Self-organized, generative design solutions for additive manufactured free-form structures based on biomimicry

In Laufe der Zeit hat sich das Design im Entstehungsprozess eines Produktes zu ein vielschichtigen Konzept entwickelt. In der Bauingenieurkunst etwa ist Design ein Optimierungsprozess, der die Materialverwendung minimieren soll. In der Architektur hingegen ist Design eher ein ästhetisches Unterfangen, das zu komplexen Formen führen kann. Die fortschreitende Integration der Arbeitsfelder von Ingenieur- und Architekturwesen in der Vergangenheit legte die Grundlage für übergreifende Herangehensweisen im Design-Prozess. Biomimikry bietet hierfür einen vielversprechenden Ansatz durch Inspiration an natürlichen Formen eröffnet sich ein moderner Weg zur Erzielung innovativer Lösungen.
Diese Dissertation möchte dazu beitragen, die derzeit bestehende Lücke zwischen verschiedenen Arbeitsfeldern zu schließen. Hierzu wird eine neue Designmethodik vorgeschlagen , die diverse Werkzeuge integriert, um ein eigenständiges System für die Erzeugung komplexer Formen und Strukturen zu schaffen. Dieses System umfasst alle notwendigen Schritte des Designprozesses, beginnend mit der Definition relevanter Grenzbedingungen und der strukturmechanischen Analyse, über die Gestaltung der Struktur bis hin zur Erstellung des G-Codes für eine vollautomatisierte Verarbeitung.
Inspiriert durch die Effizienz natürlicher Systeme emuliert der vorgeschlagene Ansatz dabei die Biomimikry-Prinzipien, wodurch derartige freie Formkurven sowie Oberfläche- & formbildende Strukturen entwickelt werden können. Ein visuelles Programmierumfeld ermöglicht hierfür eine barrierefreie Informationsübertragung zwischen Design, Analyse und Fertigung, während die entwickelte Benutzeroberfläche die Barrieren für alle verschiedenen Tätigkeitfeldern reduziert.
Darauf aufbauend werden in dieser Arbeit Fallstudien durchgeführt , um die Wirksamkeit der vorgestellten Methodik bei der Erzeugung von freien Formoberflächenstrukturen, der Rationalisierung ihrer Formen und der Fertigung von formbildenden Strukturen auf Basis von Faltungen (gekrümmt und gerade) zu demonstrieren. Darüber hinaus werden Prototypen mit additiver Fertigung und Composite Molding gefertigt und mechanischen Prüfungen unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Ansatz einzigartige und verbesserte, individualisierte Lösungen für komplexe Problemstellungen liefert, die den traditionellen Designmethoden überlegen sind. Die Studie untersucht ferner das Potenzial für multi-objektive Designlösungen und minimale Oberflächenmodifikationen.
Durch die Überbrückung der Grenzen zwischen Design, Analyse und Fertigung ermöglicht diese Dissertation die Erstellung innovativer und effizienter Lösungen für anwendungsnahe Designprojekte.