fertigung wurden optimale Geometrien erarbeitet, getestet und präzise vermessen.

• Erfolgreiche Druckreduktion: Die finale Version reduzierte den Differenzdruck um 13% im Vergleich zur ersten Variante, bei gleichzeitig geringerem Materialverbrauch.

• Ingenieurswissen und Additive Fertigung: Generatives Design bewies sich als wertvolle Ergänzung zur klassischer Ingenieurskunst, kann seine Stärken aber nur in Verbindung mit additiver Fertigung voll ausspielen.

Die Entwicklung komplexer mechanischer Bauteile erfordert innovative Ansätze, um die Effizienz und Leistung zu maximieren. IMT nutzte generatives Design um einen Blower Coupler (Verbindungsstück) für einen Lungen-Simulator zu optimieren.

Ziel war es, den Differenzdruck und das interne Volumen zu minimieren, gleichzeitig aber den Materialverbrauch so gering wie möglich zu halten. Alle Designversionen wurden additiv gefertigt und vermessen, um die bestmögliche Lösung zu validieren. Die finale optimierte Variante konnte den Differenzdruck um 13% gegenüber der ersten Version reduzieren – ein klarer Erfolg für den hybriden Entwicklungsansatz aus Ingenieurswissen und generativem Design. Dabei wurde deutlich, dass das volle Potential des generativen Designs nur dann ausgeschöpft werden kann, wenn die Teile additiv gefertigt werden, da nur so strömungsoptimierte Strukturen umgesetzt werden können.

Die Anforderungen an moderne medizintechnische Geräte steigen stetig – sowohl in Bezug auf Leistung als auch auf Ressourcenschonung. Die IMT stand vor der Herausforderung, für die Schwesterfirma IMT Analytics einen Blower Coupler für einen Lungen-Simulator zu entwickeln. Dabei sollten Druckverlust und internes Volumen minimiert und gleichzeitig der Materialeinsatz optimiert werden. Zur Lösung dieser Aufgabe kombinierte die IMT klassische Ingenieursarbeit mit generativem Design und Simulationstools wie Fusion 360 und Ansys FLUENT.

Generatives Design ist ein computergestützter Designansatz, welcher Algorithmen und künstliche Intelligenz nutzt, um optimierte Bauteilgeometrien zu entwickeln. Anstatt dass ein Ingenieur eine feste Form vorgibt, definiert er lediglich die Rahmenbedingungen wie strömungstechnische Anforderungen oder Materialrestriktionen. Die Software generiert daraufhin eine Vielzahl möglicher Lösungen, die oft von natürlichen Strukturen inspiriert sind und sich durch organische, fliessende Formen auszeichnen. Durch iterative Simulationen und Optimierungen wird schliesslich die bestmögliche Geometrie ermittelt. Besonders effektiv ist dieser Ansatz in Kombination mit der additiven Fertigung, da konventionelle Herstellungsverfahren oft an geometrischen Grenzen stossen, während der 3D-Druck nahezu jede Form realisieren kann.

1. Manuelle Konstruktion und Simulation

Ein erfahrener Ingenieur modellierte zunächst eine konventionelle Geometrie für den Blower Coupler. Diese wurde mit Ansys FLUENT simuliert und getestet. Anschliessend wurde die erste Version additiv gefertigt und präzise vermessen, um reale Daten zur Validierung der Simulation zu gewinnen.

2. Generatives Design mit Fusion 360

Anschliessend wurde die gleiche Aufgabe einem generativen Design-Algorithmus in Fusion 360 übergeben. Die generierte Form wurde ebenfalls simuliert, danach additiv gefertigt und vermessen. Die Testergebnisse zeigten, dass diese Variante aufgrund unpassender Eingabeparameter schlechter abschnitt als das von Hand entwickelte Modell.

Durch die Korrektur der Parameter wurde anschliessend jedoch ein besseres Ergebnis erzielt. Zudem wurden Lattice-Strukturen verwendet, um den Materialeinsatz weiter zu optimieren. Diese Gitterstrukturen ermöglichen eine erhebliche Gewichts- und Materialreduktion, während die strukturelle Integrität erhalten bleibt. Besonders im Bereich der strömungsoptimierten Bauteile erwiesen sich diese Designs als äusserst vorteilhaft, da sie eine gleichmässige Verteilung des Luftstroms begünstigten.

3. Feinoptimierung mit Ansys FLUENT und Mesh-Morphing

Die finale Iteration kombinierte die ingenieurgetriebene Form mit zusätzlichen Optimierungen durch Mesh-Morphing in Ansys FLUENT.

Diese Version wurde ebenfalls additiv gefertigt und vermessen. Das Ergebnis: ein um 13% geringerer Differenzdruck bei gleichbleibendem Volumen im Vergleich zur ersten Variante – bei gleichzeitig reduziertem Materialeinsatz. Diese Reduktion wurde durch veränderte Wandstärken erreicht und könnte punktuell mit Lattice Structure sogar noch verbessert werden. Besonders hervorzuheben ist, dass diese optimierte Form in der konventionellen Fertigung nicht realisierbar gewesen wäre. Nur durch additive Fertigung konnten die komplexen, strömungsoptimierten Strukturen umgesetzt werden, die durch generatives Design entstanden sind.

Die Arbeit mit generativem Design hat gezeigt, dass es ein leistungsstarkes Tool zur Formoptimierung ist. Es kann jedoch nicht die Erfahrung und das Wissen eines Ingenieurs ersetzen. Durch die Kombination aus klassischer Ingenieurskunst, Simulation und generativem Design konnte die optimale Lösung gefunden werden. Die additive Fertigung und präzise Vermessung jeder Iteration spielten eine entscheidende Rolle bei der Validierung der Ergebnisse. Besonders bemerkenswert ist die Reduktion des Differenzdrucks um 13% in der finalen Version.

Zudem wurde deutlich, dass die Stärken des generativen Designs erst durch additive Fertigung voll ausgeschöpft werden können, da nur so strömungsoptimierte Geometrien ohne Einschränkungen realisierbar sind. Die IMT wird generatives Design weiterhin gezielt einsetzen, um innovative Lösungen für komplexe Herausforderungen unserer Kunden zu entwickeln.