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Einführung

Die automatisierte Topologie Optimierung findet immer mehr Anwendungen im Bereich Konstruktion und Fertigung. Mit dieser Technologie können große Materialeinsparungen an Bauteilen erzielt werden. Dies bietet nicht nur Vorteile für die Kunden, sondern auch bei bewegten Bauteilen in der eigenen Produktion kann dies zu Energie Einsparungen und Verkürzung der Taktzeiten führen.

Zum aktuellen Stand

Topologie Optimierung (Gestalt/Geometrie Verbesserung nach bestimmten Merkmalen) findet in zwei Bereichen Anwendung:

  • Zur Verbesserung von Strömungsverhalten im Bauteil
  • Zur Gewichtsreduktion oder Bauraumoptimierung

Abhängig von Bauteil und Belastung können große Mengen an Material bei gleichbleibender Festigkeit eingespart werden, wodurch sich bei bewegten Bauteilen im Prozess höhere Geschwindigkeiten realisieren lassen und/oder Energie eingespart werden kann. In Kombination mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich komplexe Bauteile realisieren und somit die Vorteile vollkommen ausschöpfen.
Die Topologie Optimierung lässt sich jedoch nicht nur im Prozess der additiven Fertigung einsetzen, sondern auch bei konventionellen Fertigungstechniken. Dann werden aufgrund der verhältnismäßig eingeschränkteren geometrischen Möglichkeiten, geringere Effizienzgewinne ermöglicht. Da der Konstrukteur bei seiner Arbeit unterstützt wird und immer noch genannte Effekte auftreten, ist auch in diesem Fall eine Einführung überlegenswert.
So werden beispielsweise Gussmodelle und -teile oder 2D-fräsbare Bauteile mittels Topologie Optimierung konstruiert.
Die Optimierung beschränkt sich dabei nicht nur auf die Verbesserung von Bauteilen, sondern auch in der Entwicklung neuer Bauteile.
Die Software, um solche Simulationen durchzuführen, befindet sich heute schon in den meisten gängigen CAE-Systemen als Zusatzmodul und ermöglicht es, in der gewohnten Arbeitsumgebung neue Kompetenzen aufzubauen.

Technologieverbreitung

Prototypen und Demonstratoren vorhanden
Branchenübergreifender Einsatz
KMU geeignet?

Technologiebeschreibung

Bei der Topologie Optimierung muss zunächt ein Bauraum angegeben werden. Dieser kann aus einem vorhandenen Teil bestehen (Abbildung 1) oder frei erstellt werden. Dabei müssen Baugruppen oder -teilen berücksichtigt werden, um zu verhindern, dass es bei der Montage zu möglichen Kollisionen kommt.

Im Anschluss müssen die Funktionsflächen wie bspw. Bohrungen und Anschläge angeben werden.

Designoptionen ermöglichen hier eine den Fertigungsmitteln entsprechende Optimierung.
Beispiele hierfür sind:

  • Extrusionsrichtung (als Vorbereitung zum 2D-Fräsen)
  • Material Spreading (Ermöglichen von Stabstrukturen),
  • Symmetrie (positiver Einfluss auf die Berechnungszeit).

Anhand der angegebene Randbedingungen (Lasten, Lagerbedingungen und spezifischen Optimierungszielen) wird nach Gewicht, Sicherheitsfaktor oder auch einem Spannungsmaximum optimiert.

Das Ausgangsbauteil (Abbildung 1) hat ein Gewicht von etwa 8 kg. Abbildung 2 zeigt den Bauraum des Bauteils, der zuvor definiert wurde. In Abbildung 3 und 4 werden unterschiedliche Optimierungsmethoden gezeigt. Die Optimierung, die in Abbildung 3 zusehen ist, wurde so optimiert, dass sie mittels 3D-Druck bzw. Additiven Fertigungsverfahren durchgeführt werden kann.  In Abbildung 4 wurde eine Optimierung unter der Prämisse zur Fertigung mittels 2D-Fräsen durchgeführt.

Schrittweise Einführung einer

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