Simulation Leichtbau-Methoden vergleichen und bewerten

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Die TU München hat eine einheitliche Bewertungsgrundlage für Leichtbau-Methoden geschaffen: Ihr neues Referenzsystem macht Leichtbau-Methoden vergleichbar und verknüpft sechs gängige Konstruktionsstrategien.

Wie lassen sich Bauteile möglichst leicht aber gleichzeitig stabil herstellen? Vor dieser Herausforderung stehen zahlreiche Branchen, wie die Medizintechnik oder die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben nun ein Referenzsystem entwickelt, das es erstmals ermöglicht, zahlreiche unterschiedliche Leichtbau-Methoden direkt miteinander zu vergleichen und zu bewerten.

Wie werden Leichtbauteile entwickelt?

Leichtbauteile werden üblicherweise zunächst rechnerunterstützt entworfen und anschließend gefertigt. Dafür gibt es gängige Verfahren, die aber jeweils unterschiedliche physikalische Modelle und mathematische Beschreibungen nutzen, was den Vergleich erschwert. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer hohen Berechnungskomplexität auf geringe räumliche Auflösungen beschränkt. Diese Herausforderungen wollen die Forschenden mit dem Benchmark Stress-Guided Lightweight 3D Designs (SGLDBench) beseitigen.

Wie vereinheitlicht SGLDBench die Bewertung von mechanischen und geometrischen Eigenschaften?

SGLDBench ermöglicht es, sechs Referenzstrategien wie klassische Topologieoptimierung, poröse Füllstrukturen oder gitterbasierte Layouts auf beliebige Bauteile mit frei wählbaren Randbedingungen anzuwenden und mithilfe von 3D-Simulationen zu vergleichen. Berücksichtigt werden dabei Parameter wie Steifigkeit-zu-Gewicht, Spannungsfelder und Verformungen sowie Informationen darüber, wie das Bauteil oder die Struktur mit seiner Umgebung verbunden bzw. gelagert ist. Dadurch können Nutzer Entwürfe mit unterschiedlichen Auflösungen und Materialverbrauch erstellen und gleichzeitig die mechanischen und geometrischen Eigenschaften bewerten.

Anwendungsbereiche für den neuen Benchmark gibt es zahlreiche:

• Beispielsweise ermöglicht er, mehrere Konstruktionsvarianten für Hüftimplantate zu testen und individuell abgestimmt zu fertigen.

• In der Automobil- und Luftfahrtindustrie trägt der Benchmark außerdem dazu bei, Bauteile weiter zu verschlanken. Ein geringeres Gewicht bedeutet hier eine höhere Energieeffizienz. Gleichzeitig müssen die Strukturen Erschütterungen und Schwingungen mit großer Sicherheit standhalten.

Wie ermöglicht der Benchmark fundierte Entscheidungen in der Produktentwicklung?

„Mit SGLDBench schaffen wir eine transparente Vergleichsbasis für den Leichtbau“, sagt Rüdiger Westermann, Professor für Computer Grafik und Visualisierung an der TUM School of Computation, Information and Technology. „Das hilft nicht nur der Forschung, neue Methoden besser einzuordnen, sondern gibt auch Unternehmen ein Werkzeug an die Hand, um fundierte Entscheidungen in der Produktentwicklung zu treffen. Aktuell sind mithilfe der SGLDBench Simulationen mit über 100 Millionen einzelnen Elementen auf einem handelsüblichen PC möglich, in Berechnungszeiten, die weit unter denen kommerzieller Produkte liegen.“

Um dies zu ermöglichen, haben die Forschenden insbesondere neue Ansätze zur effizienten Lösung großer Gleichungssysteme für die Spannungs-Simulation entwickelt und für gängige Computerarchitekturen optimiert.

Produktentstehung

Was Simulation in Konstruktion und Entwicklung heute leistet

Publikationen:

• Wang, J., Aage, N., Wu, J., Sigmund, O., Westermann, R. Efficient large-scale 3D topology optimization with matrix-free MATLAB code. Struct Multidisc Optim 68, 174 (2025). https://doi.org/10.1007/s00158-025-04127-3

• Wang, J., Bukenberger, D. R., Niedermayr, S., Neuhauser, C., Wu, J., and Westermann, R. SGLDBench: A Benchmark Suite for Stress-Guided Lightweight 3D Designs, in IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 31, no. 10, pp. 8609-8622 (2025). http://doi.org/10.1109/TVCG.2025.3573774

(ID:50636471)