Die Vorteile der Topologieoptimierung

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Bei der Topologieoptimierung geht es darum, die Materialmasse eines Bauteils zu optimieren, um dessen Gewicht (und damit dessen Kosten) bei gleicher Steifigkeit zu verringern.

Steigende Energie- und Rohstoffkosten haben erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen auf die Herstellung mechanischer Komponenten. Um die Kosten niedrig zu halten, konzentrieren sich die Hersteller in letzter Zeit zunehmend auf die Herstellung optimierter Bauteile, um eine kostspielige Überdimensionierung zu vermeiden.

Dies führt nicht nur zu Einsparungen für den Kunden, sondern auch zu einem Vorteil in Bezug auf die Nachhaltigkeit. Am Beispiel eines industriellen Bestückungsautomaten lässt sich durch Optimierungen wie Massenreduzierung der Energieverbrauch für die Handhabung senken, was sich positiv auf die Umwelt auswirkt.

Durch die FEA-Methode und insbesondere durch das Verfahren der Topologieoptimierung sind wir in der Lage, Bauteile für einen bestimmten Verwendungszweck zu realisieren, die ein attraktives Design haben, aber gleichzeitig optimiert und langlebig sind, ohne Material zu verschwenden.

Was ist Topologieoptimierung und wofür wird sie eingesetzt?

Analysiert man die Bedeutung des Begriffs, so ist die Topologieoptimierung ein Verfahren, das es ermöglicht, ausgehend von einem bekannten Materialvolumen überschüssiges Material zu entfernen und optimierte Strukturen entsprechend einem vorgegebenen Ziel zu schaffen.

Ausgehend von einem gegebenen 3D-Volumen ist der Algorithmus in der Lage, in einem iterativen Prozess verschiedene Szenarien zu generieren und überflüssiges Material zu entfernen.

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Optimiertes Bauteil (Quelle ANSYS)

Ziel dieses Verfahrens ist es nicht nur, die Masse der Bauteile zu reduzieren, sondern auch, bestimmte Ziele zu erreichen, wie zum Beispiel:

  • Steifigkeit
  • Eigenfrequenzen
  • Thermische Dispersion
  • Trägheitsmomente
  • Ermüdungsfestigkeit

Je nach Bedarf können auch weitere massgeschneiderte Ziele mit Hilfe von mathematischen Ad-hoc-Funktionen definiert werden. Nach der mathematischen Berechnung wird das optimierte Design extrahiert, das als Richtlinie für die Konstruktion eines traditionellen 3D-Modells verwendet wird.

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Beispiel für die Massenreduzierung eines Bauteils (Quelle ANSYS)

Topologie Optimierung nicht nur für Additive Manufacturing (AM)

Der 3D-Druck scheint die beste Lösung zu sein, um ein Topologieoptimiertes Bauteil herzustellen. Durch geeignete Massnahmen kann das Potenzial der Methode jedoch auch für Bauteile genutzt werden, die mit traditionellen Technologien hergestellt werden, wie zum Beispiel:

  •  CNC
  • EDM
  • Laser
  • Gusskonstruktionen
  • Kunststoffspritzguss
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Optimiertes Profil, hergestellt im Strangpressverfahren (Quelle ANSYS)

Wie die Topologieoptimierung umgesetzt wird: der Arbeitsablauf in SAECON

Um die Methodik der Topologieoptimierung anzuwenden, können wir entweder von einem bestehenden Bauteil oder von einer vom Kunden bereitgestellten Konzeptzeichnung ausgehen. Mit den modernsten Optimierungstools können wir in jeder Phase der Fertigung eine Konstruktionsunterstützung oder eine Umgestaltung durchführen.

DIE BEI SAECON DURCHGEFÜHRTEN SCHRITTE:

  1. Zielsetzung und Bedürfnisse des Kunden

In dieser ersten Phase klärt SAECON gemeinsam mit dem Kunden, welche Bedürfnisse er hat und welches Bauteil untersucht werden soll. Auf der Grundlage dieser Informationen wird die Anwendbarkeit der Methode bewertet und die nächsten Schritte werden geplant.

