Vorteiles eines hybriden Ansatzes  Wie Topologieoptimierung das Generative Design verbessert

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Obwohl die Topologieoptimierung als eine Form des generativen Designs betrachtet werden kann, eignet sie sich aufgrund ihrer Andersartigkeit gut für die Integration in einen hybriden Ansatz, der beide Verfahren kombiniert.

Die Hauptähnlichkeit zwischen generativem Design und Topologieoptimierung besteht darin, dass in beiden Fällen Software verwendet wird, um Designs auf der Grundlage definierter Kriterien zu erzeugen, anstatt sie für jede Designiteration manuell zu erstellen. Der generative Designprozess unterscheidet sich jedoch von der Topologieoptimierung dadurch, dass er die Anforderungen des Designers an die Ausgestaltung des Endprodukts stärker in den Vordergrund stellt. Aus diesem Grund wird er oft als regelbasierter Prozess bezeichnet. Die Topologieoptimierung hingegen wird häufiger eingesetzt, wenn der Schwerpunkt eher auf der Produktleistung als auf der Ausgestaltung liegt. Sie ist zudem eher physik- als regelbasiert, das heißt, die Optimierung richtet sich primär nach den physikalischen Gegebenheiten der Aufgabenstellung und sekundär nach den vom Designer festgelegten Regeln.

Beide Methoden kombinieren 

Da bei einem Verfahren der Schwerpunkt auf dem Design und bei dem anderen auf der Leistung liegt, kann ein hybrider Ansatz, der beide Methoden kombiniert, zu einem Endergebnis führen, das sowohl eine gute Leistung als auch ein optimales Design aufweist. Ein hybrider Ansatz könnte darin bestehen, generatives Design und Topologieoptimierung für verschiedene Komponenten eines Gesamtprodukts einzusetzen. Der Designer entscheidet dann, wie er die Anforderungen der verschiedenen Komponenten ausbalanciert, zum Beispiel, welche Teile zugunsten einer besseren Leistung auf ein ansprechendes Design verzichten können und umgekehrt.

Topologieoptimierung näher betrachtet

Bei der Topologieoptimierung erstellt der Designer einen virtuellen geometrischen Raum für seinen Entwurf und gibt einige erforderliche Parameter in die Software ein. Die Software füllt dann den Entwurf durch iteratives Entfernen und Hinzufügen von Material, um ein optimiertes Design zu erzeugen, das in diesen geometrischen Raum passt. Die Topologieoptimierung wird in der Regel in einer frühen Phase des Designprozesses eingesetzt, da in diesem Stadium mehr Flexibilität und damit mehr Potenzial für Leistungsverbesserungen im Zusammenhang mit topologischen Änderungen des Design-Layouts besteht.   Um die Gestaltungsfreiheit der Topologieoptimierung besser zu verstehen, betrachten wir das folgende Beispiel für die Erstellung der Struktur einer Drohne. Für dieses Modell geben wir zwei Lastfälle, den Volumenanteil und eine minimale Längenskala als Eingaben vor.In diesem Fall ist es unser Ziel, die Steifigkeit bei gegebenem Materialeinsatz zu maximieren. Die Lastfälle sind symmetrisch, so dass wir Zeit und Rechenressourcen sparen können, indem wir nur ein Viertel des Bauteils modellieren und nicht die gesamte Drohne. Das Modell wird dann während der Visualisierung der Ergebnisse repliziert, so dass wir am Ende des Prozesses das gesamte optimierte Design sehen können.

In diesem Beispiel der Topologieoptimierung beginnt die Berechnung nur mit der Drohnenbatterie in der Mitte und den vier Motoren an den Ecken. Wir sehen, dass das ursprünglich modellierte Viertel im Rest des Designs gespiegelt wird und beobachten, wie die Software Material hinzufügt, um die Motoren miteinander und mit der Batterie in der Mitte zu verbinden. Das Verhältnis zwischen Steifigkeit und Gewicht des Materials wird so lange angepasst, bis das Endergebnis eine klare physikalische Interpretation zulässt.

