Topologieoptimierung

Durch die Integration spezifischer Materialeigenschaften des Fertigungsverfahrens Selektives Laserschmelzen (SLM) in eine Topologieoptimierung kann der Produktentwickler simulationsgestützt bei der Gestaltfindung unterstützt werden. Hierzu wird im Rahmen eines durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts eine Topologieoptimierungsmethode entwickelt, die bereits während der Optimierung die prozessspezifischen Materialeigenschaften des SLM berücksichtigt. In diesem Beitrag wird der Einfluss dieser Berücksichtigung auf das Design vorgestellt.

In diesem Beitrag wird die Erzeugung von festigkeits- und steifigkeitsangepassten Tragstrukturen mittels der numerischen Simulationsmethode der Topologieoptimierung vorgestellt. Der dabei resultierende Tragwerksknoten wird mittels CAD/CAM-Software in eine Roboterbahnplanung überführt und mit der drahtbasierten, additiven Fertigung unter Verwendung des MSG-Schweißprozesses aus dem Schweißzusatzwerkstoff G4Si1 hergestellt.

Zur Herstellung von Ausschmelzmodellen (Wachslinge), wie sie im Prozess des Vakuum-Differenzdruck-Gießens zur Anwendung kommen, werden oft Silikonformen verwendet. Diese Negativformen werden mithilfe von Rapid-Prototyping-Vollkörpern hergestellt. Jedoch ist für die Formgebung ausschließlich die äußere Hülle maßgebend, sodass die Verwendung von Hohlkörpern zur Material- und somit Kosteneinsparung möglich ist. In diesem Beitrag werden Berechnungen und Topologieoptimierungen am Beispiel eines Zylinders vorgestellt.

Strukturoptimierung auf Basis der Finite Elemente Methode ist ein Werkzeug zur Designfindung und -optimierung von Bauteilen innerhalb des Produktentwicklungsprozesses. Vorteile liegen in einer erheblichen Prozessbeschleunigung durch die Einsparung klassischer Optimierungsschleifen und in der Möglichkeit, Lösungen zu finden, die empirisch nicht erreichbar sind. Ein Nachteil der Methode lag in der Vergangenheit darin, dass die Algorithmen teilweise Entwürfe vorgeschlagen haben, die nicht oder nur mit inakzeptablem Aufwand herstellbar waren. Hieraus entstand die Motivation zur Entwicklung der im Folgenden vorgestellten Fertigungsrestriktionen für Strukturoptimierungswerkzeuge. Mittels dieser Restriktionen wird der Lösungsraum der Optimierung spezifisch für ein vorgegebenes Fertigungsverfahren eingeschränkt, sodass optimierte, herstellbare Entwürfe erstellt werden.