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Leichtbau Schnell zum optimierten Leichtbaudesign

| Autor / Redakteur: Dr. Gereon Deppe / Monika Zwettler

Wie gut die nahezu vollautomatische Bauteiloptimierung für die additive Fertigung mit MSC Apex Generative Design funktioniert, zeigt ein Beispiel aus der Praxis.

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Wenn die Mittagspause die Effizienz erhöht: Die Software MSC Apex Generative Design benötigt 40 Minuten, um ein Scharnier hinsichtlichht des Gewichts zu optimieren und eine dieser drei Varianten zu erzeugen.
Wenn die Mittagspause die Effizienz erhöht: Die Software MSC Apex Generative Design benötigt 40 Minuten, um ein Scharnier hinsichtlichht des Gewichts zu optimieren und eine dieser drei Varianten zu erzeugen.
(Bild: Simufact )

Aufstrebende Fertigungsverfahren wie die additive Fertigung erschließen deutlich erweiterte Möglichkeiten für die Konstruktion. Herkömmliche Konstruktionen zu überdenken und manuell anzupassen, erscheint nicht als bester Ansatz, da dieses Vorgehen sehr arbeitsaufwändig ist und nicht zuletzt ein breites Fachwissen erfordert. Neue Softwarelösungen zur Designgenerierung und -optimierung sind angetreten, um das Potenzial der additiven Fertigungstechnologie voll auszunutzen.

Ein Vertreter dieser „jungen Generation“ an Generative-Design-Softwarelösungen kommt von Simufact, bereit zu zeigen, wie das Design von Bauteilen auf Basis nahezu vollautomatischer Optimierungen jetzt schneller geht.

Optimierung holt auch aus einfachen Bauteilen mehr heraus

„Eine signifikante Zeitersparnis gegenüber bestehenden Optimierungslösungen und einer manuellen Bauteilkonstruktion können wir mit dem deutlich effizienteren Workflow von MSC Apex Generative Design 2020 realisieren“, verspricht Dr. Thomas Reiher, Director Generative Design bei MSC Software. „Mit einer drastischen Reduktion der Optimierungs- und Entwicklungszeit ist es nun auch rentabel, nicht nur komplexe Modelle, sondern auch einfache Bauteile zu optimieren“.

Dass dies auch in der Praxis kosteneffizient umzusetzen ist, zeigt die Zusammenarbeit von MSC Software mit der Miba Sinter Austria GmbH, einem Technologieführer für pulvermetallurgische Anwendungen.

Beispiel aus der Praxis: Scharnier eines Sinterofens

Ein einfaches Scharnier eines Sinterofens, wie es für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet wird, galt es aufgrund der geringen Stückzahl für die Additive Fertigung auszulegen. Eine aufwändige Optimierung für ein solches Bauteil erscheint hier im Regelfall nicht zielführend und ökonomisch, da für die additive Auslegung eine zeitintensive, manuelle Konstruktion mit technologiespezifischem Erfahrungswissen notwendig wäre. Mit MSC Apex Generative Design 2020 lässt sich automatisch eine optimierte Struktur erzeugen.

Das vorhandene Design wird in die Software direkt importiert, mit den praktischen Funktionen angepasst und mit wenigen Klicks für den Modellaufbau vorbereitet. Bei der Simulation wird jede Iteration zur Überprüfung des Fortschritts ausgegeben.
Das vorhandene Design wird in die Software direkt importiert, mit den praktischen Funktionen angepasst und mit wenigen Klicks für den Modellaufbau vorbereitet. Bei der Simulation wird jede Iteration zur Überprüfung des Fortschritts ausgegeben.
(Bild: Simufact )

Wie der schnelle Modellaufbau abläuft

  • Der aktuelle CAD-Datensatz wird hierfür zunächst in MSC Apex Generativ Design 2020 importiert.
  • Die für eine Optimierung notwendigen Design- und Non-Design-Bereiche können über wenige Mausklicks direkt innerhalb der Software erstellt werden. Der Designbereich beschreibt das Volumen, welches während der Optimierung in der Gestalt verändert werden darf. Non-Design-Bereiche hingegen bleiben unverändert bestehen. Hierzu zählen Funktionsflächen wie Anbindungs- und Krafteinleitungspunkte.
  • Randbedingungen wie Lagerungen, äußere Kräfte oder Momente können ebenfalls direkt aufgebracht werden. Dafür gegebenenfalls notwendige CAD-Manipulationen lassen sich mit den integrierten Modellierungsfunktionen direkt durchführen.
  • In verschiedenen Szenarien können verschiedene Optimierungsparameter definiert und ohne erneuten Eingriff des Nutzers simuliert werden. Diese Variation kann je nach Anwendungsgebiet große Auswirkungen auf die Handhabbarkeit haben, beispielsweise ist die Reinigung von sehr feinen Strukturen aufwändig, kann aber in Bereichen, in denen dies nicht relevant ist, Supportstrukturen vermeiden.
  • Die MSC Apex Generative Design 2020 zugrunde liegende spannungsorientierte Optimierung erfordert schließlich noch als Zieleingabe eine maximal zulässige Spannung.
  • Sind alle Eingaben getätigt, kann der Konstrukteur auch schon mit der Generierung des Designs starten.

