Topologieoptimierung 101:Verwendung algorithmischer Modelle zur Erstellung von Leichtbaukonstruktionen

Wo trifft gutes Design auf Funktion? Da sich das computergestützte Design (CAD) weiterentwickelt und fortschrittliche Fertigungstechniken wie der 3D-Druck immer weiter verbreitet werden und die Herstellung komplexer Teile einfacher als je zuvor wird, können Designer und Ingenieure Topologieoptimierungssoftware nutzen, um Grenzen zu überschreiten und neue Wege zu finden Designeffizienz maximieren.

In diesem Handbuch erfahren Sie mehr über die Grundlagen der Topologieoptimierung, ihre Vorteile und Anwendungen und welche Softwaretools Sie für den Einstieg verwenden können.

Was ist Topologieoptimierung?

Die Topologieoptimierung (TO) ist eine Formoptimierungsmethode, die algorithmische Modelle verwendet, um das Materiallayout innerhalb eines benutzerdefinierten Raums für einen bestimmten Satz von Lasten, Bedingungen und Randbedingungen zu optimieren. TO maximiert die Leistung und Effizienz des Designs, indem überflüssiges Material aus Bereichen entfernt wird, die keine signifikanten Lasten tragen müssen, um das Gewicht zu reduzieren oder Designherausforderungen wie die Reduzierung von Resonanzen oder thermischen Belastungen zu lösen.

Designs, die mit Topologieoptimierung hergestellt werden, enthalten oft freie Formen und komplizierte Formen, die mit traditionellen Produktionsmethoden komplex oder unmöglich herzustellen sind. TO-Designs passen jedoch perfekt zu additiven Fertigungsverfahren, die fehlerverzeihendere Designregeln haben und komplexe Formen ohne zusätzliche Kosten leicht reproduzieren können.

Topologieoptimierung vs. generatives Design

Generatives Design und Topologieoptimierung sind zu Schlagworten im CAD-Designbereich geworden, aber es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass sie synonym sind.

Topologieoptimierung ist nicht neu. Es gibt es seit mindestens 20 Jahren und ist in gängigen CAD-Softwaretools weit verbreitet. Zu Beginn des Prozesses muss ein menschlicher Ingenieur ein CAD-Modell erstellen, das Lasten und Beschränkungen unter Berücksichtigung der Projektparameter anwendet. Die Software entfernt dann redundantes Material und generiert ein einziges optimiertes Netzmodellkonzept, das für die Bewertung durch einen Ingenieur bereit ist. Mit anderen Worten, die Topologieoptimierung erfordert von Anfang an ein vom Menschen entworfenes Modell, um zu funktionieren, was den Prozess, seine Ergebnisse und seinen Umfang einschränkt.

In gewisser Weise dient die Topologieoptimierung als Grundlage für generatives Design. Generatives Design geht noch einen Schritt weiter und macht das anfängliche, vom Menschen entworfene Modell überflüssig und übernimmt die Rolle des Designers basierend auf den vordefinierten Einschränkungen.

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Funktionsweise der Topologieoptimierung

Die Topologieoptimierung findet normalerweise gegen Ende des Konstruktionsprozesses statt, wenn das gewünschte Teil ein geringeres Gewicht haben oder weniger Material verwenden muss. Der Designer arbeitet dann daran, bestimmte voreingestellte Parameter zu ermitteln, wie zum Beispiel aufgebrachte Lasten, Materialtyp, Beschränkungen und Layout.

Die Optimierung der Strukturtopologie bestimmt zunächst den minimal zulässigen Bauraum, der für die Formoptimierung des Produkts erforderlich ist. Anschließend übt die Topologieoptimierungssoftware aus verschiedenen Blickwinkeln Druck auf das Design aus, testet seine strukturelle Integrität und identifiziert unnötiges Material.

Der Workflow zur Topologieoptimierung. (Quelle)

Die gebräuchlichste und praktischste Technik zur Topologieoptimierung ist die Finite-Elemente-Methode (FEM). Erstens berücksichtigt FEM das geometrische Design für den minimal zulässigen Platz – neben anderen Faktoren – und zerlegt das Design in Teile. Anschließend wird jedes finite Element auf Steifigkeit, Nachgiebigkeit und redundantes Material getestet. Schließlich näht FEM die Teile wieder zusammen, um das vollständige Design fertigzustellen.

Das Validieren des Designs beinhaltet das Bestimmen eines Schwellenwerts für das Elementdichtefeld zwischen einem Wert von 0 und 1. Ein Wert von 0 schließt Material in einem bestimmten Bereich der Struktur aus, während ein Wert von 1 den bestimmten Bereich als festes Material festlegt. Der Designer kann dann das Modell von allem unnötigen Material befreien und den Abschnitt zur Topologieoptimierung des Designs abschließen.

