Welche Software zur Topologieoptimierung gibt es für die additive Fertigung?

Bei der Topologieoptimierung handelt es sich um ein Verfahren aus der Strukturoptimierung dessen Ziel es ist, die minimale Geometrie eines Bauteils zu erörtern. Ein Ausgangskonzept eines Bauteils wird mithilfe von computerbasierten Berechnungen so optimiert, dass weniger Material für seine Fertigung anfällt, ohne jedoch Leistungseinbußen zu verzeichnen. Die Materialersparnis führt auch zu geringeren Kosten. Die Vorteile der Topologieoptimierung sind für zahlreiche Branchen interessant, wodurch die Nachfrage nach spezialisierter Software steigt. Bis 2031 soll der Markt für Strukturtopologie-Optimierungssoftware laut einem Bericht von Market Research Intellect auf 21,02 Milliarden US-Dollar steigen und zwischen 2024 bis 2031 jährlich um 11,09 % wachsen (CAGR). Es liegt auf der Hand, dass angesichts dieses Trends immer mehr Lösungen für Topologieoptimierung entwickelt werden. Doch wie sieht der derzeitige Status Quo aus? Werfen wir einen Blick auf Software-Lösungen für Topologieoptimierung, die in der additiven Fertigung zum Einsatz kommen.

3DXpert

3DXpert ist eine All-in-One-Software, die ursprünglich zu 3D Systems gehörte und 2022 in die Marke Oqton überging. 3D Systems übernahm Oqton im Jahr 2021, das nun eine unabhängige Software-Tochtergesellschaft ist. 3DXpert ist eine umfassende, integrierte 3D-Software für die additive Fertigung, die den gesamten Workflow vom Entwurf bis zum Druck optimiert. Die Software ist darauf ausgerichtet, kostspielige Fehler zu vermeiden, indem sie alle AM-Prozesse in einer Softwareumgebung vereinheitlicht, einschließlich DfAM, Druckvorbereitung, Simulation und Prüfung. Darüber hinaus bietet 3DXpert einen speziellen Satz von Design-Tools, die für Leichtbau-, Texturierungs- und Druckbarkeitsmodifikationen erforderlich sind. Dazu gehören Topologieoptimierung, Vernetzung, Texturierung, implizite Modellierung und andere. Die Software ist ideal für industrielle Projekte in einer Vielzahl von Branchen und ist besonders dafür bekannt, Prozesse zu automatisieren und zu beschleunigen.

Altair Engineering

Altair Engineering ist ein Unternehmen, das sich auf die Entwicklung von Software und Cloud-Lösungen spezialisiert hat. Zu seinem Softwareangebot gehören mehrere 3D-Modellierungslösungen, von denen einige speziell für die additive Fertigung entwickelt wurden. Altair® HyperWorks® zum Beispiel ist eine komplette Design- und Simulationsplattform, die topologische Optimierung durch eine Analyse der strukturellen Integrität von Designs, Haltbarkeit, Dynamik, Gewicht, Festigkeit und Materialeffizienz integriert. Innerhalb dieser Plattform gibt es spezielle Topologieoptimierungswerkzeuge wie OptiStruct. Dieses bietet eine Vielzahl von Methoden zur Strukturoptimierung und eine Reihe von Funktionen, die bei herkömmlichen, Verbundwerkstoff- und additiven Fertigungsverfahren nützlich sind. Darüber hinaus hat das Unternehmen Altair Inspire entwickelt, eine Software-Suite, die das simulationsbasierte Design beschleunigt. Ein herausragendes Tool ist Altair® Inspire™ Print3D, das spezielle Funktionen zur Reduzierung des Materialverbrauchs in bestimmten Verfahren wie PBF und Binder Jetting bietet. Darüber hinaus gibt es Werkzeuge für den Formenbau, die Metallextrusion, die Polymerextrusion und mehr.

