Innovation durch Biodesign

Topologieoptimierung

Die klassische Vorgehensweise bei der Konstruktion von Bauteilen bemisst die Materialstärke nach dem Punkt der höchsten Spannung. In der Praxis heißt das, das gesamte Teil wird überall so dick gemacht, dass es auch im schwächsten Punkt nicht unter der erwarteten Belastung versagen kann.

 

Wie könnte man nun erreichen, Material nur an den benötigten Stellen einzusetzen, an den unbelasteten Teilen aber wegzulassen?

Die Designfindung durch mathematische Topologieoptimierung erlaubt es, Maschinenbauteile so zu konstruieren, dass höher belastete Bereiche eines Bauteils verstärkt, weniger belastete dagegen abgebaut werden. Es bildet sich so im Computer eine Form des Bauteils heraus, in der die Spannungen so gleichmäßig wie möglich verteilt sind. So lassen sich Bauteile entwerfen, die neben hoher Steifigkeit auch ein möglichst geringes Gewicht besitzen.
Damit wird bei bewegten Teilen der notwendige Energieverbrauch im Betrieb minimiert.

Nicht zufällig erinnern die entstehenden Formen an biologische Strukturen; denn auch die Natur hat als allgemeines Prinzip das Bestreben, Kräfte gleichmäßig zu verteilen und damit Spannungen abzubauen. Nicht nur Astgabeln sind nach diesem Prinzip geformt, sondern auch viele andere biologische Strukturen wie Knochen, Krallen, Schnäbel, Hörner oder Dornen.

Wie laufen die verschiedenen Schritte der Topologieoptimierung von der Definition der Vorgaben bis zum optimierten Bauteil ab? Lesen Sie hier