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Topologieoptimierung Die kraftgerechte Auslegung von Konstruktionen

| Autor / Redakteur: Alexander Brunner* / Dorothee Quitter

Vor über 20 Jahren kamen die ersten computergestützten Optimierungsprogramme für Topologieberechnungen auf den Markt. Hat sich diese Optimierungsmethode als unverzichtbares Werkzeug etabliert?

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Das Skelett der Konstruktion
Das Skelett der Konstruktion
(Bild: A. Brunner)

Vor über 100 Jahren haben C. Maxwell und G. M. Michell die theoretischen Grundlagen für die Topologieoptimierung geschaffen und damit das Fundament für die Entwicklung hocheffizienter Strukturbauteile gegossen. Vor über 20 Jahren kamen die ersten computergestützten Optimierungsprogramme für Topologieberechnungen auf den Markt. Damit haben die Ingenieure ein Werkzeug an die Hand bekommen, mit dem sie in kürzester Zeit ihre Konstruktion in Form bringen können. Und heute? Welche Rolle spielt die Topologieoptimierung im Konstruktionsalltag? Hat sich diese Optimierungsmethode als unverzichtbares Werkzeug etabliert?

Potenzial wird nicht voll ausgeschöpft

Leider nicht. Leider wird das volle Potenzial dieser Optimierungsmethode bei Weitem nicht ausgeschöpft. So wird z. B. der Begriff Topologieoptimierung monatlich nur ca. 1200 Mal gegoogelt, der inhaltlich verwandte Begriff 3D-Druck hingegen rund 120.000 Mal. Dabei ist die Grundlage für ein 3D-Druck-Design ein kraftflussoptimierter Topologieentwurf.

SEMINARTIPP Das Seminar „Kraftgerechtes Design“ vermittelt einen Überblick, wie Strukturbauteile belastungsangepasst und materialsparend konstruiert werden können und zeigt auf, wie dieser Prozess beschleunigt werden kann. Die Teilnehmer lernen, das tragende Gerüst der Struktur zu entwerfen. Damit legen sie ca. 80 % der Bauteilperformance fest und schaffen eine solide Grundlage für die weitere Detailoptimierung.

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Im deutschsprachigen Raum gibt es verhältnismäßig wenige Bücher über Topologieoptimierung. Die Popularität dieser Optimierungsmethode in der Konstruktionswelt ist (noch) relativ gering. Nur wenige Ingenieure/Konstrukteure setzen die Topologieoptimierung im Konstruktionsalltag ein. Nur wenige profitieren somit von den Vorteilen dieser Methode.

Dabei ist eines sicher: In den Händen eines ausgebildeten Konstrukteurs ist die Topologieoptimierung ein mächtiges Werkzeug, mit dem er seine Konstruktion auf eine höhere Stufe der Effektivität heben kann. Mehr noch: Topologieoptimierung hilft dem Konstrukteur, den Schaffensprozess stark zu beschleunigen. Ein Konstrukteur, der sich die Prinzipien der Topologieoptimierung zu eigen gemacht hat und eine alltagserprobte Optimierungssoftware einsetzt – z. B. Solid Thinking Inspire von Altair –, hat bei der Konzipierung neuer und Optimierung bestehender Konstruktionen einen enormen Vorteil gegenüber allen Konstrukteuren, die dies nicht

Einsatzmöglichkeiten der Topologieoptimierung

Nun fragt sich der Konstrukteur vielleicht: Wie hilft mir diese Methode, meine alltäglichen konstruktiven Herausforderungen zu meistern? Im folgenden sind die wichtigsten Einsatzmöglichkeiten der Topologieoptimierung aufgeführt.

Rippenfelder gestalten: Für ein Gussbauteil soll die Steifigkeit maximiert und der Materialeinsatz minimiert werden. Die Topologieoptimierung hilft, die Anordnung und die Anzahl der Rippen festzulegen – ein kraftflussgerechtes Rippenfeld zu erschaffen.

