{"id":3870,"date":"2020-12-10T16:00:24","date_gmt":"2020-12-10T15:00:24","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=3870"},"modified":"2020-12-10T16:06:52","modified_gmt":"2020-12-10T15:06:52","slug":"topologie-optimierung-3d-druck-281220161","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/topologie-optimierung-3d-druck-281220161\/","title":{"rendered":"Topologie-Optimierung f\u00fcr den 3D-Druck"},"content":{"rendered":"

Die additive Fertigung<\/a> erm\u00f6glicht im Gegensatz zu den traditionellen Bearbeitungstechniken die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, deren Gesamtgewicht mit einer numerischen Methode, der so genannten „Topologie-Optimierung“, optimiert werden kann. Dadurch ist es auch m\u00f6glich, die mechanische Festigkeit des hergestellten Teils zu maximieren. Die topologische Optimierung ist in der Tat eine Unterdom\u00e4ne der numerischen Konstruktion, die es erm\u00f6glicht, dank mathematischer Formeln die optimale Materialverteilung in einem gegebenen Volumen zu finden, das mehr oder weniger wichtigen mechanischen Zw\u00e4ngen unterworfen ist.<\/p>\n

Die Topologie-Optimierung besteht also darin, das Material dort, wo die Spannungen nicht durchgehen, mit Hilfe einer speziellen Software zu „entfernen“. Zu den bekanntesten L\u00f6sungen geh\u00f6ren Ansys Discovery, Tosca von Dassault Syst\u00e8mes, Within Labs von Autodesk<\/a>, Inspire von SolidThinking, Netfabb und Simufact Additive.<\/p>\n

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Der Entwurfsprozess durch Topologie-Optimierung<\/p><\/div>\n

Topologie-Optimierung, wie funktioniert sie?<\/h3>\n

Konventionelle numerische Konstruktionsverfahren beinhalten das Aufbringen von Lasten auf ein bereits gefertigtes Teil und die Bewertung, wo dieses geschw\u00e4cht wird. Die Ingenieure m\u00fcssen die Konstruktion dann so lange \u00fcberdenken, bis das Teil die vorgegebenen mechanischen Einschr\u00e4nkungen erf\u00fcllt. Bei der Topologie-Optimierung ist die Logik anders: Die mechanischen Belastungen sind die Eingangsdaten, die es der Software erm\u00f6glichen, eine neue Geometrie f\u00fcr das Teil vorzuschlagen. Die Iterationen sind daher a priori weniger zahlreich, was die Entwurfs- und Herstellungsvorlaufzeiten erheblich verk\u00fcrzt<\/strong>.<\/p>

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Konkret beginnt die topologische Optimierung mit der Erstellung eines groben 3D-Modells w\u00e4hrend des Entwurfs oder mit der Verwendung eines vorhandenen Teils f\u00fcr eine Entwicklung, auf das verschiedene Lasten und Kr\u00e4fte, die von dem Teil getragen werden (z.B. ein Druck auf die Befestigungslaschen), ausge\u00fcbt werden. Die Software berechnet dann alle angewandten Spannungen.<\/p>\n

Auf dieser Ebene kann ein Schneiden des Teils durchgef\u00fchrt werden, um die nicht beanspruchten Teile zu entfernen. Ein Entwurf des zuk\u00fcnftig optimierten Teils ist dann bereits sichtbar. Die endg\u00fcltige Geometrie, die sowohl die mechanischen als auch die konstruktiven Anforderungen erf\u00fcllt, kann dann nach dem Gl\u00e4tten des Teils endlich erreicht werden. Schlie\u00dflich erf\u00fcllt die Topologie-Optimierung entweder eine Notwendigkeit zur Massenreduzierung<\/strong> oder eine Erh\u00f6hung der mechanischen Festigkeit<\/strong> des Teils.<\/p>\n

\"Topologie-Optimierung\"

