• Topologie Optimierung

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Einführung

Die automatisierte Topologie Optimierung findet immer mehr Anwendungen im Bereich Konstruktion und Fertigung. Mit dieser Technologie können große Materialeinsparungen an Bauteilen erzielt werden. Dies bietet nicht nur Vorteile für die Kunden, sondern auch bei bewegten Bauteilen in der eigenen Produktion kann dies zu Energie Einsparungen und Verkürzung der Taktzeiten führen.

Zum aktuellen Stand

Topologie Optimierung (Gestalt/Geometrie Verbesserung nach bestimmten Merkmalen) findet in zwei Bereichen Anwendung:

  • Zur Verbesserung von Strömungsverhalten im Bauteil
  • Zur Gewichtsreduktion oder Bauraumoptimierung

Abhängig von Bauteil und Belastung können große Mengen an Material bei gleichbleibender Festigkeit eingespart werden, wodurch sich bei bewegten Bauteilen im Prozess höhere Geschwindigkeiten realisieren lassen und/oder Energie eingespart werden kann. In Kombination mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich komplexe Bauteile realisieren und somit die Vorteile vollkommen ausschöpfen.
Die Topologie Optimierung lässt sich jedoch nicht nur im Prozess der additiven Fertigung einsetzen, sondern auch bei konventionellen Fertigungstechniken. Dann werden aufgrund der verhältnismäßig eingeschränkteren geometrischen Möglichkeiten, geringere Effizienzgewinne ermöglicht. Da der Konstrukteur bei seiner Arbeit unterstützt wird und immer noch genannte Effekte auftreten, ist auch in diesem Fall eine Einführung überlegenswert.
So werden beispielsweise Gussmodelle und -teile oder 2D-fräsbare Bauteile mittels Topologie Optimierung konstruiert.
Die Optimierung beschränkt sich dabei nicht nur auf die Verbesserung von Bauteilen, sondern auch in der Entwicklung neuer Bauteile.
Die Software, um solche Simulationen durchzuführen, befindet sich heute schon in den meisten gängigen CAE-Systemen als Zusatzmodul und ermöglicht es, in der gewohnten Arbeitsumgebung neue Kompetenzen aufzubauen.

Technologieverbreitung

Prototypen und Demonstratoren vorhanden
Branchenübergreifender Einsatz
KMU geeignet?

Technologiebeschreibung

Bei der Topologie Optimierung muss zunächt ein Bauraum angegeben werden. Dieser kann aus einem vorhandenen Teil bestehen (Abbildung 1) oder frei erstellt werden. Dabei müssen Baugruppen oder -teilen berücksichtigt werden, um zu verhindern, dass es bei der Montage zu möglichen Kollisionen kommt.

Im Anschluss müssen die Funktionsflächen wie bspw. Bohrungen und Anschläge angeben werden.

Designoptionen ermöglichen hier eine den Fertigungsmitteln entsprechende Optimierung.
Beispiele hierfür sind:

  • Extrusionsrichtung (als Vorbereitung zum 2D-Fräsen)
  • Material Spreading (Ermöglichen von Stabstrukturen),
  • Symmetrie (positiver Einfluss auf die Berechnungszeit).

Anhand der angegebene Randbedingungen (Lasten, Lagerbedingungen und spezifischen Optimierungszielen) wird nach Gewicht, Sicherheitsfaktor oder auch einem Spannungsmaximum optimiert.

Das Ausgangsbauteil (Abbildung 1) hat ein Gewicht von etwa 8 kg. Abbildung 2 zeigt den Bauraum des Bauteils, der zuvor definiert wurde. In Abbildung 3 und 4 werden unterschiedliche Optimierungsmethoden gezeigt. Die Optimierung, die in Abbildung 3 zusehen ist, wurde so optimiert, dass sie mittels 3D-Druck bzw. Additiven Fertigungsverfahren durchgeführt werden kann.  In Abbildung 4 wurde eine Optimierung unter der Prämisse zur Fertigung mittels 2D-Fräsen durchgeführt.

Mögliche Einsatzszenarien:

Die Software ist insbesondere dort von Interesse, wo Bauteile auf Volumen und Masse hin optimiert werden sollen. Dies ist bei bewegten Bauteilen und Fahrzeugen oft der Fall.

Ein gutes Einsatzgebiet sind Anbauten an Robotern sowie Zylindern. Oft ist die Belastung  abzuschätzen und die Teile werden häufig und schnell beschleunigt. Jedes Gramm, das hier gespart wird, führt unmittelbar zu einer Energie- oder Zeitersparnis.
Bauteile in Fahr- oder Flugzeugen bieten sich ebenfalls für eine Topologie Optimierung an. Hier sorgt ein geringeres Gewicht für einen geringeren Energiebedarf, was dazu führt das weniger Treibstoff benötigt wird. Bei elektrischen Antrieben reduziert dies den Strombedarf, wodurch beispielsweise akkubetriebene Geräte länger in Betrieb bleiben können, oder einen kleineren Akku benötigen.
Die Technologie bietet so die Chance für wirtschaftlichere und nachhaltigere Produkte und Produktion.

Chancen für KMU

Energie- und Materialeinsparungen in Fertigung

- Taktzeitverbesserung durch Arbeitserleichterung in der Konstruktion

- Energieersparnisse durch Gewichtsreduktion von Bauteilen

Innovatives Design

Schrittweise Einführung einer

  • Schritt 1:

    Bedarf

    Zunächst muss geklärt werden, wo genannte Vorteile auftreten können.
    Sollen lediglich einzelne bewegliche Teile an Produktionsanlagen optimiert werden oder besteht ein großer Bedarf an individuellen Teilen.
    Im ersten Schritt soll geklärt werden, ob es wirtschaftlich ist Expertise in diesem Bereich aufzubauen oder ob es sinnvoller ist, die Berechnungen an einen Ingenieurdienstleister auszulagern.

  • Schritt 2:

    Eigen- oder Lohnfertigung

    Generell sollte hier ausgehend von den Bauteil-Geometrien und dem gewünschten Material abgeschätzt werden, welches Fertigungsverfahren notwendig ist und ob dieses wirtschaftlich im eigenen Unternehmen eingeführt werden kann oder ein externer Fertiger die bessere Wahl ist. Bei geringer Stückzahl und hoher Materialvielfalt ist ein externer Fertiger wirtschaftlicher.

  • Schritt 3:

    Anschaffung von Fertigungsmitteln

    Kunststoff 3D-Drucker bieten einen kostengünstigen Einstieg in die Fertigung von Topologie optimierten Produkten.
    Metall 3D Druck ist mit wesentlich kostspieligeren Anlagen und Verfahren verbunden. Je nach Material sind mehrere Prozessschritte vor und nach dem eigentlichen Druck nötig. Bei jedem Verfahren müssen Sicherheitsvorschriften von Schutzausrüstung bis hin zu hermetisch abgeriegelten Arbeitsbereichen berücksichtigt werden.

  • Schritt 4:

    Planung

    Eine komplette Einführung der Technologie mit entsprechendem Know-how und Fertigungsmitteln kann kostspielig sein. Dementsprechend geht dies mit einem gewissen Risiko einher. Bei geringem Bedarf können hier Dienstleister beauftragt werden, die den kompletten Prozess übernehmen. Von der Planung über die Fertigung bis hin zur Montage des Bauteils.
    Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit nach Bedarf und schrittweise bestimmte Aspekte im Betrieb umzusetzen und Erfahrung zu sammeln, während Risiko und Bedarfsschwankungen ausgelagert werden.

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