Formoptimierung mit höchster Designfreiheit

Auf der Suche nach Neuheiten im Bereich Simulation und Optimierung

Created by Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

11.02.2025

Wenn ich mir die Welt der Simulation über die letzten 35 Jahre betrachte, wiederholen sich viele Dinge, zwar in etwas anderer Form, aber die Probleme und die Lösungsansätze sind ähnlich.

Etwas, was sich nie so richtig aus dem Schlamm erhoben und an die Spitze der numerischen Schöpfung geschafft hat, ist die Algorithmen-basierte Optimierung von Bauteilen. Was hier möglich wäre, wird nur selten genutzt. Meistens beschränken sich die Optimierung von Bauteilen auf händische Variantenuntersuchungen, höchstens 1-3 an der Zahl. Aber nur, wenn der Schmerz hoch genug ist. Am Ende des Tages geht es immer nur ums Geld, weniger dagegen, was technisch machbar wäre.

Schauen wir uns die Optimierung eines Bauteils mal so an, dass es jeder versteht: Ohne Fachchinesisch!

Ein Bildhauer, der einen Marmorblock bearbeitet, hat ein ideales Modell im Kopf und muss nur das wegschlagen, was außerhalb der optimalen Form ist. Schlägt er aus Versehen die Nase der Sphinx ab, wie bei Asterix, hat er Pech gehabt. Er muss sich also von der groben Form der detaillierten Form immer mehr nähern, da er nur Material wegnehmen kann. Nimmt er zu viel weg, ist die Figur nichts mehr wert.

Ein Künstler, der mit Ton arbeitet, hat es da leichter. Er kann was wegnehmen, aber auch einen Batzen Ton an die Stelle kleben, wo was fehlt.

Stefan Merkle Formoptimierung Marmorklotz — Abbildung 1: Topologieoptimierung am Marmorklotz

Ich kann da mitreden, da ich sowohl einen Bildhauerkurs als auch einen Modellierungskurs belegt habe. Die Beweise habe ich beigefügt. Wenn Sie das obige richtig verstanden haben, haben sie auch die Prinzipien der Optimierung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode verstanden:

Die Topologieoptimierung entfernt unnötiges Material und verbessert die Struktur. Die Formoptimierung verändert gezielt die Oberflächengeometrie, um Spannungen zu minimieren. Die Größen- oder auch Parameteroptimierung passt Materialstärken, Wanddicken oder Querschnitte an. Die Größenoptimierung und die Materialoptimierung lassen wir mal weg, da sie nicht in meine schönen Analogien reinpassen.

Stefan Merkle Formoptimierung Bild 2 — Abbildung 2: Die Form nimmt Gestalt an

Topologieoptimierung:

Bearbeitung des Klotzes mit einem groben Meißel, Entfernung von Material, was nicht benötigt wird, die Hauptarbeit liegt aber jetzt in der Detaillierungsarbeit, bis nachher eine geschliffene Oberfläche vorliegt. Nebenbei bemerkt, dieses Verfahren würde sich auch in der Verwaltung unseres Landes anbieten, aber das ist ein anderes Thema

Formoptimierung:

Das Schöne am Computer ist, dass man jetzt die Methode ändern kann, quasi den Marmorblock in Ton umwandeln. Die grobe Form sollte schon mal stimmen. Jetzt trimmt man das Ganze durch Hinzufügen oder Wegnehmen von Ton. Große Änderungen sind jetzt schwieriger. Dafür kann man die Oberfläche leicht glätten und schön machen.

Sickenoptimierung:

Hat man sogenannte Schalenstrukturen (z. B. Blechteile in der Karosserie), kann man wieder das Beispiel mit dem Ton heranziehen, bei dem man einfach mit dem Finger Dellen eindrückt, damit das Ganze steifer wird und nicht zu dröhnen anfängt, wie ein billiges Bodenblech an einem noch billigeren Fahrzeug.

Stefan Merkle Formoptimierung Ton — Abbildung 3: Formoptimierung in Ton

Es ist also ganz schön schlau, beide Verfahren, Topologie- und Formoptimierung miteinander zu kombinieren. Lohnt sich das? Es kommt ganz darauf an. Am Ende geht es immer ums Geld. Wenn ich mehr Aufwand reinstecke, muss es sich am Ende in barer Münze auszahlen. Bauteile, die am Ende mit fetten Sicherheitsfaktoren überstrichen werden, weil die Norm es fordert, bzw. die Angst vor der unwahrscheinlichsten Lastfallkombination dominiert, sind hier außen vor.

Uns kommen aber schon Kundenprojekte in den Sinn, wo sich dieser Aufwand lohnen würde. Nämlich dann, wenn es in Grenzbereiche geht, wo es um jedes Gramm Gewicht oder um die höchstmögliche Steifigkeit auf engstem Raum bei ertragbaren Spannungen geht.

Nun hat mich über LinkedIn eine Firma angesprochen, die den oben genannten Lösungsansatz (die Kombination beider Ansätze) realisiert hat: Die Firma FEMopt Studios GmbH mit ihrer Software namens XCARAT.

Wie gut das funktioniert? Ich weiß es (noch) nicht. Daher mein Vorschlag:

Haben Sie einen Anwendungsfall, wo sich der Aufwand einer möglichst genauen Optimierung lohnen würde, weil andere Wege hier versagen? Lassen Sie uns gemeinsam die Software an einem gemeinsamen Projekt testen. In meinen Augen wird eh viel zu wenig Neues versucht. Vielleicht ergeben sich Benefits für alle Seiten.

Damit Sie zumindest noch einen kleinen technischen Happen bekommen: Im beiliegenden Video ist die Topologieoptimierung eines Kunststoffbauteils einschließlich der finalen Umsetzung zu sehen. Könnte zwar schöner aussehen, wir haben auf die Schnelle aber nichts Besseres gefunden (was wir zeigen dürfen).