Trägerumriss festlegen: Für einen Biegeträger soll das Tragniveau (Festigkeit) maximiert und der Materialeinsatz minimiert werden. Die Topologieoptimierung hilft, die Silhouetten der Konstruktion festzulegen. So kann ein biegegerechter Trägerumriss bestimmt, eine harmonische Spannungsverteilung geschaffen und damit eine maximale Tragfähigkeit erreicht werden.

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Querschnittstopologie entwerfen: Für ein auf Druck belastetes Strukturbauteil soll die kritische Knicklast maximiert und der Materialaufwand minimiert werden. Die Topologieoptimierung hilft, die beanspruchungsgerechte Querschnittstopologie zu finden. Stabilitätsprobleme können so gelöst werden.

Lochanordnung in Blechstrukturen finden: Für ein großflächiges Blechbauteil müssen aus funktionellen Gründen einige Löcher vorgesehen werden. Es sollen die ersten Eigenfrequenzen maximiert und der Materialaufwand minimiert werden. Die Topologieoptimierung hilft, die optimale Lage der Löcher zu finden. Die geforderte dynamische Steifigkeit kann so erreicht werden.

3D-Fachwerkstruktur designen: Für ein lasttragendes Bauteil, das im 3D-Druck hergestellt wird soll der maximale mechanische Wirkungsgrad erreicht werden (Tragvermögen/Eigengewicht). Die Topologieoptimierung hilft, eine kraftflussgerechte Struktur zu finden. Es ergeben sich hocheffiziente fachwerkähnliche Strukturen, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind.

SEMINARTIPP Das Seminar „Kraftgerechtes Design“ vermittelt einen Überblick, wie Strukturbauteile belastungsangepasst und materialsparend konstruiert werden können und zeigt auf, wie dieser Prozess beschleunigt werden kann. Die Teilnehmer lernen, das tragende Gerüst der Struktur zu entwerfen. Damit legen sie ca. 80 % der Bauteilperformance fest und schaffen eine solide Grundlage für die weitere Detailoptimierung.

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Topologieentwürfe als Konstruktionsgrundlage

Die meisten Topologieentwürfe sehen nicht besonders spektakulär aus. Doch gerade diese wilden Strukturen bildet das tragende Skelett der Konstruktion. Es sind die wenigen wesentlichen Elemente der Konstruktion, die den ganzen Unterschied ausmachen – den Unterschied zwischen einer starken (festen) und einer schwachen (brüchigen) Struktur; zwischen einer steifen und einer weichen Struktur; zwischen einer stabilen und einer instabilen Struktur; zwischen einer hochfrequenten und einer niederfrequenten und letztendlich zwischen einer leichten und einer schweren Struktur. Auf der Grundlage dieser Topologieentwürfe bauen Sie Ihre Konstruktionen auf.

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Topologieoptimierung ist für Sie – vorausgesetzt, Sie konzipieren/konstruieren/optimieren Strukturbauteile – wie ein Kompass, der Ihnen im schier unendlichen Ozean der Designmöglichkeiten den Weg zum strukturmechanischen Optimum zeigt. Sie hilft Ihnen, die lasttragenden Kraftpfade zu identifizieren und zu verstärken. Das Resultat: eine feste, stabile und steife Konstruktion! Sie hilft Ihnen, unnötigen Ballast zu erkennen und abzuwerfen. Das Resultat: eine leichte und kostengünstige Konstruktion! Sie hilft Ihnen, aus der Vielzahl der konstruktiven Möglichkeiten die wenigen sinnvollen Alternativen zu finden. Das Resultat: Sie marschieren sofort in Richtung Optimum, nehmen Abkürzungen und beschleunigen den Konstruktionsprozess! (qui)

SEMINARTIPP Das Seminar „Kraftgerechtes Design“ vermittelt einen Überblick, wie Strukturbauteile belastungsangepasst und materialsparend konstruiert werden können und zeigt auf, wie dieser Prozess beschleunigt werden kann. Die Teilnehmer lernen, das tragende Gerüst der Struktur zu entwerfen. Damit legen sie ca. 80 % der Bauteilperformance fest und schaffen eine solide Grundlage für die weitere Detailoptimierung.

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* Alexander Brunner studierte Fahrzeugtechnik an der FH Osnabrück. Er hat sich auf das Thema Strukturdesign spezialisiert.

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