FERTIGUNGSTECHNIK • ZULIEFERINDUSTRIE • NEUE TECHNOLOGIEN

26 l Ein Projekt von industriell fertigen – systemisch lösenhandling, und / Februar 2017

Hand in Hand: Topologieoptimierung und Additive FertigungEin wichtiges Werkzeug zum Entwurf komplexer Strukturen ist die Topologie-optimierung. Durch neue Designfreiheiten, die mit Additiven Fertigungsverfahren

erschlossen werden, ändern sich derzeit die Produktentwicklungsprozesse in vielen

Industriebereichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsverfahren eröffnet

sich neues Leichtbaupotenzial, da in der Additiven Fertigung deutlich komplexere

Geometrien herstellbar sind.

Die Topologieoptimierung der Simulationssoftware Ansys liefert Antworten für die Entwicklung lastgerechter sowie gewichtsop-timierter Bauteile und ist somit eine wertvolle Unterstützung beim ständigen Streben nach Produktverbesserung. Dabei entstehen je nach Einstellungen mehr oder minder komplexe Strukturen  – auch mit Hinter-schnitte  – sowie organische Formen und Verzeigungen, die durch herkömmliche Verfahren nur mit extrem hohem Aufwand oder auch gar nicht zu fertigen sind. Dank der Additiven Ferti-gung lassen sich derartige Bau-teilentwürfe heute nicht nur als Konzept verwenden, sondern als einsetzbare Bauteile produ-zieren.

Als integraler Bestandteil des Entwicklungsprozesses bietet der Geometriemodellierer Ansys Space Claim als Bindeglied zwi-schen der Topologieoptimierung

und der Additiven Fertigung umfassende Funktionalität, um den Konstrukteur bei der Um-setzung der Designvorschläge zu unterstützen. Durch die intuitive Bedienung versetzt die Software auch ungeübte Anwender in die Lage, komplexe Strukturen zu rekonstruieren und für die Ad-ditive Fertigung vorzubereiten. Die im Folgenden dargestellten Beispiele demonstrieren das Po-tenzial, das die Kombination von Topologieoptimierung und Addi-tiver Fertigung bietet.

In der Automatisierung und RobotikGemeinsam mit der Firma Witt-mann Robot Systems (Nürnberg) hat Cadfem eine Konzeptstudie zur optimierten Auslegung eines Vakuumgreifers an einem linear geführten Roboter erstellt. Mit dieser Art von Robotern lassen sich hohe Beschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten

für die Prozessautomatisierung erreichen. Um eine hohe Positi-oniergenauigkeit sicherzustellen sowie ein Nachschwingen des Greifers zu minimieren, ist die Greifergeometrie so auszule-gen, dass ein geringes Gewicht mit gleichzeitig hoher Steifi g-keit realisierbar wird. In diesem Szenario lag der Fokus auf der Versteifung des Vakuumgreifers bezüglich der wirkenden Be-schleunigungen. In einem ersten Schritt wurden die Beschleuni-gungslasten durch eine statische Äquivalentlast ersetzt, die als Basis für die Strukturoptimierung diente. Mit dem Ziel, ein maxi-mal steifes Bauteil zu erreichen, wurde der Designvorschlag mit-tels Ansys Topologieoptimierung berechnet und die entstandene organische Form über die STL-Bearbeitungsfunktionen (STL: Standard Tessellation Language) von Ansys Space Claim geglättet. Die Rückführung in eine CAD-

Geometrie fand dann über eine Rekonstruktion mit Freiformfl ä-chen statt. Als fi naler Konstrukti-onsschritt wurden anschließend die Luftkanäle in die Struktur ein-gefügt. Dank des Einsatzes Addi-tiver Fertigungsverfahren lässt sich hier ein beinahe beliebig komplexer Verlauf dieser Kanäle realisieren. Das Ergebnis zeichnet sich durch eine bis zu zehnfach höhere Steifi gkeit (richtungsab-hängig) gegenüber der Referenz aus, wobei der Materialbedarf zusätzlich leicht reduziert wer-den konnte.

Im Automobilbereich Auch im Automobilbereich ist die Topologieoptimierung be-reits in vielfältigen Anwendungs-feldern anzutreff en. Gemeinsam mit der Technischen Hochschule Ingolstadt und der Firma Stra-tasys (Rheinmünster) hat die Cadfem eine Felge mithilfe der Topologieoptimierung erstellt. Grundlage war ein zylinderähn-licher Bauraum sowie die Defi -nition von zwei maßgeblichen Lastfällen. Entsprechend den gewählten Randbedingungen für die Topologieoptimierung wur-den verschiedene Designvarian-ten erstellt. Die Ergebnisse der

Topologieoptimierung wurden anschließend geglättet und in eine CAD-Geometrie überführt.

