Die Topologieoptimierung in der Praxis ist die Entwicklung und Optimierung eines Bauteils anhand eines vorgegebenen Bauraums unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Lastprofils.
Dieser Entwicklungsprozess wird auch als generatives Design bezeichnet. Das hier gezeigte Beispiel der Topologieoptimierung einer Schwinge, die als Halterung für ein Gerät verwendet wird, entstand mit freundlicher Genehmigung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Kundenanforderungen für das Design der Schwinge
An einem solarbetriebenen Flugzeug, das in der Stratosphäre über längere Zeit im Einsatz ist, soll eine rotierende Kamera an einer zu entwickelnden Schwinge befestigt werden. Neben den mechanischen Anforderungen durch die Rotation des Geräts, sind für die Auslegung der Schwinge ebenfalls Einflussfaktoren, wie die großen Temperaturunterschiede und die UV- Strahlung zu beachten. Weiterhin ist für die Bauteilherstellung ein geeignetes Material, sowie ein geeignetes Fertigungsverfahren zu wählen.
Die Anforderung unseres Kunden besteht darin, das Gewicht der Halterung zu minimieren und die Steifigkeit zu maximieren. Die Form sollte sich trotz Drehung um zwei Achsen weitestgehend nicht verändern. Die Halterung (Schwinge) auf der das Gerät montiert ist, soll dabei lediglich kleine Bewegungen zulassen. Trotz geringen Gewichts ist die Steifigkeit des Bauteils so zu gestalten, dass Handling und Montage einfach möglich sind.
Ergebnisse der Topologieoptimierung
Nach der von uns anhand mehrerer Simulationen durchgeführten Topologieoptimierung kann das Gewicht der Schwinge um 66% vom gewünschten Zielgewicht reduziert werden, ohne dass sich daraus Nachteile in der praktischen Handhabung durch eine zu filigrane Bauteilstruktur ergeben. Auch die Steifigkeit lässt sich somit um das 4-fache erhöhen.
Neben Gewicht, Steifigkeit und Handling des Bauteils, ist eine weitere Herausforderung hierbei die Herstellbarkeit. Somit ergeben sich zusätzliche Anforderungen an etwaige Bauraumbeschränkungen und thermische Einflussfaktoren bei der Herstellung des Bauteils. Der thermische Verzug eines durch 3D- Metalldruck hergestellten Bauteils ist dabei nicht zu unterschätzen und spielt besonders bei entsprechend filigranen Strukturen eine Rolle.
Bei der Materialauswahl aufgrund der erforderlichen mechanischen Steifigkeit und Festigkeit wäre ein Spritzgusskunststoff möglicherweise eine gute Option gewesen. Dieser Ansatz wurde aus Gründen der UV Strahlung, der sehr niedrigen Temperaturen und der zu geringen Steifigkeit aber wieder verworfen.
3D- Druck mit Metallen
Eine bessere Option für diesen speziellen Anwendungsfall ist der 3D- Druck mit Metallen (Metalldruck bzw. Lasersinterverfahren). Hierbei greift man gerne auf Metalle mit höheren Steckgrenzen und geringeren Steifigkeiten zurück. Zusätzlich ist darauf zu achten, dass die ursprüngliche Formgebung nicht zu groß ausfällt, da sich mit größeren Bauteilen nicht nur die Handhabung deutlich verkompliziert, sondern auch die Anzahl von Lieferanten reduziert, die eine solch große Form drucken können.
Ein Metall mit einer deutlich geringen Streckgrenze und eine günstigere Steifigkeit kann unter gewissen Umständen daher sehr gut funktionieren. Die zur Funktionalität des Bauteils vorgegebenen Designkriterien (z.B. Wandstärken, Radien oder Bohrungen) sind bei der Fertigung zu berücksichtigen. Auch ein möglicher Verzug durch die thermischen Effekte, die bei der Bauteilherstellung entstehen, ist im Vorfeld zu beachten.
Aus diesen Gründen ist es ratsam, den Fertigungsprozess selbst in einer zusätzlichen Simulation abzubilden:
Die Anforderungen unseres Kunden sind durch in mehreren Iterationsschritten durchgeführten Topologieoptimierungen in Kombination mit der Simulation der Fertigung erfüllt.
Somit sind wir nicht nur in der Lage, entsprechende Anforderungen an die Strukturmechanik von Bauteilen zu berücksichtigen, sondern können Ihnen auch gezielt helfen, wenn es darum geht, die Einflüsse durch Fertigungsverfahren und die dadurch entstehenden Wechselwirkungseffekte auf die Bauteilfestigkeit zu ermitteln und abzubilden.
Dieses Projekt entstand in Kooperation mit unserem langjährigen Partner Krotwaar Consulting and Engineering B.V. und dem deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).
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