Topologieoptimierung trotz Software viel Ingenieurskönnen nötig

April 2024

PR-Gateway: (Mynewsdesk) Rund 80 Simulationsexperten trafen sich beim 4. CAE-Forum an der Hochschule Landshut

Das mittlerweile 4. Landshuter CAE-Forum an der Hochschule Landshut bot Expertenwissen rund um das Thema Simulation und Computer Aided Engineering, der Schwerpunkt lag auf der Topologieoptimierung. Neue Software-Pakete wurden am 10. Mai 2016 ebenso präsentiert wie Herausforderungen und Lösungen bei der Simulation und Optimierung von Bauteilen. Dies gerade unter Einsatz von innovativen Fertigungsverfahren wie Spritzguss, additive Fertigung oder 3D-Wickeltechnik, bei denen bei der Automatisierung des Optimierungsprozesses noch viel Forschungsbedarf besteht. Veranstaltet wird das CAE-Forum vom Institut für technologiebasierte Zusammenarbeit unter Leitung von Prof. Dr. Detlev Maurer (Hochschule Landshut) und in Kooperation mit www.cae-forum.de.

Die Topologieoptimierung befasst sich mit der Findung der optimalen Gestalt von Strukturbauteilen, dies bei einem gegebenen Bauraum und unter Berücksichtigung von Lastfällen sowie Material- und Designparametern. Erfahrung und ein Verständnis von Materialeigenschaften und ?verhalten sowie der Fertigungsprozesse seien grundlegend für die Umsetzung von Kundenwünschen, wie Steffen Hachtel (Hachtel Werkzeugbau GmbH & Co. KG, Aalen) in seinem Vortrag betonte und am Beispiel der Spritzgussfertigung verdeutlichte. Schrumpf- und Verzugsprozesse seien u.a. wegen der Bauteilgeometrie oft nicht beherrschbar. Durch die Prüfung der erzeugten Teile per Computertomografie (CT) werden die Unterschiede zwischen Soll und Ist deutlich erkennbar. Man müsse die Ursachen für diese Verformungen verstehen und demensprechend die Struktur von Bauteilen anpassen, dies im engen Kontakt mit dem Kunden. Die Simulation sei ein iterativer aufwändiger Prozess, der Wissen, Erfahrung und Ideen erfordere.

Herausforderungen durch neue FertigungsverfahrenMit dem Additive Manufacturing, das gerade bei der Formgebung und Topologieoptimierung von Strukturteilen ganz neue Möglichkeiten bietet, befasste sich ein Vortrag von Michael Klär (Dessault Systèmes, Stuttgart). Durch Waben- oder Fachwerkstrukturen entstünden völlig neue Freiheitsgrade bei der Gestaltung. Hier biete z.B. Simulia Tosca die Möglichkeit zur Optimierung mit Zielvorgaben für Steifigkeit und Gewicht. Auch eine Formoptierung die Kerbspannungen im Bauteil sei möglich. Über eine sog. Lattice Optimization könnten zusätzlich Fachwerkstrukturen erzeugt und so die Vorteile des 3D-Drucks genutzt werden. In der Simulation des Fertigungsprozesses könnten zwar Faktoren wie Hitze und Druckgeschwindigkeit und ihre Auswirkungen auf die Material- und Bauteileigenschaften virtuell dargestellt werden. Insgesamt sei die (automatisierte) Simulation hier aber noch stark in der Entwicklung und ein durchgehender Workflow nicht gegeben.

Ein Vortrag von Dr. Claus Bayreuther (TECOSIM Technische Simulation GmbH, München) beschäftigte sich mit innovativen 3D-Wickeltechniken und der Simulation von Strukturbauteilen aus Faser verstärkten Kunststoffen (xFK). Auch hier müssen die Randbedingungen und vor allem die wichtigen Lasten definiert werden, da diese über die Fadenstruktur abgeleitet werden sollen. Am Beispiel eines Flaschenhalters erläutert er Einflussfaktoren wie die Wandstärke, die zu Membraneffekt oder Biegeeffekten führen und zeigt den Prozess aus dem der Ingenieur mit vielen Alternativentwürfen und Iterationsschleifen schließlich sein optimales Ergebnis entwickeln kann. Auch bei der Automatisierung der Simulation dieser neuen Fertigungstechnik sei noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten.