Anhand von Simulationen er-folgte die Designvalidierung, um das am besten geeignete Design zu ermitteln. Dabei wurde für die Vernetzung eine fl ächenunab-hängige Methode verwendet, die sich der Krümmung anpasst. So konnte das aus der Topologieopti-mierung stammende Bauteil auf seine Festigkeit hin bewertet wer-den. Ganz neue Möglichkeiten zur strukturmechanischen Bewer-tung des Designs und der Visuali-sierung der Beanspruchung bietet die PolyJet-Technologie von Stra-tasys. Damit lassen sich die Simu-lationsergebnisse, beispielsweise der Spannungszustand im Bauteil, in den 3D-Druck integrieren. Mit der Topologieoptimierung wurde ein völlig neuartiges Felgen-De-sign erzeugt, das die Anforderung an Gewicht und zulässige Span-nungen im Bauteil erfüllt. Zudem überzeugt das Design durch seine organische Form auch hinsicht-lich ästhetischer Anforderungen. In einer Konzeptstudie eines Sprungroboters des DLR (Deut-sches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.) in Oberpfaff en-hofen wurde eine Topologieopti-

Bei diesem topologieoptimierten Vakuumgreifer wurden die Luftkanäle nachträglich konstruiert und dank Addi-tiver Fertigung in einem Fertigungsprozess durch die Firma Stratasys realisiert. (Quelle: Wittmann Robot Systeme)

Das vom Konstrukteur entworfene Ursprungsdesign für das Roboterbein. (Quelle: Dt. Zentrum f. Luft- und Raumfahrt e.V. in der Helmholtz-Ge-meinschaft, Institut f. Robotik u. Mechatronik)

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mierung des Ober- und Unter-schenkels eines Sprungroboters durchgeführt.

In der Luft- und RaumfahrtEine vorangegangene Mehr-körpersimulation (MKS) liefert das zu berücksichtigende Belas-tungsszenario. Zusammen mit dem defi nierten Bauraum und der Festlegung der Lagerungen erfolgte anschließend die Topo-logieoptimierung hinsichtlich einer maximalen Steifi gkeit bei gleichzeitig möglichst geringem Materialaufwand. Auf der Basis des Designvorschlags wurde mit Ansys Space Claim eine geglät-tete CAD-Geometrie erzeugt

und im Anschluss für eine Vali-dierungsberechnung verwendet. Im Vergleich zum ursprünglichen Entwurf konnte die Masse um 40 Prozent reduziert werden. Gleichzeitig ließen sich der Maxi-malwert der Spannung sowie die maximale Verformung konstant halten, sodass die Funktionalität des Bauteils beeinfl usst wurde. Materialeinsparungen sind in der Luft- und Raumfahrt entschei-dend, da mit jedem gesparten Gramm zusätzlich auch Treibstoff und folglich Kosten eingespart werden. Zur Herstellung des to-pologieoptimierten Designs eig-nen sich auch hier Additive Ferti-gungsverfahren.

In der MedizintechnikEin besonderes Szenario bietet sich in der Medizintechnik: Die Einzigartigkeit jedes Menschen stellt besondere Herausforde-rungen an die patientenspezi-fi sche Fertigung von Implantaten oder Endoprothesen. Hier kön-nen mithilfe der Additiven Fer-tigung zum Beispiel Implantate an die Kieferkontur des Patienten angepasst werden. Dies verein-facht die Arbeit des Chirurgen erheblich, da die meist aus

hochfesten Metalllegierungen bestehenden Implantate nicht mehr durch reine Kraftanwen-dung während der Operation in die endgültige Form gebracht werden müssen. Weiterhin muss jedes dieser Einzelstücke den individuellen mechanischen Be-anspruchungen im Köper stand-halten. Das Wohl und die Sicher-heit des Patienten stellt hierbei die zentrale Anforderung: Ein mechanisches Versagen dieser Implantate darf nicht auftreten. Die Erzeugung der Konstrukti-onsdaten für Produkte mit der Losgröße 1 bleibt dabei nach wie vor ein Kernproblem, da ein lastgerechter Entwurf dieser

hoch beanspruchten patienten-individuellen Komponenten mit einem hohen Maß an Erfahrung des Konstrukteurs verbunden ist.

An dieser Stelle kommt die Topologieoptimierung zum Ein-satz. Hierbei können zusätzlich anatomische Gegebenheiten in Bezug auf die Befestigungsstel-len der Implantate berücksichtigt werden. Mit der Topologieopti-mierung und Additiven Fertigung konnte in einer Konzeptstudie ein Arbeitsprozess aufgezeigt werden, der den Konstruktions-prozess patientenspezifi scher Medizinprodukte teilautomati-siert und damit die Wirtschaft-lichkeit erheblich steigern kann.Die hier aufgezeigten Beispiele

verdeutlichen das Potenzial, das die automatische Formfin-dung additiv fertigbarer Pro-dukte und die Simulation zur ersten Abschätzung von Ver-formung und Festigkeit bieten. Damit kann neues Leichtbau-potenzial sowohl für bereits be-stehende Produkte als auch für innovative neue Formgebung erschlossen werden. So ergän-zen sich die Additive Fertigung und die Topologieoptimierung perfekt – sie gehen Hand in Hand. Tobias Haushahn / ee

Intec, Halle 2, Stand D58

Topologieoptimierung

Cadfem, www.cadfem.de

Vortrag zur Topologieoptimierung

Auf dem Technologieforum Additive Fertigung, das im Rah-men der Intec unter Mitwirkung des Fraunhofer Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Leipzig stattfi ndet, referiert der Autor dieses Artikels, Tobias Haushahn, am 8. März (13:00 Uhr) über die „Anwendung der si-mulationsgestützten Topologieoptimierung für ei-nen 3D-gerechten Druck“.