Vor der additiven Fertigung haben Designer viele der komplexen Formen, die durch die Topologieoptimierung erstellt wurden, verworfen, da sie nicht hergestellt werden konnten und ihr Potenzial ungenutzt blieb.

Vorteile der Topologieoptimierung

Ingenieure brauchen einen guten Grund, sich von klassischen Konstruktions- und Fertigungsmethoden zu lösen. Wenn ein innovatives Design nicht weniger kostet, besser funktioniert oder Zeit spart, wird ein Hersteller wenig Grund sehen, umzusteigen. Sehen wir uns die Vorteile der Topologieoptimierung an.

Geld sparen

Viele der komplexen Geometrien, die sich aus der Topologieoptimierung ergeben, würden die Produktionskosten mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht durchführbar machen. In Kombination mit dem 3D-Druck entstehen für diese Komplexität jedoch keine zusätzlichen Kosten.

Die Herstellung von 3D-gedruckten Teilen kann immer noch teurer sein als ihre nicht optimierten, traditionell hergestellten Gegenstücke, aber diese Leichtbaukonstruktionen können den Herstellern auf andere Weise größere Kosteneinsparungen bieten:

• Bessere Kraftstoffeffizienz, da weniger Energie benötigt wird, um Teile dank der geringeren Reibung in Bewegung zu setzen (Flugzeuge, Autos)

• Geringere Verpackungs- und Transportkosten

• Weniger schwere Maschinen für Montagelinien erforderlich

Designherausforderungen lösen

Die Topologieoptimierung kann häufige Herausforderungen im Designprozess lösen, wie zum Beispiel die folgenden:

• Resonanz tritt auf, wenn die von einer Form in einem System zugelassene Kraft das System überwältigt. Dies kann zu mechanischer Verformung, Reduzierung der mechanischen Struktur und Schadstoffemissionen führen.

• Thermische Belastung ist jede Änderung der Temperatur eines Materials – aufgrund von Reibung oder anderen Faktoren – die zu thermischer Ermüdung und Verformung innerhalb eines Systems führt.

Manchmal umfasst die Designoptimierung konkurrierende Zielfunktionen wie Größenoptimierung und Gewicht. Beispielsweise profitieren Luft- und Raumfahrtteile vom geringen Gewicht, müssen aber auch enormen Drehmomenten, Belastungen und Hitze standhalten. Ein Algorithmus kann ein Design ausbalancieren, um jede dieser Zielfunktionen zu berücksichtigen und den Sweet Spot zu finden.

Zeit sparen

Obwohl die Arbeit mit Topologieoptimierungssoftware immer noch erhebliches Fachwissen erfordert, können TO-Tools schnell Hochleistungsdesigns erstellen, die ein Ingenieur nicht manuell erstellen könnte. Dies bedeutet weniger Zeit und Energieaufwand für die CAD-Konstruktion und zuverlässige Endergebnisse mit weniger Iterationen des Designs.

Wenn es um die Herstellung der Teile geht, können additive Fertigungsverfahren auch die Endteile schnell umdrehen, da sie nicht viel schneller Werkzeuge erfordern als herkömmliche Herstellungsmethoden.

Reduzierung der Umweltbelastung

Die Schaffung kleinerer, leichter Produkte reduziert den gesamten CO2-Fußabdruck eines Herstellers, indem von vornherein weniger Baumaterial benötigt wird. Im Vergleich zu herkömmlichen subtraktiven Fertigungswerkzeugen benötigen durch additive Verfahren hergestellte Teile im Allgemeinen auch weniger Rohmaterial und produzieren weniger Abfall.

Oftmals treten die größten Einsparungen während der gesamten Lebensdauer der Teile auf. Leichte Teile für Flugzeuge reduzieren beispielsweise ihre Umweltbelastung, indem sie weniger Treibstoff verbrauchen.

Fehler beseitigen

Im Grunde geht es bei der Topologieoptimierung um die Beseitigung von Fehlern. Durch die Durchführung von Stresstests berücksichtigt der Prozess eine Vielzahl von Variablen und vermeidet riskante Annahmen, die zu fehlerhaften Produkten führen könnten.

Anwendungen der Topologieoptimierung

Die leistungsstarken, effizienten und leichten Designs, die mit Topologieoptimierungstechniken möglich sind, gelten in einer Vielzahl von Branchen.

Luft- und Raumfahrt

Aufgrund der Bedeutung der Gewichtsreduzierung ist die Topologieoptimierung eine natürliche Ergänzung für die Luft- und Raumfahrttechnik. TO wurde zum Beispiel verwendet, um das Layout-Design für Flugzeugzellenstrukturen wie Versteifungsrippen oder Halterungen für Flugzeuge zu verbessern.

