3 Vorteile der Topologieoptimierung, die Ihr Produktteam nicht verpassen darf

Die Topologieoptimierung (TO oder TopOp) ist eine mathematische Methode, die das Materiallayout innerhalb eines gegebenen Raums unter Berücksichtigung gegebener Belastungs- oder Grenzbeschränkungen optimiert. Die Topologieoptimierung ermöglicht es Designern, eine mechanische Komponente oder ein mechanisches Teil zu optimieren, typischerweise durch Materialreduzierung.

Die Topologieoptimierung ist eine Form des generativen Designs, die sich auf die Kombination von drei verschiedenen Disziplinen – Design, Simulation und Optimierung – bezieht, um eine Simulation zu erstellen, die Tausende von Millionen Freiheitsgraden berücksichtigt, um eine optimale Lösung zu erstellen.

Die Topologieoptimierung ermöglicht es Designern, ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Erschwinglichkeit zu erreichen und zu bestimmen, wie ein ausreichend starkes Teil mit möglichst wenig Material hergestellt werden kann. Dies geschieht auf eine Weise, die ohne die Hilfe eines Computers unglaublich schwierig zu erreichen wäre. Dies kann manchmal zu seltsamen Formen führen, weshalb die Topologieoptimierung Hand in Hand mit der additiven Fertigung geht; 3D-Druck ist das effektivste Werkzeug zur Herstellung dieser komplexen Teile.

Software zur Topologieoptimierung ermöglicht es Designern letztendlich, die Freiheiten zu nutzen, die die additive Fertigung bietet. Bis vor kurzem war es jedoch für viele Produktteams unerschwinglich teuer. Erst in den letzten Jahren wurde die Topologieoptimierung zu einer integrierten Funktion in vielen gängigen CAD-Programmen, wodurch sie weitaus zugänglicher wurde. Hier ist, was Produktteams über dieses leistungsstarke Tool wissen müssen.

So funktioniert die Topologieoptimierung

Die beliebtesten und praktischsten Methoden zur Topologieoptimierung basieren auf Finite Elemente (FE). FE bezieht sich auf eine Entwurfsmethode, die sich auf Simulationen stützt, um zu bestimmen, welche Bereiche eines Objekts strukturell nicht kritisch sind und daher möglicherweise entfernt werden können.

Der erste Schritt zur FE-basierten Topologieoptimierung besteht darin, die Lasten, Vorrichtungen, Einschränkungen und den „Designraum“ oder das maximale Volumen zu definieren, das ein bestimmtes Teil potenziell einnehmen kann. Die Software analysiert dann die spezifischen Beschränkungen, um mehrere Konstruktionsoptionen für Teile anzubieten und den Konstrukteur in Richtung der bestmöglichen Konstruktion zu führen. Wenn ein Design ausgewählt wird, wiederholt die Software den Vorgang, um die Geometrie zu verfeinern

Im Allgemeinen verbrauchen Teile, die mit Topologieoptimierung entworfen wurden, weniger Material, um die gleichen oder bessere Ergebnisse zu erzielen, was sich in direkten Kosteneinsparungen und einem verbesserten Produkt niederschlägt. Da die Topologieoptimierung bei vielen Konstruktionen überschüssiges Gewicht reduzieren kann, ist die Technologie besonders beliebt bei Metallkomponenten in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie, die beide von einer erhöhten Kraftstoffeffizienz profitieren, wenn das Volumen oder Gewicht der Teilematerialien reduziert wird. Da die Topologieoptimierung und die additive Fertigung es Designern ermöglichen, organische Formen genau nachzuahmen, wird die Technologie außerdem zunehmend für medizinische Anwendungen genutzt.

Vorteile der Topologieoptimierung

Die Vorteile der Topologieoptimierung gehen über die Materialreduktion hinaus. Zu den weiteren Vorteilen gehören:

• Ein verkürzter Designprozess: Die Topologieoptimierung kann die Produktentwicklungszeiten drastisch verkürzen – was sich in reduzierten Kosten niederschlägt. Der automatisierte Prozess führt im Allgemeinen in viel kürzerer Zeit zu leistungsfähigeren Teilen, als dies für herkömmliche Konstruktionsmethoden erforderlich wäre.
• Bessere Leistung: Das beste Design für ein bestimmtes Teil ist nicht immer intuitiv, und es ist möglich, dass ein Designteam ohne die Hilfe eines Computers nie darauf gekommen wäre. Algorithmen zur Topologieoptimierung haben nicht die Vorurteile, die Menschen haben, daher neigen sie dazu, Ästhetik und gängige Designregeln zugunsten einer verbesserten Leistung zu missachten.

Höhere Energie- und Kosteneffizienz. Die Topologieoptimierung eliminiert unnötige Funktionen oder Materialien, wodurch sowohl Abfall als auch Kosten reduziert werden. Da diese Teile außerdem leichter sind, senken sie tendenziell auch den Energiebedarf in ihren Endanwendungen.

Beliebte Software zur Topologieoptimierung

Die Topologieoptimierungssoftware kann als eigenständiges Tool oder als CAD-integriertes Modul erworben werden. Zwei Hauptakteure in der Topologieoptimierung sind Altair und Dassault Systèmes. Altair veröffentlichte das OptiStruct-Tool erstmals 1994, und General Motors war sein erster Kunde. Dassault Systèmes ist für mehrere beliebte TopOp-Module verantwortlich, darunter Tosca und ATOM.

Eine Handvoll gängiger CAD-Programme, darunter Solidworks und Creo, verfügen über integrierte Tools zur Topologieoptimierung. Beachten Sie, dass diese Tools in der Regel weniger leistungsstark und funktionsreich sind als eigenständige TO-Software. Sie sind jedoch in der Lage, während des Designprozesses wertvolle Erkenntnisse zu liefern.

nTop Platform ist eine neuartige CAD-Software, deren integrierte TopOp-Module die Datenausgabe von Simulationen ermöglichen, um Konstruktionsparameter wie variable Wandstärken oder Gitterträgerstärken direkt zu steuern und neue Funktionalitäten in die Softwarelandschaft zu bringen.

Erste Schritte mit der Topologieoptimierung

Sowohl moderne Unternehmen als auch Verbraucher verlangen nach Lösungen, die schneller, effizienter, effektiver und umweltfreundlicher sind als je zuvor. Die Topologieoptimierung kann Produktteams diese und weitere Vorteile bieten. Glücklicherweise wird die Technologie auch immer breiter zugänglich. Um jedoch das Beste aus der TO-Software herauszuholen und den Produktentwicklungsprozess zu optimieren, ist es erforderlich, dass die Teams über ein tiefes funktionales Wissen zur effektiven Nutzung der Technologie verfügen.

Produktteams aller Formen und Größen, die daran interessiert sind, die Topologieoptimierung zu nutzen, um leistungsfähigere, kostengünstigere Teile schnell zu erstellen, können sich an die Experten von Fast Radius wenden. Unser Team aus erfahrenen Designern, Ingenieuren, Technologen und Projektmanagern ist Experte für digitales Design, Simulation und Leistungsoptimierung. Unsere Mission ist es, unseren Kunden dabei zu helfen, neue Dinge möglich zu machen.

Kontaktieren Sie uns noch heute, um mehr zu erfahren, und informieren Sie sich in unserem Schulungszentrum über die neuesten Fertigungstechnologien.