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Topologieoptimierung verbessert Verhalten von Gussteilen
Optimale Materialverteilung in einem vordefinierten Bauraum erhöht Steifigkeit und erste Eigenfrequenz bei Maschinenschlitten

Topologieoptimierung führt zu Steifigkeitserhöhung und Massenreduktion

Branche: Ing.-Büro/Entwicklungsdienstl.Fachgebiet: Strukturmechanik

Durch die Topologieoptimierung mit der Ansys Software entstehen die bekannten organischen Strukturen in den einzelnen Maschinenschlitten. Dabei sind die gussrelevanten Trennebenen und minimalen Wandstärken klar zu erkennen.

Zusammenfassung

Aufgabe

Mit der Topologieoptimierung wird gezeigt, wieviel Verbesserungspotenzial in «klassischen» Guss-Konstruktionen steckt. Die Vorgabe war, die Masse im Vergleich zur bestehenden Konstruktion, um ein Drittel zu reduzieren. Trotzdem sollte eine maximale Steifigkeit sowie eine um mindestens 20 Prozent höhere erste Eigenfrequenz erreicht werden.

Lösung

In den topologieoptimierten Bauteilen wurde die Masse verglichen mit klassischen Schlittenkonstruktionen um etwa ein Drittel gesenkt. Die erste Eigenfrequenz erhöhte sich gegenüber dem Ursprungsschlitten um rund 50 Prozent.

Kundennutzen

Durch gezielte Optimierung und Beachtung der Herstellrestriktionen lassen sich mit der Topologieoptimierung giessbare Strukturen erzeugen. Die enormen Steifigkeitsgewinne und Massenreduktionen gegenüber klassischen Konstruktionsmethoden bieten klare Vorteile, zum Beispiel Kostenreduktionen und ein verbessertes Dynamikverhalten.

Projektdetails

Aufgabe

Mit der Topologieoptimierung lässt sich automatisiert eine optimale Materialverteilung in einem vordefinierten Bauraum finden. Nicht nur bei additiver Fertigung, sondern auch für Gussteile eröffnet sich so ein sehr großes Potenzial zur Steifigkeitserhöhung und Masseneinsparung.

Dies wird an einer bestehenden Spitzenlos-Schleifmaschine dargestellt, um aufzuzeigen, wieviel Optimierungspotenzial in «klassischen» Guss-Konstruktionen steckt. Dazu werden zwei miteinander verbundene Schlitten gewählt und gemeinsam optimiert.

Die Vorgabe war, die Masse im Vergleich zur bestehenden Konstruktion, um ein Drittel zu reduzieren. Dabei sollte die Giessbarkeit gewährleistet und die Formtrennung möglich sein, bei einer Wandstärke von mindestens 40 mm. Als Optimierungsziele wurden eine maximale Steifigkeit festgelegt sowie eine um mindestens 20 Prozent höhere erste Eigenfrequenz.


Nutzen für den Kunden

Die Topologieoptimierung eröffnet für die Konstruktion von Gussteilen neues Verbesserungspotential. Durch eine gezielte Beschränkung der Optimierung und Beachtung der relevanten Herstellrestriktionen lassen sich giessbare Strukturen erzeugen, deren Formkasten beispielsweise auf einer CNC-Fräsmaschine gefertigt werden kann. Die enormen Steifigkeitsgewinne und Massenreduktionen bieten klare Vorteile gegenüber klassischen Konstruktionsmethoden.

Für die Maschine in diesem Beispiel ergeben sich Massen- und Materialeinsparungen, was zu einem kleineren Antrieb der Schlitten und damit zu Kostenreduktionen sowie einem energieeffizienten Betrieb führt. Die Steifigkeitserhöhung hat vielfältige technische Verbesserungen zur Folge, unter anderem kleinere Prozessverformungen, ein besseres Dynamikverhalten sowie schnellere Prozessgeschwindigkeiten.


Lösung

Durch die Topologieoptimierung mit Ansys entstanden die bekannten organischen Strukturen in den einzelnen Schlitten. Dabei sind die gussrelevanten Trennebenen und minimalen Wandstärken klar zu erkennen.

In beiden Bauteilen konnte die Masse im Vergleich zu den klassisch konstruierten Schlitten um etwa ein Drittel gesenkt werden. Dennoch bewegt sich die Steifigkeitszunahme (gemessen an den Lagerschalen) zwischen 82 und 680 Prozent, je nach Lastfall. Auch die erste Eigenfrequenz konnte von 138 Hz beim Ursprungsschlitten um 50 Prozent auf 209 Hz angehoben werden. Dies lässt sich durch die Kombination von Steifigkeitserhöhung und Massenreduktion erklären.


Technik
Dr. sc. ETH Manfred Maurer

Produkt-Anwendungen im Projekt