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Die Topologieoptimierung ist ein leistungsfähiges Digital Engineering Tool für die Entwicklung von Leichtbauprodukten. Dennoch ist die Übertragung der gewonnenen Designvorschläge in herstellbare Teile immer noch eine anspruchsvolle Aufgabe.

Das durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderte Forschungsvorhaben OptiOnEn – Optimale One Click Entwicklung, Einsatz von bionischen Optimierungsprogrammen für nachhaltiges Wachstum von kleinen und mittleren Unternehmen – beschäftigte sich mit der Fragestellung, wie die Synergien aus Topologieoptimierung und AM gerade für kleinere Unternehmen nutzbar gemacht werden, ohne auf teure kommerzielle Lösungen angewiesen zu sein. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer Softwarelösung, die wesentliche Prozessschritte der Strukturoptimierung weitgehend automatisiert und dadurch besonders nutzerfreundlich gestaltet, sodass prozessgerechte optimierte Bauteile quasi auf „einen Klick“ generiert und gefertigt werden können.

Das Ergebnis des Projekts ist ein „One Click Tool“, bestehend aus einem hybriden Topologieoptimierungsalgorithmus, Fertigungsrandbedingungen auf Basis finiter Kugeln und einem Zweischritt-Glättungsalgorithmus.

Im finalen Prozess wird zu Beginn ein initialer Bauraum mit zugehörigen Lasten und Randbedingungen definiert. Zusätzlich werden die Fertigungsrestriktionen angepasst. Nach der Übergabe dieser Daten startet das One-Click-Tool. Das Ergebnis kann direkt an eine Druckvorbereitungssoftware übergeben und additiv gefertigt werden. Der hier eingesetzte Algorithmus zur hybriden Topologieoptimierung minimiert zunächst die Nachgiebigkeit der Bauteile und optimiert anschließend durch eine Homogenisierung der Oberflächenspannung die Festigkeit. Die Beschreibung der Fertigungsrestriktionen auf Basis finiter Kugeln erlaubt es beispielsweise in der Additiven Fertigung weitgehend selbsttragende Designs zu generieren. Somit kann auf Stützstrukturen überwiegend verzichtet und dadurch Materialkosten und Fertigungszeit gesenkt werden. Durch den Glättungsalgorithmus werden die Ergebnisse der prozessgerechten Strukturoptimierung in ein Oberflächennetz im STL-Format umgewandelt, dass direkt an die eingesetzte Druckvorbereitungssoftware übergeben werden kann.

Einen ausführlichen Artikel zur Implementierung und Validierung der Methode unter der Autorenschaft von Tobias Rosnitschek, Rick Hentschel, Tobias Siegel, Claudia Kleinschrodt, Markus Zimmermann, Bettina Alber-Laukant und Frank Rieg mit dem Titel „Optimized One-Click Development for Topology Optimized Structures“ finden Sie hier.