Anpassung an bestimmte Fertigungsmethoden

Die Komplexität des Designs ist ein entscheidender Faktor bei der Wahl des Fertigungsverfahrens. Die einzigartigen Ergebnisse des generativen Designs und der Topologieoptimierung eignen sich in der Regel nicht für die traditionelle Fertigung. Aus diesem Grund werden Designs, die mit diesen oder hybriden Methoden erstellt wurden, häufig mit additiver Fertigung produziert. Für das Beispiel des Drohnenmodells ist der Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens die beste Wahl.Trotz dieser Kompatibilität ist die additive Fertigung nicht die einzige Möglichkeit, softwaregenerierte Designs zum Leben zu erwecken. Die Vorbereitung eines optimierten Designs für die traditionelle Fertigung kann beispielsweise bedeuten, dass Fräsbeschränkungen im Optimierungsprozess berücksichtigt werden müssen. Um solche Einschränkungen zu berücksichtigen, können in Comsol spezielle Funktionen zur Topologieoptimierung verwendet werden.

Angenommen, ein topologieoptimiertes Felgendesign soll durch subtraktive Fertigung hergestellt werden. Abbildung 2 zeigt ein solches Beispiel, das mit Comsol modelliert wurde: Ein Felgendesign mit optimaler Steifigkeit wird erzeugt und entlang seiner Achse mit Fräsbeschränkungen versehen. Das Hinzufügen von Fräsbeschränkungen reduziert jedoch die Designfreiheit und damit die Steifigkeit bei gegebener Massenbeschränkung. In diesem Fall führt das Hinzufügen von Fräsbeschränkungen zu einem Design, das 30 Prozent weniger steif ist als das, was mit einer herkömmlichen Topologieoptimierung erreicht worden wäre - ein notwendiger Kompromiss, um die Fertigungsanforderungen zu erfüllen.

Engineering

Ersatzmodelle in der Simulation: Schneller zum Ergebnis

Bei vollständiger Designfreiheit würde das optimale Design im Allgemeinen die gleichen Symmetrieeigenschaften wie die Lastfälle aufweisen. Es können jedoch viele Lastfälle erforderlich sein, um Symmetrie zu erreichen, und eine große Anzahl von Lastfällen kann zu hohen Berechnungskosten führen. In diesem Beispiel wird eine Designsymmetrie erwartet, da das Rad drehbar sein muss, aber wir stehen vor der Herausforderung, keine symmetrischen Lastfälle zu haben. Aus diesem Grund muss das gesamte Rad in jeder Optimierungsiteration modelliert werden, um zu sehen, wie sich die Lastfälle auf das Design auswirken.Um hier Symmetrie zu erreichen, können wir die Sektorsymmetrie des Designs explizit erzwingen, indem wir einen der Sektoren optimieren und dann das Design während der Optimierung auf die anderen Sektoren kopieren. Ähnlich wie bei der Verwendung von Symmetriemerkmalen, die beim Design des Drohnenmodells hilfreich waren, macht dies den Prozess rechnerisch günstiger und effizienter.Das Ergebnis ist ein optimiertes Design, das eine gute Leistung aufweist und gleichzeitig die Fertigungsanforderungen erfüllt.

Fazit: Optionen effizienter untersuchen

Wie das generative Design automatisiert auch die Topologieoptimierung den Designprozess und ermöglicht es den Designern, Optionen effizienter als durch manuelle Iterationen zu untersuchen. Sowohl das generative Design als auch die Topologieoptimierung können mit der Software Comsol Multiphysics durchgeführt werden, die auch Funktionen zur Anpassung des automatisierten Designs an bestimmte Fertigungsmethoden bietet. Diese Funktionen können in allen Bereichen der technischen und wissenschaftlichen Forschung sowie in allen Bereichen der Physik, einschließlich Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Wärmetransport und Akustik, eingesetzt werden.