Ameba

Ameba, die Software von XIE Technologies, wurde als fortschrittliches Topologieoptimierungswerkzeug entwickelt, das einfach und intuitiv zu bedienen ist. Ameba basiert auf der von Prof. Yi-Min (Mike) Xie entwickelten Technologie der bidirektionalen evolutionären Strukturoptimierung (BESO) und integriert Rhino-Grasshopper für die Modellierung und Nachbearbeitung von Modellen. Mit Ameba können endliche Modelle in sehr kurzer Zeit analysiert und ihre Topologie dank Cloud Computing optimiert werden. Die Software verfügt außerdem über zahlreiche Berechnungsbibliotheken und Open-Source-Dateien, mit denen die Daten sowohl im Pre- als auch im Post-Processing manipuliert werden können. Schließlich verfügt Ameba über eine hohe Erweiterungsfähigkeit und lässt sich leicht mit externer Software integrieren, was es zu einem vielseitigen Werkzeug für fortgeschrittene Entwürfe macht.

Ansys Additive Suite

Die Ansys Additive Suite ist eine umfassende und leistungsstarke Lösung für die additive Fertigung von Metallen, mit der sich Fehler bei der Herstellung vermeiden und die Konformität der Teile mit den Designspezifikationen sicherstellen lassen. Sie bietet Designern, Ingenieuren und Analysten wichtige Informationen, indem sie den gesamten Arbeitsablauf von der Topologieoptimierung bis zur Designvalidierung abdeckt. Mit ihren erweiterten Funktionen ermöglicht sie die Bearbeitung von STL-Dateien, strukturelle und thermische Analysen sowie die Simulation additiver Prozesse, einschließlich Laser-Pulverbettschmelzen (DMLS), DED und andere Metallsinterverfahren. Darüber hinaus steht Ansys Discovery, das erste simulationsbasierte Design-Tool, das sofortige physikalische Simulation und fortgeschrittene Modellierung kombiniert, weiterhin zur Verfügung, um Projekte im Bereich der additiven Fertigung zu unterstützen.

Bild: Ansys

Cognitive Design

Die Software Cognitive Design wurde von der französischen Firma Cognitive Design Systems entwickelt. Sie bietet zahlreiche Funktionen und zielt darauf ab, Entwürfe unabhängig von ihrer Komplexität zu optimieren. Mithilfe eines simulationsbasierten Ansatzes können CAD-Designer die besten Strategien ermitteln, um das Gewicht ihrer 3D-Modelle zu reduzieren und neue Formen zu kreieren. Die Software schlägt zum Beispiel vor, Rippen und Gitterstrukturen zu integrieren oder mit Füllungen zu spielen. Der Benutzer kann diese geometrischen Optimierungen halbautomatisch implementieren, was eine größere Flexibilität und kürzere Designzeiten ermöglicht. Darüber hinaus kann Cognitive Design Modelle generieren, die in 3D gedruckt werden, und bereits in dieser Phase mögliche Herstellungsfehler erkennen. Es wird zum Beispiel vor der Dicke der Rippen, der Positionierung des Teils auf der Platte usw. warnen. Es ist letztlich eine Lösung, die über die topologische Optimierung hinausgeht und den Produktionsprozess rationalisieren wird.

COMSOL Multiphysics®

COMSOL Multiphysics® ist eine umfassende Software für optimierte Topologie zur Maximierung des Designs von Teilen, die für den 3D-Druck bestimmt sind. Diese Software nutzt fortschrittliche numerische Methoden und bietet Werkzeuge für die Multiphysik- und die Single-Physics-Modellierung, die vollständig miteinander integriert sind. Darüber hinaus ermöglicht die intuitive Benutzeroberfläche eine effiziente und einfache Verwaltung des gesamten Arbeitsablaufs. Die Integration des COMSOL Multiphysics® Add-ons, genannt Optimierungsmodul, bietet zusätzliche Werkzeuge sowohl für die Parameterschätzung als auch für die Optimierung nach Form und Topologie. Einige praktische Beispiele für die Möglichkeiten des Optimierungsmoduls sind auf der Website verfügbar. Dazu gehören die topologische Optimierung eines Hakens für eine bessere Material- und Gewichtsverteilung und das Design einer Spule zur Maximierung der magnetischen Flussdichte. Schließlich bietet die Software zwei verschiedene Benutzeroberflächen für die Form- und Parameteroptimierung.

