Gewichtseinsparung bei Gussteilen ohne Steifigkeitsverlust

So hat der Automobil-Hersteller Audi eine Bionik-Kampagne gestartet, in die der Software-Anbieter FE-Design, Karlsruhe, mit dem Programmpaket Tosca Structure.topology eingebunden wurde.

Mit Hilfe dieses Optimierungsmoduls entstand ein Gussträger für ein Hinterachsdifferential. Im Vergleich zur Vorgängerversion ist das Gewicht um 10%, die im Gussteil wirkenden Spannungen um 45% reduziert. Das erste Prototypteil hat alle Tests bestanden.

Der Konstruktionsansatz lag dabei in der Topologieoptimierung. Sie hat das Ziel, eine höchstmögliche Werkstoffausnutzung zu erreichen und die geforderten mechanischen Bauteileigenschaften zu erfüllen. So wird „Material“ in Abhängigkeit vom Kraftfluss angelagert und entfernt.

Am Ende der Optimierung bleibt nur dort Werkstoff stehen, wo es notwendig ist.
Das entspricht einer Maximierung der Steifigkeit bei vorgegebener Werkstoffmenge.

Seit einiger Zeit können dabei fertigungsspezifische Erfordernisse vorgegeben werden: zum Beispiel Entformungsrichtungen, Formschrägen und Mindestwanddicken.

Grundlage dafür ist ein FEM-Modell, das Bauraum, Lasten und Einspannungen beinhaltet. Eine FEM-Analyse für Gussteile besteht aus drei Schritten:

-Das Preprocessing umfasst das Vernetzen des Modells mit finiten Elementen, die Festlegung der Werkstoffeigenschaften, Lasten und Einspannbedingungen. Für diesen Schritt gibt es einerseits FE-Modelliersysteme, in die sich CAD-Geometrien importieren und weiterverarbeiten lassen. Andererseits kommen zunehmend CAD-Systeme mit der Möglichkeit zur FEM-Analyse auf den Markt. Im Preprocessing wird auch eine Eingabedatei für den Gleichungslöser –den Solver- erzeugt.

-Der Solver wird gestartet. Der Computer löst das Gleichungsmodell, welches das simulierte Konstruktionsmodell mathematisch beschreibt.

-Im Postprocessing werden die erzeugten Ergebnisdaten visualisiert und ausgewertet.

Das Optimierungsmodul von FE-Design unterstützt die Solver Abaqus, Ansys, Marc, Nastran und Permas, die als Ergebnis unter anderem mechanische Spannungen, Verschiebungen und Eigenfrequenzen liefern.

Infolge des offenen Schnittstellenkonzepts, das direkt auf die Ein- und Ausgabedateien der Solver aufsetzt, spielt es keine Rolle, wie diese erzeugt werden. So lassen sich für den Aufbau der FE-Modelle nicht nur die klassischen FE-Preprozessoren nutzen, sondern auch die CAD-integrierten Vernetzungssysteme.

Bei CAD-Systemen wie dem Produkt UGS NX5 lässt sich die FE-Analyse und Optimierung nahezu komplett aus der CAD-Umgebung starten. Außerdem wurden die Möglichkeiten zur Definition einer Optimierungsaufgabe erweitert. So können mittlerweile lastabhängige Verschiebungen oder Frequenzen als Anforderung an einen Designvorschlag vorgegeben werden.