Optimale Verwendung von Fertigungsrestriktionen in der Topologieoptimierung

Seit der ersten industriellen Revolution haben sich die Konstruktions- und Fertigungsmethoden schnell weiterentwickelt, wodurch die Abläufe schneller, billiger und präziser wurden. Heute hat die 4. industrielle Revolution oder Industrie 4.0, wie wir sie nennen, einen weiteren großen Sprung nach vorne bewirkt. Die Begriffe additive und subtraktive Fertigung sowie generative Konstruktion und Topologieoptimierung haben im Maschinenbau, besonders bei der Produktkonstruktion für Aufsehen gesorgt. In die letzten SOLIDWORKS Versionen wurden kontinuierlich neue Werkzeuge hinzugefügt, die mit den aktuellen Fertigungsmethoden Hand in Hand gehen.

Die Topologiestudie

Die Topologiestudie wurde in SOLIDWORKS 2018 als neuartiger Simulationstyp hinzugefügt. Ein intelligenter Algorithmus ermittelt hierbei die optimale Topologie, sowohl für konventionelle als auch für additive Fertigung. Somit erhält jeder Konstrukteur bereits am Anfang der Produktentwicklung optimale Designvorschläge. Die aufwendige Suche nach der besten Variante wird deutlich vereinfacht und es entstehen Produkte mit verbesserter Leistungsfähigkeit und Qualität. In diesem Blogbeitrag wird erörtert, wie Sie eine Topologiestudie richtig einrichten, um optimale Ergebnisse sowohl für die additive als auch für traditionelle Fertigungsmethoden zu erhalten.

Additive Fertigung

Bei der additiven Fertigung werden die 3D-Komponenten schichtweise aufgebaut, wobei die Verbindung der einzelnen Schichten durch einen Übergang vom geschmolzenen in einen festen Zustand erfolgt. Somit wird der Produktkonstruktion eine neuartige, organische Formgebung ermöglicht, die nicht auf die Regeln der traditionellen Fertigung beschränkt ist. Einhergehend mit dieser Freiheit und unzähligen Konstruktionsvariationen stellt sich jedoch die Frage: Was ist die optimale Form? Die Topologiestudie hilft entscheidend bei der Beantwortung dieser Frage, indem sie den bestmöglichen Konstruktionsvorschlag basierend auf Eingabeparametern und dem maximal zur Verfügung stehenden Bauraum macht.

Das Bauraummodell enthält das maximal mögliche Material rund um wesentliche Features der Komponente, das nicht entfernt oder verändert werden kann. Somit hat der Algorithmus die größtmögliche Freiheit, nicht benötigtes Material an unkritischen Stellen zu entfernen  und nur an den für die strukturelle Integrität notwendigen Positionen beizubehalten. Kritische Features, die nicht entfernt oder verändert werden können, wie Löcher und Stützstrukturen, können in der finalen Konstruktion mit Hilfe der Steuerung für den beibehaltenen (eingefrorenen) Bereich belassen werden. Eine Option für die Tiefe des beibehaltenen Bereichs kann ebenfalls integriert werden, um den ausgewählten Flächen eine Wanddicke zu verleihen.

Eine weitere Funktion, die bei 3D-Druckteilen zu berücksichtigen ist, ist die maximale oder minimale Dicke, da das Teil aus Schichten mit gleichen Dicken besteht. Um die richtige Dimension zu gewährleisten, können Sie innerhalb der Fertigungsrestriktionen der Topologiestudie eine Schichtdickensteuerung verwenden. Mit dieser Steuerung kann ein Maximal- oder Minimalwert sowie ein Bereich für die Schichtdicke der resultierenden Topologie eingestellt werden.

Traditionelle Fertigungsmethoden

Die Topologiestudie stellt nicht nur eine große Bereicherung im Konstruktionsprozess für die additive Fertigung dar, sondern sie kann auch effektiv für traditionelle Fertigungsmethoden wie CNC, Spritzguss, spanende Bearbeitung, Stanzen, Wasserstrahlschneiden usw. eingesetzt werden. So treten beispielsweise bei im CNC-Verfahren hergestellten Teilen Bereiche auf, die aufgrund der Regeln des Bearbeitungsprozesses nicht komplett frei und organisch gestaltbar sind, wie im 3D-Druck. Eine gute Möglichkeit, die ursprüngliche Form eines Teils beizubehalten, ist die Verwendung der Steuerung für den „beibehaltenen Bereich“ auf Begrenzungsflächen.

Bei Teilen, die für Stanzen oder Spritzguss konstruiert werden, ist die Anwendung einer Entformungsrichtung entscheidend, um die Herstellbarkeit der optimierten Komponente zu gewährleisten. Diese geometrische Steuerung trägt dazu bei, die Bildung von Hinterschnitten und Hohlräumen zu verhindern. Vor allem aber wird auch sichergestellt, dass die Komponente aus der Form entnommen werden kann.

Zusammenfassend ist die Topologiestudie ein hervorragendes Werkzeug für den modernen Konstrukteur, um bereits von Anfang an bestmögliche Designvorschläge zu erhalten und somit Produkte mit maximaler Leistungsfähigkeit und minimalem Gewicht zu entwerfen – unabhängig vom Herstellungsverfahren. Da sich die Fertigungsmethoden weiterhin schnell ändern, wird sich auch die Art und Weise verändern, wie wir konstruieren und diese Konstruktionen auf ihre Funktionsfähigkeit prüfen. Heutzutage findet eine Vielzahl von Konstruktionsprüfungen parallel zum Konstruktionsprozess statt. Das Ziel für die Zukunft ist es, innovative Konstruktionen bereits von Anfang an mit Hilfe moderner Werkzeuge wie der Topologieoptimierung zu generieren und aktuelle Prüfungsmethoden als Nachweis der Festigkeit und Lebensdauer zu nutzen. Das neue Paradigma – die intelligente Konstruktion in SOLIDWORKS – führt somit zur Einsparung von Entwicklungszeit und Entwicklungskosten sowie zu innovativeren Produkten mit maximaler Leistungsfähigkeit und Qualität.

Sie möchten gerne mehr zur „Topologieoptimierung“ erfahren?

Hier geht es zu unserem gerade erschienenen RATGEBER – darin lesen Sie „Alles, was Sie über die Topologieoptimierung wissen müssen“

Autor: Sasi Sithambaram, Technical Simulation Team bei Dassault Systemes SolidWorks Corp., zum Originalartikel gelangen Sie HIER.

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Dassault Systèmes bietet mit SOLIDWORKS komplette 3D-Softwarewerkzeuge zum Erstellen, Simulieren, Publizieren und Verwalten Ihrer Daten im Produktentwicklungsprozess und bietet zudem die notwendigen Tools zur Fertigung und Prüfung. SOLIDWORKS Produkte sind leicht erlernbar und anwendbar und lassen sich zusammen einsetzen, damit Sie Ihre Produkte besser, schneller und kostengünstiger entwickeln können. Ein Fokus liegt nach wie vor auf der Benutzerfreundlichkeit, was immer mehr Ingenieuren, Konstrukteuren und anderen Technikern die Möglichkeit gibt, die Vorteile von 3D zur praktischen Umsetzung ihrer Konstruktionen zu nutzen.