Software ? weitere Entwicklungen hin zu mehr Automatisierung nötig Praxisbeispiele für eine Topologieoptimierung unter Anwendung verschiedener Software-Pakete zeigten mehrere weitere Vorträge. Mit dem Design von Strukturteilen, wie z.B. von Autofelgen, bei denen je nach den gewählten Vorgaben für die Streben die Gestaltung sehr unterschiedlich ausfallen könne, beschäftigte sich Tobias Haushahn (CADFEM GmbH, Grafing). Er stellte das neue Paket ANSYS Topology Optimization vor, zeigte in einer Live-Demonstration Möglichkeiten und Handhabung und erläuterte, wie eine exportierte STL-Datei mit der CAD-Geometrie verschmolzen und ein mehrstufiger Glättungsprozess durchgeführt wird. Dabei betont er, dass das Programm die Absicht des Ingenieures, z.B. bei einer Motorhaltung 4 Lagerungen zu haben, nicht erkennen und dem entsprechend nicht berücksichtigen könne. Für die optimale Formgebung sei hier zusätzliche Ingenieursarbeit nötig.

Ein kostenloses Softwarepaket, das gerade Klein- und mittelständischen Unternehmen den Einstieg in die Finite-Elemente Analyse und die Strukturoptimierung ohne großen Kostenaufwand ermöglichen soll, präsentierte Maximilian Braun von der Universität Bayreuth. Die sog. Z88-Familie, ein Freeware-Paket, das am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der entwickelt wurde, ermöglicht linear statische, nichtlineare, thermische und Eigenschwingungsberechnung sowie Topologieoptimierungen. Über das von der EU geförderte Programm Optimfem.Bayern bestehe die Möglichkeit für KMUs das Wissen rund um die FEM-Analyse und die Topologieoptimierung zu erwerben.

Am Beispiel der Entwicklung eines Traktorenmodells zeigte Anton Hirsch (enders Ingenieure GmbH, Ergolding) die Parameterbestimmung in einem Produktentwicklungsprozess. Lastfälle könnten bei guter Ergebnisqualität in einer Mehrkörpersimulation dargestellt und mit FEM kombiniert werden und so realitätsnaher Parameter für die Auslegung einzelner Komponenten ermittelt werden. Zusammenfassend erklärte Dirk Pieper (pike engineering, Hamburg), dass die Wahl der Mittel und der Randbedingungen ebenso grundlegend für eine Designoptimierung seien, wie die Kenntnisse der Ingenieure. Eine Automatisierung dieser Prozesse hält er in Anbetracht von Algorithmen mit selbstlernenden Systemen in der Zukunft aber für wahrscheinlich.

Neben den vielfältigen vorgestellten Expertenerfahrungen bot die Veranstaltung, wie Prof. Dr. Holger Timinger (Vizepräsident der Hochschule Landshut) in seiner Begrüßung betont hatte, den anwesenden Studenten der Hochschule eine wertvolle Gelegenheit, um ihr Praxiswissen auszubauen und den Kontakt zu den in der Fachausstellung beteiligten Unternehmen sowie zu den Referenten zu suchen. Die vielen intensiven Gespräche während der Pausen und im anschließenden get together zeigten den hohen Diskussionsbedarf rund um das Thema CAE.

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Damit ist es möglich, grenzüberschreitend Diskussionen und Informationsaustausch zu betreiben. Die Synergien, die dies bietet, sollen helfen, jedem einzelnen - Institutionen und Firmen - eine möglichst große Bandbreite an Möglichkeiten der Numerik zu eröffnen.
CAE-Forum
Dirk Pieper
Hochfeld 14
22607 Hamburg
info[at]CAE-Forum.de
(040) 41 45 80 99
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(Weitere interessante News & Infos zu Demonstrationen gibt es @ http://www.demo-wegweiser.de.)

