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CAE Wie Design und Fertigung eins werden

| Autor / Redakteur: Mirko Bromberger / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Im Bereich der additiven Fertigung stehen einige neue und vielversprechende Verfahren bereit, die den Anspruch erheben, die klassischen Fertigungsmethoden zu ergänzen oder sogar abzulösen. Einhergehend mit diesen neuen Verfahren und der damit verbundenen Gestaltungsfreiheit setzt ein Umdenken in der Konstruktion ein. Die additiven Fertigungsverfahren ebnen den Weg für völlig neue Konstruktions- und Produktionskonzepte – und das fast ohne Materialabfall.

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Simulationsgetriebenes Design: Die Symbiose aus additiver Fertigung und Optimierung bietet den Unternehmen den größtmöglichen Nutzen.
Simulationsgetriebenes Design: Die Symbiose aus additiver Fertigung und Optimierung bietet den Unternehmen den größtmöglichen Nutzen.
(Bild: Altair)

Fertigungsgerechtes Gestalten ist die Kunst, die Anforderungen verschiedener Fertigungsmethoden in den Entwürfen zu berücksichtigen, um einen Kompromiss zwischen optimalen Produkteigenschaften und niedrigen Herstellungskosten zu schaffen. Neue Fertigungsverfahren aus dem Bereich der additiven Fertigung stellen nun die klassischen Konstruktionsansätze in Frage, da sie eine fast unbegrenzte Gestaltungsfreiheit bieten und so die direkte und kosteneffiziente Herstellung optimaler, lastgerechter Strukturen – unabhängig von ihrer Komplexität – ermöglichen.

Bei den additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck oder dem FPP (Fiber Patch Preforming) Verfahren wird, im Gegensatz zu vielen klassischen Verfahren, Material Schicht für Schicht aufgetragen, um am Ende eine gewünschte Form zu erzeugen. So können mit diesen Verfahren komplexe Strukturen erzeugt werden, die mit anderen Herstellungsverfahren so nicht umsetzbar wären.

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Lastgerechte Gestaltung

Die neuen Fertigungsmethoden ergänzen sich ideal mit dem Einsatz von Strukturoptimierung im Designprozess, denn sie lassen eine konsequente lastgerechte Gestaltung zu. Für die klassischen Fertigungsverfahren müssen beispielsweise verschiedene Randbedingungen wie das Vermeiden von Hinterschnitten beim Spritzgussverfahren, die Extrudierbarkeit, Symmetrien, Mustervorgaben und so weiter direkt im Optimierungsprozess berücksichtigt werden, um die Interpretation der Topologieoptimierungsergebnisse zu vereinfachen. Jede dieser Fertigungsrandbedingungen führt jedoch zu einem schlechteren Gewichts-/Leistungsverhältnis. Grundsätzlich gilt dies auch für die additiven Verfahren, die allerdings eine wesentlich höhere strukturelle Gestaltungsfreiheit bieten. Der Konstrukteur kann seinen Entwicklungsprozess dabei deutlich näher an der idealen Struktur orientieren.

Leichtbaupotenzial erschließen

Die Symbiose aus additiver Fertigung und Optimierung bietet den Unternehmen den größtmöglichen Nutzen, da die Topologieoptimierung das vorhandene Leichtbaupotenzial eines Bauteils erschließt und die additive Fertigung diese ideale Struktur mit wenigen Einschränkungen umsetzen kann. Die Komplexität der Struktur spielt dabei nur eine geringe Rolle, vielmehr werden die Fertigungskosten maßgeblich durch die eingesetzte Materialmenge bestimmt. Folglich gilt im Bereich additiver Fertigung folgender Grundsatz: je effizienter die Formgebung, desto leichter und günstiger wird ein Bauteil in der Produktion.

Simulation als Gestaltungswerkzeug

Dies ermöglicht eine tiefgreifende Umstellung des gesamten Entwicklungsablaufes und erfordert ein Umdenken in den Konstruktionsabteilungen. Denn nur wenn die Simulation zum Gestaltungswerkzeug wird und die Optimierungswerkzeuge bereits in der Designphase die Gestaltfindung aktiv antreiben, können die Vorteile der Technologiesymbiose voll zum Tragen kommen. Im Ergebnis verfügt der Konstrukteur über eine bisher unerreichte Gestaltungsfreiheit und kann so gleichzeitig die Produktionskosten durch die erreichten Gewichtsersparnisse am Bauteil deutlich senken.

Optimierung als Schlüsseltechnologie

Altair Engineering, ein weltweiter Anbieter von Simulations- und Optimierungstechnologie, hat sich die Etablierung des CAE-getriebenen Designs auf die Fahnen geschrieben. Dabei ist es dem Unternehmen wichtig, dass die Simulation nicht nur für den virtuellen Test, zur Überprüfung eines Designs, genutzt wird und schadensrelevante Schwachstellen aufzeigt, sondern vielmehr selbst Strukturvorschläge liefert. So werden die Optimierungstools zu Gestaltungswerkzeugen, die ein simulationsgetriebenes Design ermöglichen. Das Altair-Werkzeug Optistruct ermöglicht es mittels Topologieoptimierung völlig neue Formen zu entdecken. Die gleiche Optimierungstechnologie ist auch in Altairs Software Solid-Thinking Inspire enthalten. Dieses Konzeptwerkzeug für Industriedesigner und Designingenieure ermöglicht den Einsatz von Optimierungstechnologie schon während der Konzeptphase.

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