Online-basierte Topologieoptimierung beim 3D-Druck

Maximale Funktionalität bei geringem Materialverbrauch und Gewicht

Die additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten, um die Geometrie von Bauteilen im Rahmen der Produktentwicklung zu verbessern. Im Vergleich zu konventionellen Herstellungsmethoden ist sie nämlich nicht an verfahrensbedingte Produktionseinschränkungen gebunden. Auf der Protiq-Plattform lassen sich 3D-Modelle einfach und schnell online optimieren.

Bei der Produktentwicklung mussten die Designer und Konstrukteure bislang 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 können sich Produktentwickler bei der Gestaltung eines Objekts voll und ganz auf dessen Funktionalität fokussieren. Mit dem zweidimensionalen schichtweisen Aufbau im 3D-Druck werden somit die dreidimensionalen Herausforderungen und Problemstellungen aus der konventionellen Verarbeitung gelöst. Auf Basis der Topologieoptimierung lassen sich hier Grundformen unter Berücksichtigung definierter Randbedingungen und Spannungsrestriktionen so generieren, dass sie maximale Leistungsmerkmale mit geringem Materialverbrauch und Gewicht vereinen. Die Kombination der Topologieoptimierung mit additiven Fertigungsverfahren und innovativen Materialien bietet den Konstrukteuren also neue Möglichkeiten, die Formgebung und den damit einhergehenden Funktionsumfang von Produkten neu zu denken.

Von der kraftflussgerechten Konstruktion profitieren unter anderem Branchen, für die Gewichtsreduktion eine große Rolle spielt. Dazu gehören zum Beispiel die Automobilindustrie sowie die Luft- und Raumfahrt. Bei der Topologieoptimierung handelt es sich um ein computerbasiertes Berechnungsverfahren, welches mechanisch belastete Bauteilstrukturen derart auslegen kann, dass bei minimalem Materialeinsatz eine größtmögliche Steifigkeit erzielt wird. In diesem Optimierungsprozess werden ausschließlich die Bereiche eines Bauteils generiert, die für den notwendigen Kraftfluss sowie die Stabilität erforderlich sind. Daraus resultieren komplexe Strukturen, welche sich mit konventionellen Produktionsverfahren und deren Fertigungsrestriktionen nicht oder nur bedingt umsetzen lassen.

Selbsterklärende Benutzeroberfläche der Topologieoptimierung

Die bedarfsspezifische Erstellung industrieller Komponenten schafft funktionale Mehrwerte für die Kunden, während sich die Anbieter mit innovativen Lösungen von den Mitbewerbern differenzieren. Auf der Protiq-Plattform stehen webbasierte Konfiguratoren zur Verfügung, mit denen die Kunden in wenigen Minuten individuelle Bauteile aus Kunststoff oder Metall adaptieren sowie direkt bestellen können. So haben die Interessenten die Möglichkeit, ohne spezielle Kenntnisse im Bereich der CAD-Konstruktion intuitiv und schnell Datenmodelle zu erzeugen, welche die besonderen Anforderungen vollständig erfüllen. In diesem Zusammenhang bietet die Plattform eine weitere Option, um den Wünschen der Kunden sowie der Nachfrage des Marktes zu begegnen: Protiq hat hier eine einfach bedienbare Software implementiert, mit der sich eine Topologieoptimierung von Bauteilen realisieren lässt.

Im direkten Vergleich bedingt die konventionelle Verbesserung der Bauteilgestaltung ein umfangreiches und detailliertes Verständnis hinsichtlich der Handhabung der gängigen Anwendungssoftware. Durch diese Lösung auf der Protiq-Plattform ist eine verständliche und sogar für den Laien schlüssige Topologieoptimierung möglich. Zu diesem Zweck erlaubt die selbsterklärende Benutzeroberfläche jederzeit eine komplette Nachvollziehbarkeit der einzelnen Schritte, da der Kunde mit einer Vielzahl von Erklärungs- und Hinweistexten durch die Eingaben geführt wird. Darüber hinaus lässt sich der gesamte Prozess der Topologieoptimierung vorab anhand von Beispielbauteilen in Kombination mit einem Einführungs-Tutorial durchspielen und testen.

