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.