Mit Simulation, Topologieoptimierung und 3D-Druck die Digitalisierung vorantreiben

Topologieoptimierung beschleunigt

Zur Evaluierung der Software RISTRA setzte das Fraunhofer IGD auf ein Projekt, bei dem eine bereits beim Kunden eingesetzte Topologieoptimierung mit RISTRA kombiniert wurde. Dies erzielte Geschwindigkeitsvorteile. Beim generativen Design geht der Konstrukteur oder die Konstrukteurin von einem würfelförmigen Gebiet aus, innerhalb dessen Grenzen beispielsweise ein Chassis gebildet werden muss. Zu Beginn ist der angenommene Raum vollständig mit Material gefüllt. Es folgen zahlreiche Simulationen, die für eine Reduzierung des Materials sorgen. Dann überprüft eine vorhandene Software, ob die Geometrie den Anforderungen der Lastfälle weiterhin standhält. Ist dies der Fall, folgt die nächste Simulation, bis die Form mit minimalem Materialverbrauch bei optimaler Stabilität gefunden ist. Bis zum Endergebnis braucht es zahlreiche Simulationen. Die Zeiteinsparung durch RISTRA, die sich im Bereich einer Größenordnung bewegt, tritt hier deutlich zutage.

Der Additiven Fertigung digital gerecht werden

Je mehr additive Fertigungsmethoden in der Automobilbranche an Bedeutung gewinnen, desto größer ist der Bedarf an einer adäquaten digitalen Prozesskette. Das Fraunhofer IGD legt bei seinen Entwicklungen besonderes Augenmerk auf Prozesse, die lokal unterschiedliche Eigenschaften ausprägen können, wie z. B. der 3D-Multimaterialdruck. Mit Multiphasen-Topologieoptimierung können hierbei verschiedene Materialien bzw. Eigenschaften anforderungsgerecht positioniert werden. Anders als bei der herkömmlichen, oben beschriebenen Simulationsvariante bleibt hier die Geometrie unverändert. Für ein Bauteil nimmt die Konstrukteurin oder der Konstrukteur verschiedene Materialien an und verteilt diese über mehrere Simulationsschritte hinweg optimal, sodass beispielsweise Bauteile mit variierender Porosität für den 3D-Druck entstehen.

Auch der Multimaterialdruck erfordert neue Modellierungsverfahren, denn heute übliche CAD-Modelle definieren ein Objekt über dessen Oberfläche und verbieten es, sich ändernde Eigenschaften über das Volumen zu modellieren. So kann ein Bauteil bestenfalls in Bereiche unterteilt werden, um diesen »Scheiben« unterschiedliche Materialeigenschaften zuweisen zu können – ein aufwendiger manueller Prozess, der glatte Gradierungen zudem nur annähernd erreichen kann. Mit 3D-Multimaterialdruck hingegen lassen sich glatte Übergänge schaffen, sodass ganze Baugruppen in einem Stück gedruckt werden können, während diese bislang aus Bauteilen mit unterschiedlichem Material zusammengebaut werden mussten. Da glatte Übergänge z. B. die Rissneigung durch materialtypische verschiedene Temperaturausdehnungskoeffizienten zu vermeiden helfen, hat das Fraunhofer IGD GraMMaCAD entwickelt – eine Software, mit der Produktdesignerinnen und Produktdesigner optimale Materialverteilungen direkt am CAD-Modell vornehmen können, ohne das Objekt in »Scheiben« zerteilen zu müssen.

Innovationen aus einer Hand

Über zukunftsweisende Simulation und Modellierung hinaus besitzt das Fraunhofer IGD auch Know-how in den Bereichen 3D-Druck und 3D-Scan. Eine 3D-Digitalisierung realer Objekte kommt beim manuellen Prototypenbau und dem Vergleich der zuvor festgelegten Geometrie und Beschaffenheit mit den manuellen Änderungen zum Einsatz. Mitarbeitenden der Qualitätskontrolle kommt die 3D-Digitalisierung bei der Prüfung extern bestellter Produktionsmittel oder bei der 3D-Vermessung zugute. Der universelle Druckertreiber Cuttlefish® ermöglicht einen akkuraten Druck farbig-transluzenter Objekte. Dabei unterstützt die Software unterschiedliche Drucktechnologien und Druckmaterialien. Ein denkbares zukünftiges Forschungsfeld ist die Integration der 3D-Drucktechnologien direkt in Simulationslösungen. Die Umbrüche in der Automobilindustrie erfordern neue Lösungen und Verfahren. Das Fraunhofer IGD bietet mit Sachkenntnis, seiner Expertise, umfassender Forschung sowie der Entwicklung innovativer Tools die für Hersteller notwendige Unterstützung.