Fertigungsgerechte Topologieoptimierung mit Z88Arion® V3

Die Topologieoptimierung ist ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung von Leichtbauteilen. Die optimierte Struktur kommt zwar dem mathematischen Optimum sehr nahe, ist aber in den meisten Fällen kaum zu realisieren. Aus diesem Grund ist die Integration von Fertigungsrestriktionen in die Topologieoptimierung entscheidend, um herstellbare Geometrien zu erreichen.

Das Enthinterschneidungsfeature in Z88Arion® V3 hilft dabei, für die extrusionsbasierte additive Fertigung und das Gießen fertigungsgerechte, topologieoptimierte Bauteile zu entwickeln. Die Theorie zu Enthinterschneidungen ist bereits in einem eigenen FEM-Helden-Artikel erläutert. Im Folgenden soll nun die Anwendung des Enthinterschneidungsfeature in Z88Arion® V3 am Beispiel eines Winkelhalters gezeigt werden.

1. Neue Projektmappe erstellen

• Klicken Sie auf  . Die Projektmappenverwaltung öffnet sich (Abbildung 1).
• Legen Sie einen neuen Ordner an.
• Geben Sie den Namen des Ordners ein.
• Bestätigen Sie mit .
• Klicken Sie „OK“, um die Aktion zu bestätigen. Die Eingabemaske verschwindet, Sie können mit der Erstellung des Berechnungsmodells beginnen.

Abbildung 1: Projektmappenverwaltung

2. Projektdaten importieren

• Klicken Sie auf . Das Kontextmenü erscheint auf der rechten Seite (Abbildung 2).
• Wählen Sie Abaqus-Datei.
• Wechseln Sie in den Beispielordner  „…\Z88ArionV3\docu\examples\import\10_Winkelhalter_3D-Druck“.
• Wählen Sie „z88.inp“ aus.
• Starten Sie mit „OK“ den Import.

Abbildung 2: Import

3. Material zuweisen

• Klicken Sie auf . Die Materialdatenbank öffnet sich (Abbildung 3).
• Wählen Sie den Werkstoff „Maschinenbau Stahl E295“.
• Weisen Sie den Werkstoff mit  zu.
• Schließen Sie mit  die Materialdatenbank.

Abbildung 3: Materialdatenbank

4. Sets erstellen

Bevor die Randbedingungen (Kräfte, Lager) und Fix‐Sets (vom Optimierungsverfahren ausgeschlossene Bereiche) festgelegt werden können, müssen Sets erstellt werden, welche die jeweils beanspruchten Knoten enthalten.

Klicken Sie auf  . Das Pickingmenü öffnet sich mit den verschiedenen Pickingoptionen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Pickingoptionen

Mit Hilfe der Maus und einigen wenigen Tastaturkürzeln ist es möglich, einzelne oder mehrere Knoten, Elemente oder Flächen „anzupicken“, um die gewünschten Randbedingungen zu definieren:

Knotenset für Festhalterung

• Wählen Sie das Knotenpicking .
• Wählen Sie mit  +  einen Knoten der längeren Seite.
• Klicken Sie auf „Fläche“  (Winkelschieber bei 30,0). Es werden alle Knoten der Seite rot markiert (Abbildung 5).
• Fügen Sie das Set mit  hinzu. Es entsteht ein neues Set. Dieses können Sie per Doppelklick in „Festhalterung“ umbenennen.
• Wählen Sie mit  die Knoten wieder ab.

Abbildung 5: Knotenset für Festhalterung

Knotenset für Last

• Wählen Sie das Knotenpicking .
• Wählen Sie mit  +  einen Knoten der längeren Seite.
• Klicken Sie auf „Fläche“  (Winkelschieber bei 30,0). Es werden alle Knoten der Seite rot markiert (Abbildung 6).
• Fügen Sie das Set mit  hinzu. Es entsteht ein neues Set. Dieses können Sie per Doppelklick in „Last“ umbenennen.
• Wählen Sie mit  die Knoten wieder ab.

Abbildung 6: Knotenset für Last

Knotenset für Fix-Set

Damit die Geometrie bestimmter Bereiche durch die Optimierung nicht verändert wird, soll ein Fix‐Set für diese Bereiche definiert werden.

