Wie Topologieoptimierung und 3D-Druck neue Designmöglichkeiten erschließen

Die additive Fertigung (AM) bietet heute noch nie dagewesene Möglichkeiten für das Design und die Herstellung von Funktionsteilen. Um jedoch die von der Technologie gebotene Designkomplexität voll auszuschöpfen, ist Designsoftware wie die Topologieoptimierung erforderlich.

Topologieoptimierung ermöglicht die Herstellung stärkerer, leichter Teile. Der heutige Artikel untersucht, wie die Topologieoptimierung in Verbindung mit dem 3D-Druck Ingenieuren dabei helfen kann, ihren Ansatz für die Entwicklung und Herstellung von Teilen neu zu überdenken.

Was ist Topologieoptimierung?

Topologieoptimierung ist eine generative Entwurfstechnik, die die Geometrie eines Objekts durch mathematische Berechnungen optimiert.

Der Prozess der Optimierung der Form eines Teils beginnt mit der Definition des „Konstruktionsraums“, der das maximale Volumen darstellt, das ein Teil einnehmen kann. Anschließend analysiert die Software die Form anhand verschiedener Anforderungen wie Last, Verformung, Steifigkeitsbeschränkungen und Randbedingungen.

Auf diese Weise kann die Software Bereiche identifizieren, in denen das Material entfernt werden kann, ohne die Funktion oder Leistung des Teils zu beeinträchtigen.

Auf diese Weise hilft die Topologieoptimierung, die bestmögliche Struktur eines bestimmten Teils zu erstellen.

Die Vorteile der Topologieoptimierung

Ein schnellerer Designprozess 

Topologieoptimierungssoftware hilft, den Teileentwicklungs- und Konstruktionsprozess zu beschleunigen, indem die Konstruktion automatisch iteriert wird, bis eine optimierte Geometrie erstellt wird.

Indem die Leistungsanforderungen von Anfang an in das Design einfließen und der Designgenerierungsprozess automatisiert wird, ist es möglich, ein innovatives Design viel schneller zu entwickeln und letztendlich den Designzyklus zu beschleunigen.

Leichtere und stärkere Teile 

Der vielleicht größte Vorteil der Topologieoptimierung ist die Möglichkeit, die Leistung des Teils durch Reduzierung des Gewichts und Optimierung seiner Festigkeit zu verbessern.

Durch Hinzufügen oder Entfernen des Materials an Stellen, die durch eine Reihe von Parametern definiert werden, ermöglichen Topologie-Optimierungstools Ingenieuren, endlose Designoptionen zu erkunden und die bestmögliche leichte und dennoch belastbare Struktur eines bestimmten Teils zu finden .

Leichtere Teile werden von vielen Branchen nachgefragt. In der Luft- und Raumfahrt können Leichtbauteile beispielsweise den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen deutlich reduzieren, während sie im Motorsport die Leistung von Rennwagen radikal verbessern können , was die Herstellungskosten senkt.

Kombination von Topologieoptimierung und 3D-Druck 

Traditionelle Fertigungsansätze sind oft in ihrer Fähigkeit, topologisch optimierte Designs herzustellen, eingeschränkt. Solche Konstruktionen weisen oft komplexe Formen auf, die in der Regel nicht oder zu teuer durch spanende Bearbeitung oder Spritzguss hergestellt werden können.

3D-Druck hingegen ist in der Lage, komplizierte Formen ohne zusätzliche Kosten für Komplexität herzustellen. Dies macht 3D-Druck zur besten Technologie, um topologisch optimierte Designs optimal zu nutzen.

Topologieoptimierung in der Praxis 

Der kombinierte Einsatz von Topologieoptimierung und 3D-Druck findet sich in Branchen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik.

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrt ist einer der Top-Anwender topologisch optimierter Designs, dank der Vorteile leichter Teile, reduzierter Stützstrukturen und erhaltener Festigkeit der hergestellten Teile.

Optimierte und additiv gefertigte Komponenten erweisen sich als sehr wertvoll, um die Kosten für den Start von Satelliten und Raumfahrzeugen zu senken.

Ein gutes Beispiel ist der Flugzeugstrukturhersteller STELIA Aerospace, der mit Hilfe der Topologieoptimierung Flugzeugrumpfverkleidungen produziert.

Dank der Topologieoptimierung konnten Designer und Ingenieure von STELIA stärkere Flugzeugrumpfplatten mit verbesserter Stabilität entwickeln. Hinzu kommt ein ökologischer Zusatznutzen, da das topologieoptimierte Design zu weniger Materialverschwendung führt.

Medizin

Eine weitere Branche, die von der Topologieoptimierung profitiert, ist die Medizin. Funktionell optimierte Strukturen eröffnen neue Möglichkeiten für die Herstellung von Implantaten, die die Knochensteifigkeit und -dichte des Patienten nachahmen.

In einem aktuellen Beispiel dafür kombinierte das IT-Unternehmen Altair 3D-Druck- und Topologieoptimierungssoftware, um ein verbessertes Hüftschaftimplantat zu entwickeln.

Durch Eingabe von Parametern wie Größe, Gewicht und zu erwartender Belastung des Implantats wurde mithilfe einer Software zur Topologieoptimierung ein neues Design für ein Hüftimplantat erstellt. Das optimierte Design verteilt Belastungen und Belastungen effizienter als ein generisches Implantat.

Darüber hinaus half eine Software zur Topologieoptimierung zu bestimmen, wo das Material durch Gitterstrukturen ersetzt werden könnte, um das Implantat leichter zu machen.