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Das mittlerweile 4. Landshuter CAE-Forum an der Hochschule Landshut bot Expertenwissen rund um das Thema Simulation und Computer Aided Engineering, der Schwerpunkt lag auf der Topologieoptimierung. Neue Software-Pakete wurden am 10. Mai 2016 ebenso präsentiert wie Herausforderungen und Lösungen bei der Simulation und Optimierung von Bauteilen. Dies gerade unter Einsatz von innovativen Fertigungsverfahren wie Spritzguss, additive Fertigung oder 3D-Wickeltechnik, bei denen bei der Automatisierung des Optimierungsprozesses noch viel Forschungsbedarf besteht. Veranstaltet wird das CAE-Forum vom Institut für technologiebasierte Zusammenarbeit unter Leitung von Prof. Dr. Detlev Maurer (Hochschule Landshut) und in Kooperation mit www.cae-forum.de.

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Herausforderungen durch neue FertigungsverfahrenMit dem Additive Manufacturing, das gerade bei der Formgebung und Topologieoptimierung von Strukturteilen ganz neue Möglichkeiten bietet, befasste sich ein Vortrag von Michael Klär (Dessault Systèmes, Stuttgart). Durch Waben- oder Fachwerkstrukturen entstünden völlig neue Freiheitsgrade bei der Gestaltung. Hier biete z.B. Simulia Tosca die Möglichkeit zur Optimierung mit Zielvorgaben für Steifigkeit und Gewicht. Auch eine Formoptierung die Kerbspannungen im Bauteil sei möglich. Über eine sog. Lattice Optimization könnten zusätzlich Fachwerkstrukturen erzeugt und so die Vorteile des 3D-Drucks genutzt werden. In der Simulation des Fertigungsprozesses könnten zwar Faktoren wie Hitze und Druckgeschwindigkeit und ihre Auswirkungen auf die Material- und Bauteileigenschaften virtuell dargestellt werden. Insgesamt sei die (automatisierte) Simulation hier aber noch stark in der Entwicklung und ein durchgehender Workflow nicht gegeben.

Ein Vortrag von Dr. Claus Bayreuther (TECOSIM Technische Simulation GmbH, München) beschäftigte sich mit innovativen 3D-Wickeltechniken und der Simulation von Strukturbauteilen aus Faser verstärkten Kunststoffen (xFK). Auch hier müssen die Randbedingungen und vor allem die wichtigen Lasten definiert werden, da diese über die Fadenstruktur abgeleitet werden sollen. Am Beispiel eines Flaschenhalters erläutert er Einflussfaktoren wie die Wandstärke, die zu Membraneffekt oder Biegeeffekten führen und zeigt den Prozess aus dem der Ingenieur mit vielen Alternativentwürfen und Iterationsschleifen schließlich sein optimales Ergebnis entwickeln kann. Auch bei der Automatisierung der Simulation dieser neuen Fertigungstechnik sei noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten.

Software ? weitere Entwicklungen hin zu mehr Automatisierung nötig Praxisbeispiele für eine Topologieoptimierung unter Anwendung verschiedener Software-Pakete zeigten mehrere weitere Vorträge. Mit dem Design von Strukturteilen, wie z.B. von Autofelgen, bei denen je nach den gewählten Vorgaben für die Streben die Gestaltung sehr unterschiedlich ausfallen könne, beschäftigte sich Tobias Haushahn (CADFEM GmbH, Grafing). Er stellte das neue Paket ANSYS Topology Optimization vor, zeigte in einer Live-Demonstration Möglichkeiten und Handhabung und erläuterte, wie eine exportierte STL-Datei mit der CAD-Geometrie verschmolzen und ein mehrstufiger Glättungsprozess durchgeführt wird. Dabei betont er, dass das Programm die Absicht des Ingenieures, z.B. bei einer Motorhaltung 4 Lagerungen zu haben, nicht erkennen und dem entsprechend nicht berücksichtigen könne. Für die optimale Formgebung sei hier zusätzliche Ingenieursarbeit nötig.

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Neben den vielfältigen vorgestellten Expertenerfahrungen bot die Veranstaltung, wie Prof. Dr. Holger Timinger (Vizepräsident der Hochschule Landshut) in seiner Begrüßung betont hatte, den anwesenden Studenten der Hochschule eine wertvolle Gelegenheit, um ihr Praxiswissen auszubauen und den Kontakt zu den in der Fachausstellung beteiligten Unternehmen sowie zu den Referenten zu suchen. Die vielen intensiven Gespräche während der Pausen und im anschließenden get together zeigten den hohen Diskussionsbedarf rund um das Thema CAE.

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