  1. Festlegen des Anwendungsbereiches

Um eine korrekte Beurteilung vornehmen zu können, müssen die Belastungen und Randbedingungen, denen das Bauteil ausgesetzt sein wird, und schliesslich das gewünschte Herstellungsverfahren definiert werden.

  1. Bewertung des Verbesserungspotenzials

Mit Hilfe von Tools zur schnellen Topologieoptimierung wird der ungefähre Optimierungsspielraum auf der Grundlage der oben genannten Informationen abgeschätzt und eine qualitative Bewertung vorgenommen.

  1. Arbeiten zur Topologieoptimierung

In dieser Phase findet die eigentliche Topologieoptimierung statt. Unter Berücksichtigung der Belastungskombinationen, denen ein Bauteil ausgesetzt sein wird, der Definition des Materials, der Herstellungsmethode und der geforderten Ziele wird der iterative Prozess zwischen Ingenieur und Software eingeleitet, um das endgültige Modell zu extrapolieren.

  1. Validierung des Entwurfs

Sobald der optimierte Entwurf vorliegt, werden weitere spezifische Simulationen durchgeführt, um die Optimierung zu validieren. So können beispielsweise statische, dynamische und Modal Analysen oder spezifischere Auswertungen wie die Analyse der Lebensdauer von Komponenten durchgeführt werden.

  1. Übergabe des optimierten 3D-Modells

In der Abschlussbesprechung mit dem Kunden werden die erzielten Ergebnisse präsentiert und die Fertigungsmethoden besprochen.

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Optimierung einer Treppe (Quelle: ANSYS)

Was sind die Vorteile der Topologieoptimierung?

Durch eine Topologieoptimierung an bestehenden Bauteilen, aus Serienproduktionen von 20’000 Teilen, konnten einige Kunden die Masse um mehr als 50% reduzieren. Dies führte zu erheblichen Einsparungen bei den Rohstoffen, dem Transport und dem Energieverbrauch.

Die Vorteile dieser Topologie Optimierungsmethodik wirken sich in allen 3 Phasen des Lebenszyklus eines Produkts positiv aus:

Entwurf

Die Entwurfsphase ist wesentlich schneller und führt zu Bauteilen, die für den Anwendungsbereich optimiert sind und gleichzeitig die von den Normen geforderten Sicherheitsfaktoren einhalten. Dank der Software wird eine objektive Optimierung der Bauteile erreicht. Dadurch werden optimierte Konstruktionen nicht von einem bestimmten Designer, sondern nur von den angewandten Lasten beeinflusst. Das Bauteil wird bereits mit dem Ziel optimiert, nach bestimmten Fertigungsmethoden hergestellt zu werden.

Herstellung

Der reduzierte Materialbedarf führt insbesondere bei Grossserien zu erheblichen Einsparungen bei den Herstellkosten, Rohstoffen, Energie und Transport.

 

Verwendung

Das optimierte Bauteil erreicht aufgrund seiner geringeren Masse eine höhere Leistung und hat einen geringeren Energiebedarf.

Beispiel für eine Aufhängung, die mit Hilfe von Topologie-Optimierungswerkzeugen entwickelt wurde. Beachten Sie die Formen, die mit herkömmlichen Technologien hergestellt werden können (Quelle ANSYS)

Warum ist die Topologieoptimierung sinnvoll?

Wann kann eine Topologieoptimierung sinnvoll sein?

  • Um die Produktionskosten einer Maschine zu senken und gleichzeitig die durch Vorschriften auferlegten Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.
  • Um das Design eines Bauteils zu verbessern: die mit der Topologieoptimierung erzielten Designs können beispielsweise Natur inspiriert sein, das heisst natürlichen Formen wie Muscheln, Bäumen usw. sehr ähnlich sein. Sie sind daher nicht nur äusserst funktional, sondern auch ästhetisch ansprechend und anspruchsvoll.
  • Bei der Neugestaltung einer Maschine oder eines Elements.
  • Um eine geringere Umweltbelastung in Bezug auf den Rohstoff- und Energieverbrauch zu erreichen.
  • Bei der Verbesserung der Leistung eines Bauteils oder einer Baugruppe von Bauteilen.

Urheber: Josef Bellea

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