Topologieoptimierung

Ziele & sinnvolle Simulationsmodelle

Ziele einer Topologieoptimierung

Die grundlegende Idee einer Topologieoptimierung besteht darin, basierend auf einer vorhergehenden FEM-Simulation, den vorhandenen Bauraum bestmöglich auszunutzen. Aus diesem Grund wird die Topologieoptimierung in den meisten Fällen mit dem Themenschwerpunkt des Leichtbaus verbunden. Als Ziel der Topologieoptimierung wird in diesen Fällen eine Gewichtsreduktion bei gleichbleibender Traglast gesucht, oder umgekehrt eine Lasterhöhung bei gleichbleibendem Gewicht.

Darüber hinaus kann die Topologieoptimierung aber auch auf weitere Zielsetzungen angewendet werden. Beispielsweise ist es möglich, die Kraftverteilung auf mehrere Lagerstellen zu optimieren. Dadurch kann auch bei außermittiger Lasteinleitung eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden.

Auch für die Optimierung des Schwingungsverhaltens ist die Topologieoptimierung prädestiniert. Die Eigenfrequenz einer Struktur ergibt sich durch das Verhältnis der Steifigkeit zur schwingenden Masse. Durch das Aussteifen einer schwingenden Geometrie wird auch stets die Masse erhöht, so dass sich beide Effekte gegenseitig aufheben können. Mit Hilfe einer Topologieoptimierung lässt sich das optimale Verhältnis aus Steifigkeit und Masse bestimmen, um Eigenfrequenzen in die gewünschte Richtung zu verschieben. Meist wird zur Vermeidung von einer Resonanzschwingung eine möglichst hohe Eigenfrequenz benötigt. Hohe Eigenfrequenzen können durch topologieoptimierte Konstruktionen erzielt werden, da bei diesen eine geringe Masse mit hoher Bauteilsteifigkeit erzielt werden kann.

Topologieoptimierung für die additive Fertigung

Die additive Fertigung, häufig auch als 3D-Druck bezeichnet, ist ein Fertigungsverfahren bei dem der Werkstoff Schicht für Schicht aufgetragen wird. Die Fertigungsrestriktionen der konventionellen Herstellungsverfahren entfallen und es können daher mit dem 3D-Druck beliebig komplexe Geometrien hergestellt werden. Durch den Einsatz der Topologieoptimierung für die additive Fertigung können optimierte, organische Formen ermittelt werden. Dadurch werden bionische Konstruktionen und Leichtbau erreicht.

Topologieoptimierung für konventionelle Fertigungsarten

Das Hauptproblem einer Topologieoptimierung besteht darin ein optimales Design zu finden, dass auch mit angemessenem Aufwand produziert werden kann. Die additiven Fertigungsverfahren bieten zwar die größtmögliche Freiheit im Hinblick auf die konstruktive Umsetzung, sind aber limitiert im Hinblick auf Verfügbarkeit und Kosten. Aus diesem Grund übertragen wir bei OptimumOne die Möglichkeiten der Topologieoptimierung auch auf andere Fertigungsverfahren:

  • Spanende Fertigungsverfahren, wie Drehen und Fräsen
  • Gießen von Stahl, Aluminium
  • Kunststoffteile (z.B. Spritzguss)
  • Umformen, wie zum Beispiel das Strangpressen

Sinnvolle Simulationsmodelle für topologieoptimierte Konstruktionen

Bauteile, die für eine bestimmte Belastung optimiert wurden, können dadurch anfälliger für andere Belastungen werden. Aus diesem Grund ist es für die Topologieoptimierung umso wichtiger alle relevanten Belastungszustände bei der FEM Simulation zu berücksichtigen.

Das Ergebnis der Topologieoptimierung ist von mehreren Faktoren abhängig, welche im Vorfeld geklärt werden müssen:

  • Zielsetzung der Analyse z.B. Massenreduzierung bei hoher Steifigkeit
  • Definition des Fertigungsverfahrens und der daraus resultierenden Bauteilrestriktionen
  • Bestimmung des Bauraumes und der Bereiche welche verändert und nicht verändert werden dürfen
  • Festlegung der zu berücksichtigten Lasten und Randbedingungen

Wir bei OptimumOne beraten Sie gerne, um eine geeignete Vorgehensweise für Ihren spezifischen Anwendungsfall zu entwickeln.

FEM-Dienstleister OptimumOne führt Topologieoptimierung an einem Kurbelsatz durch
Topologieoptimierung Kurbelsatz


Topologieoptimierung von OptimumOne führt zu einem gewichtsoptimierten Rahmen eines Hochdruckreinigers
Topologieoptimierung Hochdruckreiniger


OptimumOne entwickelt mittels Topologieoptimierung und FEM-Simulation eine Leichtbau Ratsche
Designprozess Leichtbau-Ratsche



Topologieoptimierung von unseren Experten

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Für einfache Geometrien und wenige Belastungsfälle ist die Spannungsverteilung ein hervorragender Indikator um niedrig belastete Bereiche zu erkennen. Dies wird überwiegend auf bereits vorhandene Bauteile angewendet. Der Vorteil der Topologieoptimierung ergibt sich erst, wenn der gesamte Bauraum berücksichtigt wird und durch die Optimierung entsprechend viel Material entfernt werden kann. Darüber hinaus können in der Topologieoptimierung zusätzliche Bedingungen integriert werden, wie zum Beispiel die maximale und minimale Wandstärke oder definierte Entformungsrichtungen. Dadurch kann sich ein Design ergeben, dass stark vom ursprünglichen Spannungsverlauf abweicht.

Jedes Fertigungsverfahren bringt unterschiedliche Fertigungsrestriktionen mit sich. Die additive Fertigung bietet den größten Freiraum hinsichtlich der Formgebung. Eine Topologieoptimierung lässt sich zum Beispiel auch auf Dreh- und Frästeile, Guss- oder Schweißkonstruktionen und sogar auf Strangpressprofile anwenden. Bei diesen konventionellen Fertigungsverfahren gibt es entsprechende Fertigungseinschränkungen (Entformungsrichtungen, Wanddicken etc.). Diese müssen zu Beginn der Topologieoptimierung festgelegt werden.

Die Topologieoptimierung wird dazu verwendet die Kontur von Bauteilen oder ganzen Konstruktionen zu bestimmen. Sollen nur lokale Spannungsspitzen optimiert werden, so kann eine Gestaltoptimierung durchgeführt werden.
Um das Systemverständnis von komplexen Konstruktionen mit mehreren Einflussgrößen zu untersuchen, werden Parameteroptimierungen verwendet. Dabei wird üblicherweise eine DoE (Design of Experiments) durchgeführt. Darauf aufbauend können Regressionen und weitere Optimierungsmethoden angewendet werden, um ein optimales Design zu erhalten.