3D-Topologieoptimierung am Beispiel eines ...

Heidenreich & Harbeck Gießerei GmbH Mölln Informations-Mail - 11/2002
3D-Topologieoptimierung am Beispiel eines Hochgeschwindigkeitsschlittens
Am Beispiel eines Hochgeschwindigkeitsschlitten einer HSC-Fräsmaschine, der einer Querbeschleunigung
von immerhin 2g ausgesetzt ist, werden die Potenziale, welche die Topologie-Optimierung
bietet, besonders deutlich. Die Fragestellung, ob die klassische Kastenverrippung (Abb. 5, links) für
diesen Einsatzzweck wirklich ideal sei, wurde bereits 1997 an Heidenreich & Harbeck herangetragen.
Verformung
u max = 4,8 µm
[mm]
u max = 2,4 µm
Abb. 5 Verformungen unterschiedlich verrippter, querbeschleunigter HSC-Schlitten
In aufwändigen manuellen Optimierungsrechnungen, verbunden mit wiederholten Änderungen im
CAD-Modell, dessen Übertragung an das FEM-Berechnungsprogramm und etlichen Arbeitsschritten
im Pre- und Postprozessing, konnte eine innovative, überlegene Rippenstruktur gefunden werden.
Die Veröffentlichung der seinerzeit gefundenen fischförmigen Verrippung (Abb. 5, rechts) fand in der
Fachwelt große Beachtung, ließen sich doch mit ihr die Verformungen gegenüber der Kastenverrippung
auf die Hälfte reduzieren.
Das ungewöhnliche Aussehen ergibt eine nahezu ideale Gießbarkeit. Die Anforderungen aus Formbau
und Gießerei werden weit besser erfüllt als bei der kastenförmig verrippten Variante, so dass sich
das um 15% verringerte Gewicht auch in einer Reduzierung der Herstellkosten um 10% niederschlug.
Auch in anderen Entwicklungsprojekten bestätigte sich, dass nicht zuletzt wegen der vielen Gemeinsamkeiten
zwischen dem Kraftfluss und der Strömungsmechanik eine per biologischer Designfindung
entwickelte Gestalt auch eine gießgerechte Gestalt ist. Wir fassen diese Gesetzmäßigkeit unter der für
Heidenreich & Harbeck geschützten Marke BIOCAST® zusammen !
Mit der jetzt zum Einsatz gebrachten Optimierungssoftware wurde die damalige Fragestellung nach
der optimalen Verrippung erneut aufgegriffen. Dazu ist im Optimierungsmodell das Bauteilvolumen zu
definieren, das im Designvorschlag enthalten sein muss, weil sich dort z. B. Anschraubflächen
befinden (´Fester Bereich´ in Abb. 6, links oben). Im Optimierungsgebiet hingegen darf das Computerprogramm
solche Bereiche eliminieren, die nicht zum Kraftfluss beitragen.
Optimierungsgebiet
Fester
Bereich
Abb. 6 Hochgeschwindigkeitsschlitten: Definition der Optimierungsaufgabe (links) und Ergebnis der
automatischen Topologieoptimierung (rechts)

Heidenreich & Harbeck Gießerei GmbH Mölln Informations-Mail - 11/2002
Der über Nacht berechnete Topologievorschlag (Abb. 6, rechts) ist der manuell gefundenen Gestalt
nicht unähnlich, was auch für die seinerzeit geleistete Arbeit des Entwicklungsingenieurs spricht. Die
Überprüfung des mit vergleichsweise geringem Aufwand in eine gießgerechte Konstruktion (Abb. 7)
überarbeiteten Gestaltvorschlags zeigt, dass mit dem Einsatz moderner Optimierungswerkzeuge
treffsicher funktional überlegene Konstruktionen generiert werden können.
u max = 1,7 µm
Abb. 7: Verformungen des topologie-optimierten und gießgerecht gestalteten Schlittens
Durch den Einsatz der Topologie-Optimierung zur Erzeugung eines Gestaltvorschlages und der
Nutzung formoptimierter, robuster Rippenübergänge bei der gießgerechten Gestaltung konnten
folgende Verbesserungen erreicht werden:
•= Reduzierung der Gesamtverformungen gegenüber dem manuell optimierten Schlitten um 30 %
•= Reduzierung der Gesamtverformungen gegenüber dem kasten-verrippten Schlitten um 65 %
•= Reduzierung des Bauteilgewichts gegenüber dem manuell optimierten Schlitten um 2 %
Damit darf angenommen werden, dass viele solcher Konstruktionen weit von einer kraftflussgerechten
Gestaltung entfernt sind und dass durch unsere neue Vorgehensweise Gussteile mit überlegenen
Gebrauchseigenschaften entstehen werden. Mittlerweile hat das Unternehmen Heidenreich & Harbeck
in mehreren Entwicklungsprojekten sehr gute Erfahrungen mit dem neuen Werkzeug sammeln
können.
Die Abschätzung des für die Entwicklung erforderlichen Gesamtaufwandes weist bei diesem
konkreten Beispiel ein Einsparpotenzial bei den Rechner- und Ingenieurstunden von jeweils etwa 70%
auf ! Dieses macht deutlich, dass mit dem Einsatz der Topologieoptimierung eine weitere deutliche
Reduzierung der Entwicklungszeiten möglich ist.