Informationen zum Technologieforum:www.intec-messe.de/sonderschauen/additive-fertigung

Der mit dem PolyJet-Verfahren von Stratasys erzeugte 3D-Druck stellt den Spannungszustand in der Felge dar. (Quelle: Stratasys)

Ein topologieoptimiertes Implan-tat (orange) im Kieferbereich, das entsprechend der patientenspe-zifi schen Kaubelastungen ent-wickelt wurde. (Quelle: Cadfem Medical)

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Ausstellerlisten und Hallenpläne der Motek 2016 auf Seite 23-27

ROBOTIKROBOTIKTIKRoboter, Roboterperipherie, Software, Bilderkennung und Sensorik

IN DER

INDUSTRIELLEN

FERTIGUNG

Motek, Halle 8, Stand 8410

Robotertechnik bildet bei der kommenden Motek im Oktober erneut einen Messeschwerpunkt. (Foto: Motek)

Rund 2,3 Millionen Roboterein-heiten sollen in zwei Jahren welt-weit in den Werkshallen arbei-ten – das sind mehr Einwohner,als Zentral-Paris aufweisen kann. Dieses Bild zeigt, wie engagiert und global die Industrie bei denRoboterkäufen aktiv wird. Im letzten Jahr wurden allein knapp 250.000 Einheiten geordert.

Deutschland war dabei mit 20.000 Orders beteiligt. In Eu-ropa folgen mit weitem Abstand Italien (6.700 Einheiten) und Spa-nien (3.800). Zum Vergleich: Chi-na allein bestellte 67.000 Indus-trieroboter – und hat sich in dennächsten Jahren viel vorgenom-men. Bei einer Roboterdichte

von 36 Einheiten auf 10.000 Ar-beitnehmer belegt das Reich der Mitte gegenwärtig weltweit Rang 28. Das soll sich bis 2020 auf 150Einheiten ändern und würde dieChinesen unter die ersten zehn im Populations-Ranking für Ro-boter katapultieren.

Aussteller- und Besucher-erfolg der diesjährigen Automa-tica unterstreichen das industri-elle Trendthema noch einmal.Die Messe hatte im Vorfeld deut-sche Industriemanager befragt. 81 Prozent der Automationspro-fis waren der Ansicht, dass der Einsatz von Robotern in mittel-ständischen Betrieben stark zu-nehmen wird. Einer der Treiber

für diesen Trend ist die Mensch-Roboter-Kollaboration, was inMünchen das große Thema war.

Nach der Erfolgs-Automaticaknüpft in diesem Herbst die Mo-tek in Stuttgart an das Trendthe-ma an: Die Messe zeigt „Roboter-Systemintegration im Weltformat mit der visualisierten und in Hap-tik erlebbaren Prozessfähigkeit“, so Veranstalter Schall selbstbe-wusst – mit Robotern in zahl-reichen Anwendungsbereichen. Mit ihrer konsequenten Fokus-sierung auf die Produktions- und Montageautomatisierung kommt sie ganz besonders industriellen Interessen entgegen.www.motek-messe.de

Interviews:

Gerhard Schmid, General Manager Deutschland

Universal Robots 12

Henrik A. Schunk, Geschäftsführender Gesellschafter Schunk 30

Reportagen:

Schwerlastroboter: Der Kraftprotz lässt die Muskeln spielen 4

Energieführungen: Führung bringt Freiheit 14

Mobilrobotik: Der blecherne Postbote 28

Robotersimulation: Virtuelle Roboterwelt

steigert Produktivität 34

Qualitätskontrolle: Roboter prüft Köpfe 38

Aus dem Inhalt

Konsequent auf Produktion konzentriertDie Motek ist das nächste Roboter-Highlight 2016

industriell fertigen – systemisch lösen

handlingAusstellerlisten und Hallenpläne der Motek 2016 auf Seite 23-27

ROBOTIK

Roboter, Roboterperipherie, Software, Bilderkennung und Sensorik

IN DER

INDUSTRIELLEN

FERTIGUNG

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featureThe “CabriO” in Switzer-land is the world’s first cable car featuring a roofless upper deck, hosting some of the world’s most impressive technology.

travelA journey to Cambodia offers travellers a window on the soul of Southeast Asia, and Cambodia has a rich and fascinating history.

news & trendsUkrainian inventor Vladimir Tatarenko has created a concept plane featuring a cabin that detaches from the cockpit when the flight goes belly-up.

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Wie entwickelt sich der PLM-Markt? CAM-Systeme

Bohrende Fragen im Formenbau Marktübersicht

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