Virtuelle Produktentwicklung: Leichtbau durch Topologie- und Formoptimierung
Ein wichtiger Schritt zur Gestaltung von umweltfreundlicheren Produkten erfolgt durch Leichtbau mit einer Optimierung des Werkstoffeinsatzes – unter den weiteren Zielvorgaben Qualität, Kosten und Zeit. Hierbei besteht die zu lösende Herausforderung, das optimale Material am richtigen Ort einzusetzen. Damit kann der Energieeinsatz mit einer verbundenen CO2-Reduktion für die Herstellung des Werkstoffes und insbesondere für die Betriebsdauer deutlich verbessert werden.
Mit der Softwarepalette des Unternehmens Altair können unterschiedlichste Aufgabenstellungen zur Strukturanalyse, -bewertung und -optimierung durchgeführt werden. Neben der professionellen Optimierungssoftware Optistruct ist das Softwarepaket solidThinking Inspire ein hervorragendes Tool zum Einstieg in die Welt der Optimierung. Im Rahmen der Vorlesung „CAE“ von Prof. Dr. Franz Magerl wurde solidThinking Inspire den Studierenden der Studiengänge Wirtschaftsingenieurwesen und Medizintechnik das Potential vorgestellt. An praxisnahen Aufgabenstellungen werden die Studierenden in die Philosophie des Leichtbaus mit der Software solidThinking Inspire basierend auf einem bionischen Ansatz zur Bauteiloptimierung unterwiesen.
solidThinking Inspire® ist ein Softwarepaket für die Konzeptphase, mit dem Bauteilentwürfe unter Berücksichtigung von Randbedingungen (Belastungen, Lagerungen, Vorgaben für Gewicht und Verformung) durch die Topologieoptimierung generiert werden. Sie dient dazu, dass die Bauteilstrukturen hinsichtlich Gewicht, Festigkeit oder Lebensdauer optimiert werden. Somit ist der Entwicklungsingenieur nicht auf umfangreiche Erfahrungen angewiesen, sondern durch einen iterativen Prozess wird automatisch in kurzer Zeit eine optimierte Bauteilstruktur vorgeschlagen. Dazu werden biologische Prozesse, wie z. B beim Knochenwachstum, in mathematische Algorithmen umgesetzt. Um ein Verständnis für die Arbeitsweise zu erreichen, wurden zahlreiche Beispiele aus der Industrie dargestellt. Es wurde gezeigt, dass auch bei ausgereiften Serienbauteilen durch Topologie- und Formoptimierung eine erhebliche Gewichts- und Spannungsreduzierung erreicht werden kann.
Durch die intuitive Benutzeroberfläche ist die Software auch für Anfänger einfach zu bedienen. So konnten die Studierenden auch ohne aufwendige Schulung in kurzer Zeit Ergebnisse erzielen.
Insbesondere durch generative Fertigungsmethoden, wie dem 3D-Druck, kann das Optimierungspotential umgesetzt werden. Durch die Kombination aus optimierten Bauteilstrukturen und 3D-Druck eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten im Bereich des Leichtbaus.
Für die Vorlesungen wurden von Altair sowohl die Software als auch die Beispiele kostenfrei zur Verfügung gestellt. Hierfür möchten wir uns im Namen der Studierenden bei der Firma Altair und insbesondere bei unserem Ansprechpartner Dipl.-Ing. Jan Grasmannsdorf bedanken.