Über den strukturellen Leichtbau hinaus kann die Topologieoptimierung dazu beitragen, das Potenzial fortschrittlicher Fertigungstechnologien wie der additiven Fertigung oder Verbundwerkstoffen, die in der Branche immer beliebter werden, zu erschließen.

Topologieoptimierung einer Randrippenkomponente eines Airbus A380. (Quelle)

Automotive

In der Automobilindustrie bringt die Topologieoptimierung das Gleichgewicht zwischen der Erwünschtheit von Leichtbauteilen im Hinblick auf Kraftstoffeffizienz und Leistung mit der Stabilität und Festigkeit einer Karosserie, die Drehmomenten und Stößen standhält.

Neben Masseneinsparungen kann die Topologieoptimierung auch die Insassensicherheit verbessern, indem definiert wird, wie eine Struktur bei einem Unfall zusammenbricht.

Ein leichter, topologieoptimierter Motorradrahmen, hergestellt im Metall-3D-Druck. (Quelle)

Medizin

Die additive Fertigung ist ideal für die Herstellung medizinischer Implantate, da sie es Medizinern ermöglicht, Freiformformen und -oberflächen sowie poröse Strukturen herzustellen. Dank der Topologieoptimierung können die Designs leichtere Gitterstrukturen aufweisen, eine verbesserte Osseointegration bieten und länger halten als andere Implantate.

TO-Tools können auch das Design von biologisch abbaubaren Gerüsten für Tissue Engineering, poröse Implantate und leichte Orthopädie optimieren. Nanotechnologieanwendungen – wie Zellmanipulation, Chirurgie, Mikroflüssigkeiten und optische Systeme – nutzen ebenfalls die Topologieoptimierung.

Schädelimplantat, hergestellt mit metallischer additiver Fertigung. Quelle:Autodesk

Topologieoptimierungssoftware

Designer erkennen zunehmend die Vielseitigkeit, Geschwindigkeit und robusten Fähigkeiten der Nutzung der Topologieoptimierung. Softwareunternehmen reagieren darauf, indem sie die erforderlichen Toolkits bereitstellen, entweder im Rahmen ihrer bereits bestehenden Angebote oder durch neue Softwarelösungen.

Im Folgenden sind einige Beispiele für Software zur Topologieoptimierung aufgeführt:

• nTopology bietet ein „einzigartiges Toolset generativer Konstruktions- und Automatisierungsfunktionen“, das den Konstruktionsprozess durch die Kombination fortschrittlicher Geometrie, Simulationen und experimenteller Daten beschleunigt. Seine Geometrie-Engine findet in einer Vielzahl von Anwendungen Anwendung, von der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie über das Design von Footballhelmen bis hin zu patientenspezifischen Geräten im medizinischen Bereich.

• SOLIDWORKS Simulation Solutions bietet eine Topologieoptimierung in ihren Strukturanalysewerkzeugen und bietet mehrere Methoden, um diese optimierten Konstruktionen zurück in eine CAD-Umgebung zu bringen.

• Die Cloud-basierte CAD-Plattform Fusion 360 von Autodesk bietet Formoptimierung und erweiterte Funktionen zur Unterstützung der Konstruktionsprüfung für die Fertigung mit herkömmlichen und digitalen Fertigungswerkzeugen wie dem 3D-Druck.

• Die generative Designsoftware Creo 7.0 enthält die Erweiterung Generative Topology Optimization, die es Benutzern ermöglicht, Produktbeschränkungen und -anforderungen zu berücksichtigen und "schnell innovative Designoptionen zu erkunden, um Entwicklungszeit und -kosten zu reduzieren".

• Altaire OptiStruct integriert strukturelle Optimierung und Analyse. Es ist auf Leichtbau und strukturelle Effizienz spezialisiert und verfügt über eine proprietäre Methode zur Topologieoptimierung beim Entwurf von Gitterstrukturen. Seine integrierte multiphysikalische Umgebung – einschließlich Wärmeübertragung, Vibrationen und Akustik, Rotordynamik sowie Steifigkeit und Stabilität – unterstützt das Design in Bereichen wie Unterhaltungselektronik, Flugzeugmodellierung und Medizintechnik.

• Tosca Structure arbeitet innerhalb der FEA-Software und bietet realistische Simulationsmodelle mit der Fähigkeit, die Geometrie schnell und zuverlässig zu ändern. Seine Morph-Fähigkeit ermöglicht die Formoptimierung am bestehenden Finite-Elemente-Masch unter Umgehung von Zwischenschritten und ist besonders wichtig für Konstrukteure mechanischer Strukturen.

Eine glänzende Zukunft für Innovation

Ingenieure wenden zunehmend innovative Methoden zur Konstruktion von Prototypen, Maschinenteilen und Konsumgütern an.

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Titelbildquelle:nTopology