• Markieren Sie erneut die Knoten der Last.
• Fügen Sie mit  eine Markierung hinzu.
• Markieren Sie den oberen Teil der Knoten der Festhalterung (vgl. Abbildung 7).
• Fügen Sie mit  eine Markierung hinzu.
• Wählen Sie mit  die erste und mit  +  die zweite Markierung an. Es werden alle Knoten der beiden Seite rot markiert (Abbildung 7).
• Fügen Sie das Set mit  hinzu. Es entsteht ein neues Set. Dieses können Sie per Doppelklick in „Fix“ umbenennen.

Abbildung 7: Knotenset für Fix-Set

5. Randbedingungen erstellen

Klicken Sie auf . Das Kontextmenü erscheint auf der rechten Seite (Abbildung 8).

Abbildung 8: Erstellen von Randbedingungen

Definition der Festhalterungen:

• Wählen Sie unter Einstellungen das zuvor erstellte Set „Festhalterung“.
• Wählen Sie alle Raumrichtungen aus (X, Y, Z).
• Als Typ wählen Sie „Verschiebungen“.
• Als Wert geben Sie „0“ ein.
• Benennen Sie die Randbedingung mit „Festhalterung“.
• Fügen Sie die Randbedingung mit  hinzu.

Definition der Last:

• Wählen Sie unter Einstellungen das zuvor erstellte Set „Last“.
• Wählen Sie die y-Richtung.
• Als Typ wählen Sie „Flaechenlast“.
• Als Wert geben Sie „-10000“ ein.
• Benennen Sie die Randbedingung mit „Last“.
• Fügen Sie die Randbedingung mit hinzu.

Definition der Fix-Sets:

• Wechseln Sie von mechanisch  auf Topologieoptimierung .
• Wählen Sie unter Einstellungen das zuvor erstellte Set „Fix“.
• Als Typ wählen Sie „Fix-Set“.
• Benennen Sie die Randbedingung mit „Fix“.
• Fügen Sie die Randbedingung mit hinzu.

Unter mechanisch  können Sie sich mit  alle Randbedingungen anzeigen lassen (Abbildung 9).

Abbildung 9: Randbedingungen des Winkelhalters

6. Enthinterschneidung definieren

• Klicken Sie auf  und anschließend auf „Enthinterschneidung zuweisen“. Das Kontextmenü erscheint auf der rechten Seite (Abbildung 10).
• Wählen Sie die Einstellungen wie in Abbildung 10 gezeigt.

Abbildung 10: Enthinterschneidungen

7. Topologieoptimierung starten

• Klicken Sie auf . Das Kontextmenü erscheint auf der rechten Seite (Abbildung 11).
• Wählen Sie unter Optimierungsverfahren „TOSS“.
• Wählen Sie als relatives Zielvolumen 30.0 %.
• Öffnen Sie mit  die Optimierungsparameter und ändern im Reiter „Basic I“ die Anzahl der Iterationen auf 100.
• Bestätigen Sie mit „OK“.
• Starten Sie die Berechnung mit .

Abbildung 11: Solvermenü

8. Ergebnisse überprüfen und exportieren

• Klicken Sie auf . Der Postprozessor öffnet sich (Abbildung 12).
• Wählen Sie die letzte Iteration.

Abbildung 12: Ausgabe im Postprozessor

Öffnen Sie mit die geglättete Oberfläche. Diese könne Sie mit  als STL speichern (Abbildung 13).

Abbildung 13: Geglätteter Winkelhalter

Abbildung 14 zeigt die Ergebnisse der Topologieoptimierung mit und ohne Enthinterschneidung bei sonst unveränderten Einstellungen. In der unteren Zeile ist zusätzlich das beim 3D-Druck notwendige Stützmaterial abgebildet. Der Vergleich zeigt, dass unter Berücksichtigung von Enthinterschneidungen während der Topologieoptimierung beim 3D-Druck weniger Stützmaterial notwendig ist.

Abbildung 14: Vergleich der Ergebnisse mit und ohne Enthinterschneidungen