Im Test bot das optimierte Implantat eine auf etwa 10 Millionen Zyklen erhöhte Lebensdauer. Das bedeutet, dass das Hüftimplantat das Joggen von Los Angeles nach New York und zurück überstehen könnte – zweimal.

Automotive

Im Jahr 2018 brachte BMW seinen ikonischen i8 Roadster auf den Markt, der über eine preisgekrönte 3D-gedruckte Metalldachhalterung verfügt.

Die Dachhalterung, ein kleines Bauteil, das das Auf- und Zusammenklappen des Autodachs unterstützt, erforderte ein neues Design, um die Leistung des Dachfaltmechanismus zu maximieren. Um dieses Ziel zu erreichen, kombinierten die Ingenieure von BMW 3D-Druck mit Software zur Topologieoptimierung.

Mit Hilfe der Software konnten die Ingenieure Parameter wie das Gewicht, die Größe des Bauteils und die Belastung eingeben. Die Software generierte dann ein Design, das die Materialverteilung des Teils optimierte.

Der Entwurf des Ingenieurteams war unmöglich zu gießen. Das Team stellte fest, dass der einzige Weg, dieses Design zu ermöglichen, der Metall-3D-Druck war.

Dank der Selective Laser Melting (SLM)-Technologie haben die Ingenieure eine Metalldachhalterung entwickelt, die zehnmal steifer und 44 Prozent leichter ist als die herkömmliche Alternative.

Beispiele für Topologieoptimierungssoftware für den 3D-Druck  

Viele IT-Unternehmen, die Konstruktions- und Simulationssoftware für den 3D-Druck anbieten, entwickeln auch Konstruktionslösungen mit Funktionen zur Topologieoptimierung. In diesem Abschnitt werfen wir einen Blick auf einige der vielversprechenden Angebote zur Topologieoptimierung für den 3D-Druck.

Altair Inspire

Altair ist ein globales Technologieunternehmen, das Software- und Cloud-Lösungen in den Bereichen Produktentwicklung, Hochleistungsrechnen und Datenanalyse anbietet.

Was es kann

Altair Inspire bietet eine Reihe von Topologieoptionen, darunter Optimierungsziele, Belastungs- und Verschiebungsbeschränkungen, Beschleunigungs-, Schwerkraft- und Temperaturbelastungsbedingungen.

Die Software zur Topologieoptimierung berücksichtigt auch die Einschränkungen des Herstellungsprozesses. Sie ermöglicht beispielsweise das Design für AM mit Überhangformsteuerungen, um Überhänge zu reduzieren und selbsttragendere Strukturen zu schaffen.

Ansys Mechanical

ANSYS ist ein Anbieter von Simulationssoftware und Konstruktionswerkzeugen für den Maschinenbau. ANSYS bietet Designern ein automatisiertes Tool zur Topologieoptimierung, das in seine gesamte Suite von Multiphysik-Software integriert ist.

Was es kann

Die Topologieoptimierung in Ansys Mechanical ermöglicht Ihnen die Berücksichtigung mehrerer statischer Belastungen in Kombination mit der Optimierung für Eigenfrequenzen (Modalanalyse) sowie die Erfüllung der Anforderungen an eine minimale Materialstärke. Darüber hinaus ist die Software darauf ausgelegt, Optimierungsergebnisse einfach zu validieren und den Konstruktionsprozess zu beschleunigen.

ParaMatters CogniCAD

Im Bereich der Konstruktions- und CAD-Software gibt es auch eine Handvoll Start-ups, die den Markt verändern wollen. ParaMatters wurde 2016 gegründet und hat die generative Designsoftware CogniCAD entwickelt.

Was es kann

CogniCAD bietet Berichten zufolge einen hochautomatisierten Arbeitsablauf basierend auf intern entwickelter Topologieoptimierung, hochauflösender Finite-Elemente-Analyse und rechnerischer Geometrie.

Es bietet eine Vielzahl von Belastungsbedingungen, Designziele und Einschränkungen, die dazu beitragen, dass das Design für den 3D-Druck geeignet ist.

nTopologie nTop-Plattform

nTopology wurde 2015 gegründet und bietet Design-Software. Im Mai letzten Jahres hat das Unternehmen seine Designsoftware Element veröffentlicht, die Tools für Designanalyse, Leichtbau und Optimierung bereitstellt.

Was es kann

In Bezug auf das Topologie-Optimierungstool ermöglicht die nTop-Plattform den Benutzern, mehrere Lastbedingungen anzuwenden und für eine Vielzahl von Leistungskriterien einschließlich Spannung, Verschiebung und Steifigkeit zu optimieren.

Sobald das Design optimiert wurde, ermöglicht das Tool die automatisierte Umwandlung von Topologieoptimierungsergebnissen in bearbeitbare Geometrie. Nach Angaben des Unternehmens können Sie dadurch Zeit und Mühe sparen, da ein schneller und wiederholbarer Prozess ohne manuelle Geometrierekonstruktion erforderlich ist.

Topologieoptimierung:ein neuer Designansatz

Topologieoptimierungssoftware für AM hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Sowohl große Softwareunternehmen als auch Start-ups entwickeln fortschrittliche Lösungen, um die Grenzen des Designs für den 3D-Druck zu verschieben.

Dank dieser Fortschritte können Unternehmen in einer Reihe von Branchen jetzt von größerer Designfreiheit, schnelleren Designzyklen und verbesserter Teileleistung profitieren.

Auf dem Weg in die Zukunft werden sich die Fähigkeiten der Topologieoptimierungssoftware für AM weiterentwickeln und neue, leistungsstarke Möglichkeiten eröffnen.