Leichtbauteile – schnell und einfach

Bauteile in Fahrzeugen sollen immer leichter werden, dabei aber größten Kräften standhalten. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen bieten dazu auf der Hannover Messe (15. bis 20. April) neue Softwarelösungen an. Mit Hilfe eines mathematischen Verfahrens können die Strukturen von tragenden Elementen optimal an die einwirkenden Lasten angepasst werden. Doch mit dem Programmsystem kann man nicht nur leichte Bauteile konstruieren. Weitere Softwaremodule decken gleich die gesamte Prozesskette ab – von der Konstruktion bis zum Rapid Prototyping.

Nicht nur die Automobilbranche spart bei Fahrzeugteilen gerne Gewicht ein. Auch die Flugzeugindustrie und die Raumfahrt setzen auf Leichtbauweise. Doch trotz ihrer filigranen Struktur müssen die leichten Bauteile die Sicherheit der Insassen gewährleisten. »In der Regel läuft es bei den großen Automobilfirmen heute so, dass zunächst mit konventionellen Methoden ein Bauteil konstruiert wird. Anschließend werden bei Bedarf die neuen Optimierungsverfahren eingesetzt«, erläutert Andreas Burblies, der am IFAM den Bereich Computer Aided Engineering betreut. Die Wissenschaftler in Bremen konstruieren dabei virtuell Bauteile mit optimierten Strukturen und sparen gleichzeitig Gewicht ein. Der Konstrukteur überarbeitet den Vorschlag des Computers und setzt ihn fertigungsgerecht um.

Die IFAM-Wissenschaftler lieferten Beiträge für die Optimierungssoftware TOSCA, die von der Firma FE-DESIGN GmbH vertrieben wird. Auf der Hannover Messe wird eine erweiterte Version von TOSCA zu sehen sein. Eines der neuen Module sorgt beispielsweise für die optimale Topologie von Leichtbauteilen. Die Arbeitsweise von TOSCA wird auf der Messe am Beispiel eines Motorträgers demonstriert. »Das Prinzip der Gewichtsreduktion durch Topologieoptimierung ist dem biologischen Prinzip des Knochenwachstums nachempfunden«, erklärt Burblies die Idee, die hinter diesem Softwaremodul steckt. »Fresszellen bauen innerhalb der Knochen Gewebe an wenig belasteten Stellen ab und lagern neues Gewebe an stark belasteten Gebieten an. Dieses lokale Prinzip der Spannungsoptimierung lässt sich mit dem mathematischen Verfahren der Finite-Elemente-Methode simulieren.«

»Dazu berechnen wir zunächst die Statik des Modells. Bereiche, die nicht verändert werden sollen, können wir bereits vorab definieren und einfrieren. Anschließend analysiert ein Optimierer die Spannungsverteilung an den nicht eingefrorenen Stellen des Trägers unter verschiedenen Belastungen. Wird Material in wenig belasteten Gebieten abgebaut, simulieren wir das, indem wir das Elastizitätsmodul reduzieren. Bei starker Belastung wird das Elastizitätsmodul erhöht. Die neu gewonnen Werte sind Grundlage für eine weitere statische Analyse. Dieser Prozess wiederholt sich so lange, bis die optimale Struktur erreicht ist«, erläutert Burblies die Vorgehensweise. So lassen sich mit der Topologieoptimierung beim Motorträger rund 40 Prozent Gewicht einsparen, ohne dass die Festigkeit des Bauteils verloren geht.

Allerdings erhalten die Wissenschaftler zunächst keine glatte Oberfläche, sondern nur treppenartige Strukturen an den veränderten Bereichen. »Der Konstrukteur sieht also zunächst nur eine Art LEGO-Modell des optimierten Bauteils«, so Burblies. Aus diesem groben Modell ist der Konstruktionsvorschlag des Topologieoptimierungs-verfahrens für den Konstrukteur nur schwer zu erkennen. Um die Ergebnisse optimal umsetzen zu können, haben die Experten zusätzlich ein »Glättungsmodul für topologieoptimierte Strukturen« entwickelt. Dabei orientiert sich die Software an den Linien mit gleicher Elastizität. So entsteht aus dem eckigen LEGO-Modell eine glatte Struktur.

Das so bearbeitete Modell kann nun mit Hilfe eines weiteren Moduls in unterschiedlichen Formaten exportiert werden: So lässt sich der Motorträger entweder visuell am Bildschirm darstellen, in ein CAD-Programm zurückführen oder schnell in einen realen Prototypen umsetzen. Damit unterstützt TOSCA die Konstrukteure bei der schnellen und kostengünstigen Produktion von Leichtbauteilen. Doch auch kleine und mittlere Unternehmen, die bei Bauteilen Gewicht einsparen wollen, können sich an die IFAM-Experten wenden. »Schließlich bieten wir genau das als Dienstleistung an«, betont Burblies