Ein Spulenmodell, das optimiert wurde, um ein gleichmäßiges Magnetfeld auf der Achse zu erhalten. (Bild: COSMOL Multiphysics®)

Netfabb

Netfabb wurde im Jahr 2015 von Autodesk übernommen und stellt primär eine Softwarelösung zur Vorbereitung des Produktionsprozesses dar. Zu den wichtigsten Funktionen gehören die Konvertierung und der Import von Modellen aus verschiedenen CAD-Anwendungen, die Maximierung der Anzahl der druckbaren Teile sowie die Designoptimierung für die additive Fertigung. Aufgrund der großen Designfreiheit, die der 3D-Druck bietet, hat Netfabb die topologische Optimierung in seine Softwarelösung integriert. Mit dem Programm kann also nicht nur den Druckprozess vorbereitet werden, sondern auch Fehler während des Druckvorgangs reduziert werden, indem das Programm vorschlägt, wie die Teile für den Druck optimiert werden müssen, damit diese auch stabil genug sind. Netfabb ist in 4 verschiedenen Versionen erhältlich: Standard, Premium, Ultimate und Simulation, der Preis variiert je nach Version.

nTop

Das in New York ansässige Unternehmen nTop widmet sich der Entwicklung topologischer Optimierungslösungen zur Lösung komplexer technischer Probleme bei der additiven Fertigung. Die nTop-Software bietet Zugang zu einer Reihe von Funktionen, die die Art und Weise, wie die Produktentwicklung entworfen, verfeinert und skaliert wird, verändern. Neben der Basisoption bietet das Unternehmen zwei Varianten an, um die Modellierungsmöglichkeiten zu erweitern. nTop Automate beispielsweise ermöglicht die Ausführung von Design-Workflows im großen Maßstab, und zwar in einer programmatischen Umgebung. nTop Core wiederum ermöglicht die Verbindung von Anwendungen mit impliziten Dateien und vermeidet Konvertierungen in B-rep- oder STL-Netze. Dies ermöglicht einen nahtlosen Prozess, der zu realitätsgetreueren Designs und leistungsfähigeren Teilen führt. Es ist sicherlich eine kosteneffektive Option für die anspruchsvolle 3D-Industrie, die ständig auf der Suche nach leichteren Teilen ist und gleichzeitig die Produktionskosten senken möchte.

OpenPisco

OpenPisco ist eine modulare Open-Source-Software zur Topologieoptimierung, deren Strukturdesignprozess Gitter, unstrukturierte Netze sowie körperangepasste Netze unterstützt. Darüber hinaus bietet die Software eine benutzerfreundliche GUI-, eine Befehlszeilen-Anwendung sowie eine Python-Bibliothek. Der Schwerpunkt liegt auf Modularität, Erweiterbarkeit und Interoperabilität. Zudem kann der Benutzer Routinen wie Optimierungsalgorithmen oder Netzverarbeitung integrieren, ohne den Quellcode zu ändern. Die Methode der Topologieoptimierung basiert dabei auf einer impliziten Modellierungs-Engine. Derzeit wird OpenPisco von IRT SystemX und Safran Tech, dem Safran Research & Technology Center, entwickelt.

