Spiegelhalterung für Observatorium Wendelstein

Beschreibung des Bauteils: Das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik und die Universitätssternwarte München fragten bei APWORKS eine innovative und besonders leichte Spiegelhalterung sowie deren Produktion mittels Additiver Fertigung an. Das MPE und die USM entwickeln astronomische Instrumente, die auf den größten Teleskopen der Welt installiert werden. Solche Instrumente enthalten verschiedene Optiken wie Klappspiegel, welche Spiegelhalterungen besitzen, die derzeit mit konventioneller Fertigung hergestellt werden.

Herausforderungen: Astronomische Instrumente enthalten oft sehr komplexe Optiken und weisen hohe Gewichtsbeschränkungen auf, was zu komplexen Geometrien für die mechanischen Teile führt. Gleichzeitig stellen sie hohe Anforderungen an die mechanische Präzision sowie an die Steifigkeit und Festigkeit der verwendeten Materialien. All dies macht die Astronomie zu einem idealen Anwendungsgebiet für die Additive Fertigung. Da Platz und Gewicht für diese astronomischen Instrumente von entscheidender Bedeutung sind, erforderte die Spiegelhalterung eine Designoptimierung und eine innovative Herstellungsmethode, die das optimierte Design mit all seiner Designfreiheit unterstützt. Aufgrund des Vorteils der Gestaltungsfreiheit wurde die Additive Fertigung als bevorzugte Produktionsmethode ausgewählt. Die Materialauswahl brachte weitere Vorteile mit sich, da Scalmalloy®, eine hochinnovative Aluminiumlegierung, das geringe Gewicht von Aluminium mit nahezu der spezifischen Festigkeit von Titan kombiniert. Das Material hat seine außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bereits seit Jahren in Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie und im Motorsport unter Beweis gestellt und wurde kürzlich von der FIA zugelassen und in die Formel-1-Regularien aufgenommen.

Lösung: Das Ziel beim Entwurf und der Herstellung einer neuen Spiegelhalterung bestand darin, durch ein innovatives Design Gewicht zu sparen und eine neue Komponente herzustellen, die an der vorhandenen Struktur des Observatoriums montiert werden kann. Die Ingenieur*innen von APWORKS entwarfen eine optimierte Spiegelhalterung, basierend auf einer Topologieoptimierung. Sie definierten Bereiche, in denen die Software Strukturen optimieren kann, und solche, die vollständig beibehalten werden müssen, um die Halterung an der vorhandenen Spiegelstruktur montieren zu können. Ein Algorithmus sieht nur dort Material vor, wo es benötigt wird, um allen aufgebrachten Lasten standzuhalten. Das durch den Algorithmus vorgeschlagene Design wurde von den Ingenieur*innen von APWORKS für das Bauteil umgearbeitet. Es ist bionisch inspiriert und durch Additive Fertigung herstellbar. Das optimierte Bauteildesign der Spiegelhalterung wurde aus der hochfesten Aluminiumlegierung Scalmalloy® gedruckt und spart 82 % des ursprünglichen Volumens. Es wird unter Erfüllung höchster Toleranzforderungen hergestellt um an der vorhandenen Struktur des Observatoriums montiert werden zu können. Im Vergleich zum herkömmlichen Teiledesign kombiniert die 3D-gedruckte Spiegelhalterung fünf Teile in nur zwei Teilen, was den Produktionsweg aufgrund einer geringeren Anzahl an Montage-, Fertigungs- und Qualitätskontrollschritten signifikant verkürzt.

Fazit:

Die additiv gefertigte Spiegelhalterung für das meteorologische Observatorium Wendelstein hält den gleichen Belastungen wie die konventionelle Konstruktion stand, spart 82 Prozent Volumen und reduziert somit das Gewicht des Bauteils in gleichem Maße. Ein Ergebnis, das durch eine Designoptimierung und den Einsatz der hochfesten Aluminiumlegierung Scalmalloy® ermöglicht wurde.