Tensor Feld orientierte 3D Multiskalen Struktur Synthese

• Antragsteller: Dr. Dennis Bukenberger
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 577775355

Leichte, aber stabile Strukturen sind in vielen Bereichen entscheidend – von Flugzeugen und Autos bis hin zu Gebäuden und Konsumgütern. Die zentrale Frage lautet: Wie lässt sich Material einsparen, ohne dabei Stabilität und Sicherheit zu verlieren? Heute gilt die Topologieoptimierung (TO) als Standardverfahren: ein Computeralgorithmus, der die beste Materialverteilung in einer Form berechnet. Doch für 3D-Anwendungen ist TO oft zu langsam, erzeugt grobe und unpraktische Ergebnisse und erfordert viel Nachbearbeitung, bevor etwas real hergestellt bzw. 3D-gedruckt werden kann. Unser Projekt verfolgt einen grundlegend neuen Ansatz. Anstatt auf rechenintensive Simulationen zu setzen, nutzen wir Methoden aus der Geometrie-Verarbeitung, die direkt aus den Kraft- und Spannungsverläufen im Material verwertbare Strukturen erzeugen. Die Idee knüpft an klassische Ingenieursprinzipien an: Effiziente Strukturen orientieren sich an den Spannungsrichtungen. Mit diesem Prinzip konstruieren wir Voronoi-basierte Zellstrukturen, die sich präzise an die Spannungsfelder anpassen. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile: Geschwindigkeit: Ist das Spannungsfeld einmal berechnet, können wir Strukturen nahezu in Echtzeit erzeugen – ein Schritt hin zu interaktiven Designwerkzeugen. Festigkeit: Die resultierenden Strukturen sind so steif wie Ergebnisse aus heutiger Optimierung, aber mit wesentlich saubererer Geometrie. Herstellbarkeit: Da wir direkt Wand- oder Zellstrukturen statt grober Voxelgitter erzeugen, eignen sich die Ergebnisse unmittelbar für moderne Fertigungsmethoden. Wir entwickeln diesen Ansatz in zwei Richtungen weiter: (1) hin zu interaktiven, echtzeitfähigen Designs mit der Festigkeit klassischer Optimierung und (2) als De-Homogenisierungsstrategie, also als Methode, Optimierungsergebnisse in herstellbare, spannungsorientierte Geometrien zu übersetzen. So entsteht eine neue Klasse von Leichtbaustrukturen: stabil, effizient berechnet und direkt fertigungstauglich.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Gastgeber: Professor Dr. Jun Wu