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Topologie-Optimierung für den 3D-Druck

Auf 28. Dezember 2016 von Alexander H. veröffentlicht
Topologie-Optimierung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellverfahren ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung komplexer Geometrien. Anhand eines numerisch-mathematischen Verfahrens, das als „Topologie-Optimierung“ bezeichnet wird, lässt sich das Gewicht bei gleichbleibender Funktionalität erheblich verringern.

Bei dieser Technik wird Material buchstäblich da „entfernt“, wo es nach einer Analyse der Optimierungssoftware keinen Nutzen hat. Zu den bekanntesten Anbietern dieser Software gehören DesignSpace von Entwickler Ansys, Tosca von Dassault Systèmes, Within Labs von Autodesk oder auch Inspire von Solidthinking .

Topologie-Optimierung, wie funktioniert’s?

Die Topologie-Optimierung beginnt mit einem 3D-Modell, das nach der Konzeption noch etwas zu grob erscheint und verbessert werden muss oder einem bereits existierenden Objekt, das optimiert werden muss. Per Software wird Druck auf verschiedenen Stellen des Teils simuliert (zum Beispiel hier an den Fixierlaschen).

Topologie-Optimierung

Kräfte werden auf das ursprüngliche Modell ausgeübt

Anschließend wertet das Programm die per Druck ausgeübten Kräfte an dem Objekt aus. Die rot angezeigten Stellen zeigen stark belastete Räume an, während blaue Stellen keine Krafteinwirkung signalisieren und somit unnütz sind.

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Visualisierung der Kräfte, die das Teil bei Druck durchlaufen

Im nächsten Schritt können obsolete Teile des Objekts ganz oder teilweise rausgeschnitten werden. Das Programm zeigt an wie in etwa das verbesserte Modell aussehen wird.

topologyfig3

Teil nach Entfernung nutzloser Masse

Die endgültige Geometrie, die mechanischen und designtechnischen Anforderungen gerecht wird, erhält man anschließend mit dem Glättungstool.

Topologie-Optimierung

Teil nach der Topologie-Optimierung

Um eine Vorstellung davon zu kriegen, was die Optimierung leistet, schauen wir auf das Gewicht. Das Anfangsgewicht des Objekts betrug 2 kg. Nach der Optimierung wog es nur noch 327g. Das entspricht einem Materialersparnis von 83,4%, wobei die Robustheit und Funktionalität gleich geblieben sind.

Topologie-Optimierung

Beispiel von Topologie-Optimierung von ©Prodways

Wer nutzt die Topologie-Optimierung und warum?

Die Automobilindustrie hat sich diesem Problem sehr schnell angenommen, um Ressourcen bei der Produktion des Autos zu sparen. Schon geringe Gewichtsoptimierungen im Grammbereich bedeuten für die Massenproduktion Materialeinsparungen im Tonnenbereich.

Ein ähnliches Motiv verfolgt die Luftfahrtbranche, wobei die Sicherheit und die Materialfestigkeit im Vordergrund steht. Insbesondere bei Flugzeugen spielt das Gewicht beim Kraftstoffverbrauch eine wichtige Rolle. Leichtere Teile generieren auf Lange Sicht erhebliche Einsparungen und die Funktionalität bzw. Robustheit der Teile sind gleichgeblieben.

Doch wie lassen sich diese Teile herstellen? Mit dem Gussverfahren, welches das Hauptherstellungsverfahren in der Automobilbranche darstellt, können komplexe Teile relativ gut hergestellt werden. Anders jedoch sieht es bei Fräs- und Dreharbeiten aus. Mit diesen noch häufig in der Luft-und Raumfahrttechnik genutzten Bearbeitungstechniken lassen sich nur ganz schwer oben gezeigte, komplexe Teile realisieren. Diese Einschränkung gilt insbesondere, wenn das Teil eine geschlossene Kontur mit einem inneren Mechanismus besitzt. Dies verhindert jede Bearbeitung über ein herkömmliches Verfahren.

Heutzutage überwindet die additive Fertigung diese Probleme und bietet dadurch den Designern und Ingenieuren mehr Freiheit bei der Modellierung und Herstellung, während gleichzeitig Material- und Kraftstoffkosten eingespart werden können.

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