Bild: OpenPisco

Siemens NX

Auch Siemens hat mit NX eine eigene Softwarelösung entwickelt, die es dem Benutzer ermöglicht die Vorteile der additiven Fertigung optimal zu nutzen, indem die Modellierungsschritte vereinfacht werden. Konkret ermöglicht das Tool den Anwender die Erstellung des Designs für den 3D-Druck, die Visualisierung, multiple Iterationen etc. Unter den vorhandenen Funktionalitäten ist die topologische Optimierung Teil des sogenannten Convergent Modeling. Das Unternehmen versteht darunter die Möglichkeit, traditionelle Geometrien mit Netzmodellen im selben Modell zu konvergieren. Der Anwender muss dabei nicht mehr mit einem anderen Dateiformat arbeiten und dieses zur Optimierung exportieren: alles geschieht auf derselben Plattform. NX ist deshalb  keine Software zur reinen Topologieoptimierung: Die Software ist viel mehr eine Komplettlösung, die diverse Funktionenh für die additive Fertigung bietet.

TopOpt

TopOpt ist ein in Grasshopper, der visuellen Programmierumgebung von Rhinoceros 3D, integriertes Werkzeug, das entwickelt wurde, um neue Methoden der Topologieoptimierung in den Bereichen Architektur und Bauingenieurwesen zu erforschen. TopOpt befindet sich derzeit in der Alpha-Phase und bietet verschiedene Optimierungsstrategien, darunter einen 2D-Ansatz, der von einer interaktiven mobilen Anwendung abgeleitet ist, eine Methode, die sich auf kontinuierliche Strukturen konzentriert, die für Zug und Druck optimiert sind, sowie ein Zwei-Materialien-Modell für Verbundstrukturen. In Zukunft wird die Softwareentwicklung erweiterte Funktionen wie 3D-Optimierung und eine erweiterte interaktive Visualisierung umfassen. TopOpt ist mit Grasshopper für Rhino 4 und 5 kompatibel und stellt einen großen Fortschritt für Konstrukteure dar, die leistungsstarke Optimierungslösungen in ihre Projekte integrieren möchten.

Tosca

Tosca ist eine Optimierungs-Suite von Dassault Systèmes. Dabei handelt es sich um eine leistungsstarke Struktur- und Strömungsoptimierungslösung, die auf FEA- und CFD-Simulationen basiert. Das Unternehmen bietet dabei zwei Produktlösungen an: Tosca Structure und Tosca Fluid. Tosca Structure kann zur Optimierung in der Konstruktion von leichten, steifen und langlebigen Teilen eingesetzt werden. Dank der Topologieoptimierung kann der Entwicklungsprozess sowie die Markteinführungszeit reduziert werden. Ein Vorteil, den unter anderem Automobilhersteller zu nutzen wissen. Die aktuelle Version von Tosca wird mit Python 3.7.1 geliefert und wurde um eine automatische Erstellung von Stoppbedingungen verbessert. Das zweite Produkt, Tosca Fluid, dient zur Konstruktion und nichtparametrischen Flüssigkeitsströmungstopologie für Komponenten und Systeme.

z88

1985 entwickelte Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg an der Uni Bayreuth die erste Version der Finite-Elemente-Software Z88 in FORTRAN. Heute umfasst die Weiterentwicklung mehrere Varianten, darunter Z88OS als Open-Source-Rechenkern für das grundlegende Verständnis der FEA, die benutzerfreundliche GUI-Version Z88Aurora®, die auch CAD-Daten verarbeitet, sowie Z88Arion® für die Topologieoptimierung. Zudem ermöglichen die mobilen Apps Z88Tina und Z88Mobile eine schnelle Visualisierung von Simulationsergebnissen. Die gesamte Z88-Familie bleibt kostenlos und dient vor allem der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung an Universitäten und Fachhochschulen. Die Z88Arion® bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche mit leistungsstarken Rechenkernen und gliedert sich in die Bereiche Präprozessor, Solver und Postprozessor, um eine schnelle Einarbeitung und effiziente Berechnungen zu ermöglichen.

Z88Arion® Picking und Setmanagement. (Bild: Z88)

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