Direkt druckbares 3D-Modell

Wie funktioniert die Topologieoptimierung nun genau? Zunächst legt der Kunde den Gestaltungsbereich fest, der für die Ausprägung der verbesserten Geometrie maximal zur Verfügung steht. In diesem Kontext gibt es die Option, einen uneingeschränkten Raum zu definieren, damit überall dort optimierte Strukturen generiert werden können, wo es der Kraftfluss erfordert. Alternativ kann der Gestaltungsbereich begrenzt werden, sodass der automatisierte Gestaltungs- und Verbesserungsprozess in einem vorgegebenen Raum vorgenommen wird. Diese Einschränkung erweist sich dann als sinnvoll, wenn innerhalb einer Baugruppe benachbarte Komponenten den vorhandenen Bauraum limitieren. Als Beispiel sei der beengte Motorraum in einem PKW angeführt. Für eine solche Eingrenzung muss der maximale Gestaltungsbereich erstellt und hochgeladen werden.

Ist der Gestaltungsbereich festgelegt, sind verschiedene Belastungssituationen – sogenannte Lastfälle – zu betrachten, denen das Objekt in der Anwendung standhalten muss. Ein Lastfall beschreibt eine Situation, in der unterschiedliche Kräfte gleichzeitig wirken können, und die bestehende Lagerpunkte beinhaltet. Natürlich ist jedes Bauteil anderen Belastungsverhältnissen ausgesetzt. Ein Modell kann somit durch zahlreiche Lastfälle beeinflusst werden. Die Software analysiert die Krafteinwirkung auf das Modell unter Berücksichtigung der Anbindungspunkte, die auch als Lagerbedingungen bezeichnet werden. Alle Bereiche, die keiner Belastung unterliegen und keinen sonstigen Nutzen haben, entfernt die Software automatisch aus dem 3D-Modell. Das Ergebnis erinnert an bionische Strukturen und vereint hohe Funktionalität mit geringem Gewicht sowie Materialaufwand. Das so generierte 3D-Modell ist direkt druckbar, will heißen es sind keine manuellen Folgeprozesse für das Optimierungsziel notwendig. „Zukünftig werden die Bauteile zudem automatisch für die additive Fertigung optimiert. Das kommt einer Revolution gleich“, erklärt Dr. Ralf Gärtner, Geschäftsführer der Protiq GmbH.

Durchgängige Live-Bepreisung

Das auf der Protiq-Plattform zur Verfügung gestellte Online-Tool erleichtert und beschleunigt die Topologieoptimierung erheblich. Bisher setzte der Prozess umfangreiche Kenntnisse im Umgang mit spezieller Anwendungssoftware voraus, sodass selbst simple Anwendungsfälle oftmals Tage oder sogar Wochen in Anspruch nahmen. Mit der online-basierten Topologieoptimierung sind lange Wartezeiten jetzt vorbei, denn die Protiq-Software verlangt für die Verbesserung eines 3D-Modells kein spezifisches Wissen, sondern lediglich wenige Mausklicks. So lässt sich neben dem Material- auch der Zeitaufwand signifikant reduzieren – und das bei hoher Qualität und Performance der Produkte.

Nachdem das optimierte 3D-Modell mit dem Tool generiert worden ist, kann es als Projektentwurf gespeichert, als CAD-Modell gekauft oder direkt bei Protiq in Auftrag gegeben werden. Die Herstellung des Bauteils geschieht dann im industriellen 3D-Druck durch selektives Laserschmelzen oder Lasersintern. Als besonders charmant zeigt sich dabei die durchgängige Live-Bepreisung, die sich im Projekt stetig aktualisiert. Der Kunde bekommt also nicht nur ein verbessertes Design. Durch die additive Fertigung lassen sich die Produktionskosten gleichzeitig deutlich senken, denn „jedes gedruckte Gramm kostet“, wie Dr. Ralf Gärtner feststellt.