3D-Druck und Topologieoptimierung reduzieren Kosten und Material

Den Materialverbrauch zu reduzieren und die Kosteneffizienz zu steigern sind zwei wichtige Ziele in der Produktion. Geht es um das Erstellen von Prototypen, lassen sich diese Ziele zum Beispiel mit Werkzeugen für die Topologieoptimierung und mit den 3D-Druckern der P-Serie von Apium realisieren, die speziell für die Herstellung komplexer Geometrien konzipiert wurden.

In den letzten Jahren hat die Topologieoptimierung als vielseitige Design- und Entwicklungsmethode im Leichtbau immer mehr an Bedeutung gewonnen. Die typischen Anwendungen reichen vom Automobil- und Fahrzeugbau über die Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zu anderen Sparten des Maschinenbaus.

Die Topologieoptimierung ist ein Berechnungsverfahren zur Produktentwicklung, mit dem sich die Optimierungspotentiale bereits sehr früh im Entwicklungsprozess aufdecken lassen. Mit Hilfe von speziellen Softwaretools können die Bauteile deutlich materialreduziert gestaltet werden. Daher ist es notwendig, eine optimale Materialverteilung für den Bauraum unter Einhaltung verschiedener Randbedingungen zu ermitteln. Diese Verteilung und Einsparung des Materials bietet viele Vorteile. Der bedeutendste ergibt sich jedoch aus der Reduktion der Bauteilmasse. Diese Materialeinsparung senkt im Allgemeinen die Materialkosten, während die daraus resultierende Gewichtsreduzierung zu einer erheblichen Treibstoffreduktion führt.

Ziele der Optimierung:
 

• kraftflussgerechte Designanpassung
• Reduktion der Bauteilmasse
• Optimieren der Steifigkeit und Eigenfrequenz

Vielfach zeichnen sich topologieoptimierte Teile eher durch organische und komplexe Geometrien bei gleicher Funktionalität aus. Da konventionelle Fertigungstechnologien nicht für solche Geometrien ausgelegt sind, ermöglicht die additive Herstellung als komplementäre Fertigungstechnik ein design-gesteuertes Herstellungsverfahren zur Produktion von optimierten Teilen.Die additive Fertigung bietet ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit, die Möglichkeit zur Herstellung kleiner Losgrößen zu angemessenen Stückkosten und eine starke Individualisierung der Produkte.

Das Forschungs- und Entwicklungsteam von Apium hat sich mit diesem Thema beschäftigt und hierzu einige Tests durchgeführt. Mit Apiums 3D-Druckern der P-Serie können Anwender von den Möglichkeiten der FFF 3D-Drucktechnologie (Fused Filament Fabrication-Verfahren) für Hochleistungspolymere profitieren, kombiniert mit der Topologieoptimierung für eine beschleunigte Produktentwicklung.

Im Beispiel (siehe Bilder) sind ein konventionell designter Lagersitz sowie ein topologieoptimierter zu sehen — beide hergestellt mit dem Apium P155-Drucker. Das optimierte Modell bietet eine deutlich reduzierte Bauteilmasse und eine kürzere Produktionszeit im Vergleich zum konventionellen Design, ohne dass dabei die „ursprüngliche“ Stabilität beeinträchtigt wäre.

Risiken für Bauteilversagen frühzeitig erkennen

Mit der Topologieoptimierung in Kombination mit additiver Fertigung lassen sich beste Ergebnisse sicherstellen, sofern das Problem oder der Lastfall hinreichend bekannt sind. Bauteile, die für einen bestimmten Fall optimiert sind, halten bei einer Änderung des Krafteinleitungspunkt der Belastung eventuell nicht mehr stand. Für eine erfolgreiche Topologioptimerung ist es deshalb wichtig, vorab sämtliche Risiken für ein mögliches Bauteilversagen zu erkennen. Dies benötigt ausreichend Erfahrung.

Eine Möglichkeit, diese Risiken während des Entwicklungsprozesses abzuschätzen, besteht in Tests an Prototypen. Dabei bieten sich wiederum additive Fertigungstechnologien wie das Fused Filament Fabrication-Verfahren (FFF) an, das seine Vorteile bei topologieoptimierten Bauteilen ausspielen kann. Kurzfristige Änderungen am Bauteilkönnen dank der 3D-Drucktechnologie sehr schnell angepasst und mit geringem Kostenaufwand neu gedruckt werden.

Diese Synergie zwischen additiver Fertigung und Topologieoptimierung ist zu einem wichtigen Bestandteil bei der Produktentwicklung geworden, wenn es um Materialeffizienz und Nachhaltigkeit geht.

Bild: Vorgehen bei der Topologieoptimierung.