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Definition Was ist eigentlich Topologieoptimierung?

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die Topologieoptimierung erzeugt aus dem zur Verfügung stehenden Bauraum für ein Bauteil und den Randbedingungen ein für diesen Einsatz optimales Bauteil bzw. einen Designvorschlag. Wie das funktioniert.

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Bei topologieoptimierten Konstruktionen kommt nur exakt die Menge am Material zum Einsatz, die für die Erfüllung der Anforderungen unbedingt nötig ist.
Bei topologieoptimierten Konstruktionen kommt nur exakt die Menge am Material zum Einsatz, die für die Erfüllung der Anforderungen unbedingt nötig ist.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Die Topologieoptimierung ist ein Verfahren aus dem Bereich der Strukturoptimierung. Das computerbasierte Berechnungsverfahren ermittelt günstige Grundgestalten, also Topologien, für Bauteile unter mechanischer Belastung. Die Software generiert Designvorschläge, die zeigen, wie konkrete Bauteile materialreduziert und dennoch lastgerecht gestaltet werden können. Der Vorteil von topologieoptimierten Konstruktionen liegt darin, dass nur exakt die Menge am Material zum Einsatz kommt, die für die Erfüllung der Anforderungen unbedingt nötig ist.

Wie Topologieoptimierung funktioniert

Die Idee hinter der Topologieoptimierung ist einfach: Im Spannungsfeld zwischen der Lasteinleitung und der Lastaufnahme gibt es „fleißiges“ und „faules“ Material. Um die technischen Anforderungen zu erfüllen, muss mehr vom „fleißigen“ Material eingesetzt werden, da dieses hochbeanspruchte Material einen enormen Beitrag zur Lastübertragung leistet. Um die wirtschaftlichen Ziele zu erreichen, wird „faules“ Material eliminiert, da dieses minderbeanspruchte Material wenig Beitrag zur Lastübertragung leistet. So entsteht durch Wachsen (mehr Material) und Schrumpfen (weniger Material) eine kraftgerechte Konstruktionsgestalt.

  • Ausgangspunkt für den Anwender ist ein geometrischer Körper, welcher den Raum darstellt, der für das zu entwickelnde Bauteil maximal zur Verfügung gestellt werden soll. Dieser Körper wird als „Bauraum“ bezeichnet.
  • Für die Optimierung können verschiedene statische und dynamische Ziele und Restriktionen definiert werden.
  • Beispielsweise kann unter Einhaltung eines Maximalgewichts eine Lösung mit höchstmöglicher Steifigkeit gefunden werden. Weitere Optimierungsziele können das Minimieren von Spannungen, das Erhöhen der Eigenfrequenz oder die Reduktion der Bauteilmasse sein.
  • Typische Restriktionen sind meist fertigungstechnischer Art wie Entformbarkeit bei Gussteilen, Symmetrievorgaben oder Grenzen bei Wanddicken.
  • Das Ergebnis der Topologieoptimierung wird durch eine FEM-Berechnung validiert und vom Konstrukteur als Lösung aufgegriffen und umgesetzt.

Geschichte der Topologieoptimierung

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.

Das erste computergestützte Optimierungsprogramm für Topologieberechnungen kam in der 1990er Jahren auf den Markt. Basierend auf Forschungen an der Universität von Michigan zum Thema Knochenwachstum launchte Altair 1994 die Software Optistruct.

Der erste Kunde war GM Powertrain. Das Unternehmen hat die Software zunächst für die Entwicklung von Motorhaubenhalterungen verwendet.

Buchtipp

Mit bionischen Verfahren lassen sich Bauteile so gestalten, dass sie mit minimalem Aufwand ihre strukturmechanischen Funktionen erfüllen. Das Praxishandbuch Bionik in der Strukturoptimierung st ein Nachschlagewerk für ressourceneffizienten Leichtbau für Konstrukteure, Entwickler und Studierende.

Topologieoptimierung und additive Fertigung eröffnen neue Möglichkeiten

Bislang mussten Konstrukteure und Designer bei der Produktentwicklung stets Rücksicht auf verfahrensbedingte Einschränkungen nehmen. In der additiven Fertigung wird ein Bauteil jedoch nicht aus einem Materialblock herausgearbeitet, sondern Schicht für Schicht aus einem formlosen Ausgangsstoff aufgebaut. Auf diese Weise werden Produktentwickler in die Lage versetzt, sich bei der Gestaltung eines Objekts voll und ganz auf dessen Funktionalität zu fokussieren. So lassen sich dreidimensionale Herausforderungen und Problemstellungen aus der konventionellen Verarbeitung durch den schichtweisen Aufbau im 3D-Druck lösen.

Dank der Kombination aus Topologieoptimierung und Additiver Fertigung können das Design und die damit einhergehende Funktionalität von Produkten neu gedacht werden. Von der Topologieoptimierung profitieren unter anderem Branchen, für die Gewichtsreduktion eine große Rolle spielt, zum Beispiel die Automobilbranche sowie die Luft- und Raumfahrt, aber auch der Maschinen- und Anlagenbau.

Seminartipp

Das Seminar Konstruktionsbionik vermittelt einen Überblick zu den Möglichkeiten der Bionik bei der Entwicklung neuer Produkte. Die Teilnehmer gehen selbst auf bionische Lösungssuche und lernen die Prinzipien der bionischen Gestaltoptimierung kennen.

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