Bildnachweis: Frustum\/3D Systems<\/p><\/div>\n

Software f\u00fcr die Topologie-Optimierung<\/h3>\n

Nicht jede CAD-Software<\/a> bietet diese Topologie-Optimierungsfunktion: Auch wenn sie nicht unbedingt im Modellierungs- und Fertigungsprozess eingesetzt wird, kann es vorteilhaft sein, sich f\u00fcr eine L\u00f6sung zu entscheiden, die sie beinhaltet, um sicher zu sein, ein optimales Teil zu entwerfen. Einige Herausgeber haben deshalb spezielle Softwares entwickelt. Einer der Pioniere ist wahrscheinlich Altair mit seiner allerersten OptiStruct L\u00f6sung, zu der sich sp\u00e4ter eine weitere L\u00f6sung gesellte, Altair Inspire. Wir k\u00f6nnen auch Ansys, Dassault Syst\u00e8mes, Autodesk und nTopology<\/a> erw\u00e4hnen. Es gibt viele CAD-Softwareprogramme, die Funktionen zur Optimierung Ihres Teils enthalten – man denke nur an Solidworks<\/a>, Creo und Fusion 360<\/a>.<\/p>\n

Wie Sie sehen, ist die Wahl der richtigen Software zur Topologie-Optimierung ein wichtiger Schritt, da das Werkzeug es Ihnen erm\u00f6glicht, die Randbedingungen des zu erstellenden Teils entsprechend dem Herstellungsmaterial, den geometrischen Eigenschaften und den auferlegten mechanischen Belastungen zu definieren. Es werden die verschiedenen Lastf\u00e4lle analysiert, ob das Teil normal oder im Extremfall verwendet wird, aber auch der f\u00fcr die Konstruktion zur Verf\u00fcgung stehende Raum und die nicht zu ver\u00e4ndernden Bereiche. Er wird daher in dieser Entwurfsphase Ihr bester Verb\u00fcndeter sein.<\/p>\n

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Heute sind mehrere Softwareprogramme verf\u00fcgbar<\/p><\/div>\n

Wer verwendet die Topologie-Optimierung und zu welchem Zweck?<\/h3>\n

Die Automobilindustrie<\/a> hat sich diesem Problem aus Gr\u00fcnden der direkten Kostenreduzierung durch die Einsparung von Rohstoffen im Zusammenhang mit Seriengr\u00f6\u00dfen schnell zugewandt. In der Tat bedeutet ein Gewinn von wenigen Gramm pro Fahrzeug bei einer Produktion von mehreren Millionen Einheiten eine Materialeinsparung von mehreren Tonnen. Man denkt direkt an das 3D-gedruckte Fahrgestell des Light Rider<\/a>, ein Teil, das dank optimaler Materialverteilung nur 6 Kilo wiegt. Ein j\u00fcngeres Beispiel ist das Radaufh\u00e4ngungssystem f\u00fcr Fiat Chrysler Automobiles<\/a>, das mehr als 12 verschiedene Komponenten in einem einzigen Teil vereint. Durch den Einsatz der topologischen Optimierung h\u00e4tten die Konstrukteure das Endgewicht um 36% reduziert.<\/p>\n

Die Luftfahrt<\/a> ist zweifellos ein weiterer Sektor, der sehr an einer topologischen Optimierung interessiert ist, um die indirekten Kosten zu senken. Ein leichteres Flugzeug verbraucht weniger Treibstoff, was f\u00fcr eine Fluggesellschaft auf lange Sicht zu erheblichen Einsparungen f\u00fchrt. Das bewies der Konstrukteur Andreas Bastian mit seinen Flugzeugsitzen: Er hatte sich eine 54% leichtere Konstruktion vorgestellt, die zusammengenommen eine sehr hohe Gewichtsreduktion f\u00fcr ein Flugzeug darstellen w\u00fcrde. \u00dcber den Gewichtsaspekt hinaus erlaubt die Topologie-Optimierung vor allem dem Luftfahrtsektor, sich viel komplexere Formen vorzustellen, da sich die Industrie von den Zw\u00e4ngen befreit, die durch eine Form auferlegt werden.<\/p>\n

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Im medizinischen Bereich erm\u00f6glicht die Topologie-Optimierung den Entwurf widerstandsf\u00e4higerer Implantate | Bildnachweis: Nuvasiv<\/p><\/div>\n

Schlie\u00dflich besch\u00e4ftigt sich die \u00c4rzteschaft mit dieser Konstruktionsmethode, insbesondere f\u00fcr die Herstellung ma\u00dfgefertigter Implantate: Sie erm\u00f6glicht es, die Dichte und Steifigkeit von Knochen nachzuahmen und gleichzeitig ihr Gesamtgewicht zu reduzieren. Tats\u00e4chlich enthalten viele Implantate Gitterstrukturen und bleiben genauso stark wie die traditionell konzipierten, in einigen F\u00e4llen sogar st\u00e4rker.<\/p>\n

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