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Design und Funktion

: CADFEM


Felgen haben nicht nur eine sehr wichtige Funktion sondern sind für viele auch ein entscheidendes Designelement am Auto ihrer Wahl. Deshalb ist die Simulation nicht nur für die Berechnung der Verformung und des mechanischen Spannungsverlaufs nutzbar. Für neuartige, bionische Designs kann mit Simulationen auch eine topologieoptimierte Struktur erzeugt werden.

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Bei diesem konkreten Beispiel wurde u. a. eine Additive Fertigung gewünscht und das angestrebte Gewicht sollte auf 12 kg reduziert werden. Für die Berechnung der Verformung und des Spannungsverlaufs wurden als Lastfälle sowohl eine Vollbremsung während einer Linksfahrt als auch während einer Rechtsfahrt festgelegt.

Vorschläge durch Algorithmen

Zunächst wurde ein zylinderähnlicher Bauraum erstellt, auf dessen Grundlage mit der ANSYS Topologieoptimierung die Designvorschläge unter Berücksichtigung der zwei gegebenen Lastfälle generiert wurden. Anschließend erfolgte die Berechnung der Verformungen und Spannungen für die einzelnen Designvorschläge, um anhand der Ergebnisse die Entscheidung für einen Designvorschlag zu fällen.

Durch den Einsatz von Additiven Fertigungsverfahren konnte ein farbiger 3D-Druck des Spannungsverlaufs erstellt werden. Nachdem die Rückführung des finalen Vorschlags vom STL-Modell zur CAD-Geometrie über Flächenpatches mit Anbindung an die Originalgeometrie abgeschlossen war, konnte ein Sektorstück aus Metall additiv erzeugt werden.

Damit dieser Prozess auch für andere Anwendungsfälle nutzbar ist, wurde ein effizientes, methodisches Vorgehen erarbeitet. Bei dieser Methode lassen sich die Arbeitsschritte über Skripte (Python) automatisieren, sodass bei geänderten Anforderungen der Prozessablauf vom Bauraum bis zum druckbaren, neu berechneten Bauteil sehr schnell wiederholt
werden kann – und jederzeit eine entsprechende Steifigkeits- und Spannungsbewertung verfügbar ist. Während der etwa zweistündigen Berechnung der Aluminiumfelge wurden jeweils die Übergänge zwischen den Regelstrukturen und den bionisch wirkenden Bereichen besonders berücksichtigt.

Neues Leichtbaupotential

Die automatische Formfindung durch die Topologieoptimierung für additiv fertigbare Produkte sowie die Simulation zur ersten Abschätzung von Verformung und Festigkeit eröffnen ein neues Leichtbaupotential. Das gilt für die Modifikation bereits bestehender Produkte durch neue Designvarianten als auch für die Erschließung völlig neuartiger Designs bei Neuentwicklungen.

Durch die Simulationsergebnisse bezüglich Verformung und Festigkeit kann das Bauteilverhalten der Felge, die durch Additive Fertigung entstanden ist, den bisherigen Felgen gegenübergestellt werden, die mit herkömmlichen Designs und den traditionellen Herstellverfahren gefertigt wurden. Ebenso lassen sich die Fertigungskosten vergleichen.

Insgesamt ist zu beachten, dass das völlig neue Felgendesign durch Algorithmen und nicht durch Konstruktionstätigkeit erzeugt wurde. Das anvisierte Gewicht ist erreicht worden und auch die Spannungen und Verformungen liegen im erwarteten Bereich. Ausständig ist noch die Bewertung der Lebensdauer mit experimentellen Versuchen.

Vom Bauraum bis zum Sektorstück der Autofelge, die mit Additiver Fertigung aus Metall erzeugt wurde. Diese beispielhafte Anwendung der Topologieoptimierung für Additive Fertigungsverfahren lässt sich auch auf andere Produkte übertragen.


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