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Topologieoptimierung für additive Fertigung

Durch die Möglichkeiten der additiven Fertigung entstehen derzeit Designfreiheiten, die den Produktentwicklungsprozess in vielen Industriebereichen verändern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsverfahren sind deutlich komplexere Strukturen realisierbar, was wiederum für den Leichtbau völlig neue Wege eröffnet. Die Symbiose aus Topologieoptimierung und additiver Fertigung erlaubt die Verfolgung völlig neuartiger Ideen, die mit deutlich geringerem Zeitaufwand innerhalb eines Entwicklungsprozesses umgesetzt und bewertet werden können.

In Bild 1 wird dieser Prozess anhand des Ober- und Unterschenkels eines Sprungroboters des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.) in Oberpfaffenhofen dargestellt. Unter Vorgabe von Fertigungsrestriktionen, Lagerung und Belastungsszenarios – die aus einer vorangegangenen Mehrkörpersimulation (MKS) stammen – wird für einen definierten Bauraum die Topologieoptimierung hinsichtlich einer maximalen Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Materialaufwand berechnet. Das Ergebnis wird innerhalb der Ansys-Umgebung in eine geglättete CAD-Geometrie zurückgeführt, die im Anschluss für eine Validierungsberechnung benutzt wird. Die Masse konnte dabei im Vergleich zum ursprünglichen Entwurf um 40 Prozent reduziert werden. Gleichzeitig liessen sich der Maximalwert der Spannung sowie die maximale Verformung konstant halten.

Belastungsszenarien für Bewegungsabläufe

In einem weiteren Beispiel (Bild 2) wurde aus einer Mehrkörpersimulation (MKS) das maximale Belastungsszenario für einen bestimmten Bewegungsablauf ermittelt. Reaktionskräfte und -momente wurden an den Gelenken des in der Mitte liegenden Verbindungsstücks zunächst als Einheitslasten aufgebracht. Die sechs sich daraus ergebenden Lastfallszenarien wurden anschliessend in einer „min. Multiple Compliance“ Zielfunktion mit der jeweiligen Gewichtung der Maximalwerte im Zeitverlauf verwendet. Unter Berücksichtigung einer einzuhaltenden Maximalspannung bereits in der Topologieoptimierung wurde das Gewicht im Vergleich zum ursprünglichen Entwurf um etwa 10 Prozent reduziert. Die Festigkeit während des kompletten Bewegungsablaufs konnte schnell innerhalb der MKS mittels Component Mode Synthesis (CMS) durchgeführt und als weiterhin zulässig erklärt werden.

Topologieoptimierung ist ein mächtiges Werkzeug

Mit der Topologieoptimierung wird dem Ingenieur ein mächtiges Werkzeug zur Hand gegeben, um die Suche nach dem besten Design effektiver zu gestalten. Der Einsatz der Topologieoptimierung ist aber nicht nur auf die Strukturmechanik beschränkt, denn die Methoden finden viele Analogien in anderen Physikdomänen. So kann das Verfahren nach entsprechenden Anpassungen auch bei der Berechnung von Temperaturfeldern, im Bereich der Thermoelastik, bei elektromagnetischen Anwendungen, für Strömungssimulationen, in der Akustik, der Wellenausbreitung oder auch anderen physikalischen Gebieten verwendet werden. Ebenso lassen sich Multiphysik-Aufgaben damit lösen, indem mehrere Physikdomänen gleichzeitig abgedeckt werden. (mz)

Hannover Messe 2016: Halle 7, Stand C31

* Markus Kellermeyer ist Berechnungsingenieur bei der CADFEM GmbH.

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