Erfolgreicher Einsatz der Topologieoptimierung

Ein Maschinenschlitten einer Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine konnte durch Topologieoptimierung nochmals verbessert werden und zeichnet sich nun durch reduzierten Materialeinsatz und minimierte Verformung aus.

Bei der Optimierung eines mit 2 g querbeschleunigten Schlittens für eine Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine stellte sich die Frage, ob die klassische Kastenverrippung für diesen Einsatzzweck wirklich die beste Lösung sei. Bereits 1997 wurde durch eine aufwändige manuelle Variantenstudie eine signifikante Verbesserung gefunden, mit der die Verformungen um 50% und das Bauteilgewicht um 15% reduziert werden konnten. Wegen der gleichfalls guten Gießbarkeit der Form sanken die Herstellkosten ebenfalls um 15%. Bei der Evaluierung der Optimierungssoftware TOSCA Structure wurde dieses Bauteil als Referenz herangezogen, um zu erfahren, ob die Software einen noch besseren Designvorschlag finden kann.

Im Optimierungsmodell wird der zur Verfügung stehende Bauraum definiert und die Verbindungsflächen des Bauteiles zu den umgebenden Komponenten von einer Veränderung ausgeschlossen. Die Bereiche, die nicht zum Kraftfluss beitragen, werden durch die Algorithmen von TOSCA Structure sukzessiv in ihrer Steifigkeit reduziert bzw. entfernt.

Hierbei können Anforderungen des Herstellungsverfahrens bereits mit einbezogen werden und wie in diesem Beispiel u.a. die Entformbarkeit sichergestellt werden. Der dadurch erhaltene Gestaltvorschlag kann dann in das CAD-System importiert und mit wenig Modifikationen in eine gießgerechte Konstruktion überführt werden.

In diesem Fall konnte gegenüber der manuell gefundenen Lösung eine weitere Reduzierung der Verformung um 30% erreicht werden. Gegenüber der ursprünglichen Kastenverrippung, die weitgehend den gängigen Konstruktionen im Maschinenbau entspricht, ist dies ein Vorteil von 65%. Der Zeitaufwand der automatischen Topologieoptimierung mit TOSCA Structure betrug im Vergleich zur manuellen Topologieoptimierung nur 22% der Ingenieurstunden und 32% der Rechnerstunden, wodurch eine signifikante Kosten- und Zeitreduktion erreicht werden konnte.

Durch die Erweiterung des Engineering-Angebots um die Topologieoptimierung konnte sich somit die Heidenreich & Harbeck AG gegenüber ihren Kunden als Premium Partner positionieren und dadurch auch vor konjunkturellen Schwankungen absichern.

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Bild: Verformung des Topologieoptimierungsergebnisses (1,7 μm Maximalverschiebung).