Topologieoptimierung

Wozu wird die Topologieoptimierung genutzt?

Für die Reduzierung des Materialbedarfs im Produktentwurf

Wann wird die Topologieoptimierung genutzt?

Bei dem Entwurfs- und Ausarbeitungsprozess

Wie funktioniert die Topologieoptimierung?

Die Topologieoptimierung ermöglicht eine simulativ optimierte Produktgeometrie schon in der Produktentwicklung. Durch eine auf der Finite Element Methode (FEM) basierende Software werden Bauteilabschnitte mit keiner bzw. geringer mechanischer Belastung schrittweise entfernt und das neue Modell simuliert. Dadurch ergeben sich in einem iterativen Prozess Modelle mit abnehmendem Materialeinsatz. So können nicht genutzte Ressourceneffizienzpotenziale von Bauteilen aufgezeigt werden. Ein Ansatz, eine Topologieoptimierung bzw. eine Reduktion nicht benötigten Materials durchzuführen, ist die Bionik. In Anlehnung an Strukturen aus der Natur, werden technische Bauteile gestaltet.

Der Ablauf einer Topologieoptimierung läuft weitestgehend in derselben Reihenfolge ab wie von Gebias A. und Lemu H. beschrieben* Gebisa, A. und Lemu, H. (2017): A case study on topology optimized design for additive manufacturing (online), Stavanger, Norway.30.11.2017, (abgerufen am: 09.05.2022). . Zuerst handelt es sich um das originale CAD-Modell, welches im Anschluss in das FEM-Programm geladen und analysiert wird. Dabei werden Materialkenndaten, Kräfte, Sicherheitsfaktoren und die Auflösung definiert. Die Berechnung basiert auf der Aufteilung des Modells in kleine Einzelelemente und resultiert in einem Ergebnis, welches den unnötigen Materialeinsatz ermittelt und diesen als nahezu unbelastete Bereiche definiert farblich anzeigt. Das Ergebnis kann darauffolgend im Programm angepasst und das neue Design definiert werden. Dabei werden Bereiche mit unnötigem Materialeinsatz des Modells, je nach Voreinstellung bis hin zu einer bestimmten Beanspruchungsgrenze, entfernt. Die entstandenen Ergebnisse sind geometrisch meist sehr komplex. Oftmals ist daher eine Anpassung des Bauteils in eine herstellbare CAD-Konstruktion vorzunehmen. Abschließend wird zur Verifikation eine weitere FEM-Prüfung erforderlich.

Funktionen zur Topologieoptimierung sind bereits in vielen kommerziellen CAD-/CAE-Tools verfügbar und in Basis-Funktionen auch kostenlos verfügbar.* Autodesk GmbH (2022): Fusion 360 (online). Autodesk GmbH, 9. Mai 2022, (abgerufen am: 09.05.2022). Spezielle Programme zur Topologieoptimierung lassen sich ebenso in bestehende Plattformen integrieren.* ANSYS Germany GmbH (2022): Ansys - Entstehung der Marke (online). ANSYS Germany GmbH, 9. Mai 2022, (abgerufen am: 09.05.2022).

Insbesondere im Leichtbau ist die Topologieoptimierung ein unverzichtbares Werkzeug geworden. Produktdesigns lassen sich interaktiv verbessern und der Ressourceneinsatz in der Herstellung sowie gegebenenfalls in der Nutzung minimieren.