Die Software baut nun vollautomatisch und innerhalb von Sekunden ein Netz auf. Durch die automatische Anpassung der Auflösung werden die ersten Optimierungsiterationen in wenigen Minuten durchlaufen. Bereits während der Berechnung werden sämtliche Zwischenschritte visualisiert und in der Benutzeroberfläche in Echtzeit dargestellt. Hierbei können Anwender sofort auf mögliche Fehler im Modellaufbau reagieren.

Simulation auf CPU oder GPU

Weitere Informationen zu Verschiebung und Masse werden ebenfalls graphisch dargestellt. Durch die innovativen Algorithmen lassen sich Optimierungen sowohl auf der Prozessoreinheit (CPU) als auch auf entsprechenden CUDA-Grafikkarten (GPU) durchführen. Auch das Remote-Solving auf separat stehenden Rechenservern ist konfigurierbar und steigert die Simulationsleistung.

Den kompletten Designraum nutzen

Die hohe Rechenleistung in Verbindung mit den Algorithmen und dem hohen Automatisierungsgrad verschafft Anwendern nun die bisher nicht dagewesene Möglichkeit, in kürzester Zeit verschiedene Varianten eines Bauteils zu erzeugen und so den Designraum zu erkunden. Dabei entstehen komplexe Leichtbaudesigns, die außerhalb des Ideenraums manueller Konstruktionen liegen. Von den verschiedenen Varianten kann die vielversprechendste dann einfach ausgewählt werden.

Die Ergebnisse sind dabei mechanisch immer korrekt und lassen sich ohne manuelle Nacharbeit unmittelbar exportieren und einsetzen. Eine weitere Besonderheit ist dabei die direkte Kopplung an den zertifizierten FEM-Solver MSC Nastran, mit der eine umgehende Reanalyse des Designs ohne großen manuellen Aufwand durchführbar ist. Durchgängige Datenwege und Prozesse ermöglichen es somit Unternehmen effiziente und innovative Lösungen kostengünstig umzusetzen.

Scharnier wiegt jetzt 81 % weniger

Im Falle des beschriebenen Scharniers der Firma Miba Sinter Austria GmbH ergaben sich die drei Designvorschläge mit unterschiedlichen Spannungszielen mit einer Masse von 76 g bis 54 g. Verglichen mit dem Originaldesign, das ein Startgewicht von 338 g auf die Waage bringt, können die neuen Designs eine mittlere Gewichtsreduktion von 81 % erzielen. Der reduzierte Materialeinsatz senkt damit nachhaltig Fertigungsdauer und -kosten.

Das sieht auch Dr. Martin Laher so: „Um kostengünstiger zu sein, war ein Redesign des Scharniers zwingend notwendig. Mit MSC Apex Generative Design 2020 konnten wir zeigen, dass sich mit einer Volumenreduktion die Druckzeit und Kosten deutlich senken lassen und wir additiv nun wettbewerbsfähiger sind.“ Mit einer Berechnungsdauer von 40 Minuten je Design auf einer normalen Workstation sind solche Anwendungsfälle in der Produktentwicklung auch „über Mittag“ realisierbar. Durch einen direkten Import in die Fertigungssimulationslösungen von Simufact Additive (Metall) oder Digimat AM (Polymer) lassen sich die generierten Leichtbaudesigns dann zusätzlich auf den Punkt für den jeweiligen Fertigungsprozess optimieren.

Durchgängige Softwarelösung für optimale Leichtbaudesigns

Durch einfache Handhabung und eine schnelle Modellgenerierung, gerade einmal 15 Minuten für das Scharnier, lassen sich Strukturen mit homogenem Spannungsverlauf und einer optimalen Druckbarkeit auch ohne fundiertes FEM-Wissen erzeugen. Eine gute Schnittstellenkommunikation von der CAD-Bearbeitung über die Designgenerierung bis zur Reanalyse und anschließenden Prozesssimulation generiert eine durchgängige Softwarelösung für einen flüssigen Arbeitsablauf. Durch den Einsatz entsprechender digitaler Werkzeuge kann so selbst die Mittagspause zu einer produktiven und kreativen Angelegenheit werden.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.konstruktionspraxis.de

* Dr. Gereon Deppe, Business Development Generative Design bei Simufact

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