Fachbeiträge & Interviews
Samstag, 08. Mai 2021
Ausgabe 7201 | Nr. 128 | 20. Jahrgang
D.I.E. Baustatik Software - Einfach | Anders | Besser
Autor: Fabian Hesse
Herausgeber: bauingenieur24 Informationsdienst email-weiterempfehlendruckansicht

3D-Druck: Optimierung von Bauteilen durch evolutionären Prozess

# 19.03.2021

Innovativer Fertigungsalgorithmus an Ruhruniversität Bochum entwickelt. System legt Bauform und Befestigungspunkte fest. Technischer Nutzen durch herkömmliches Fräsen nicht möglich

Forscher entwickeln Verfahren zur Topologieoptimierung von Bauteilen

Bauteile aus dem 3D-Drucker können hinsichtlich ihrer Form besonders leicht optimiert werden. Foto: Damian Gorczany / RUB Bauteile aus dem 3D-Drucker können hinsichtlich ihrer Form besonders leicht optimiert werden. Foto: Damian Gorczany / RUB

Bauteile müssen langlebig und stabil sein. Hinzu kommt der wirtschaftliche und verstärkt auch der ökologische Aspekt. Planer und Ingenieure kennen naturgemäß die nötigen Grundanforderungen an ein Bauteil. Gleichzeitig besteht immer die Möglichkeit der Optimierung.

Einen speziellen Ansatz zur sogenannten Topologieoptimierung verfolgen Philipp Junker vom Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Dustin Jantos vom Lehrstuhl für Mechanik-Materialtheorie der Ruhr-Universität Bochum (RUB).

Die beiden Wissenschaftler geben dabei einen Raum vor, in dem das zu planende Bauteil, zum Beispiel eine Brücke, entstehen soll. Ebenfalls vorgegeben werden die Stellen, an denen diese Brücke später befestigt werden muss.

Krafteinwirkung auf Bauteil virtuell simuliert

Danach lassen sie mithilfe eines selbstentwickelten Algorithmus virtuell die Kräfte auf das Bauteil wirken, die auch in der Realität zu erwarten sind, im Falle der Brücke zum Beispiel Windlast und die Belastung durch den rollenden Verkehr.

Durch die Berechnung schält sich dann die Brücke aus dem Raum heraus. "Das ist eine Art evolutionärer Prozess", sagt Philipp Junker. Wo besonders große Drücke aufgefangen werden müssen, bleibt die Struktur dicker. Wo weniger starke Kräfte wirken, kann sie dünner bleiben, was Material spart.

Bauformen erinnern an Knochen und Pflanzen

Berechnungen nach einem bestimmten Algorithmus zeigen, wo ein Bauteil welchen Belastungen ausgesetzt ist. Foto: Damian Gorczany / RUB Berechnungen nach einem bestimmten Algorithmus zeigen, wo ein Bauteil welchen Belastungen ausgesetzt ist. Foto: Damian Gorczany / RUB

"Interessant ist, dass sich dabei natürlich anmutende Formen herausbilden, die zum Beispiel an Knochen oder Pflanzenteile erinnern", erklärt Junker. Die Stütze einer derart berechneten Brücke sieht zum Beispiel sehr nach einem Baumstamm aus.

Im 3D-Drucker werden die berechneten Bauteile als reales Modell erstellt. "Man weiß vor der Berechnung nicht, welche Form dabei herauskommen wird", so Jantos.

Gleichwohl seien die Formen immer nachvollziehbar und häufig gar nicht so weit entfernt von bewährten Konstruktionen wie etwa dem Fachwerk von stählernen Eisenbahnbrücken.

Materialeigenschaften und geometrische Vorgaben werden berücksichtigt

Eine Besonderheit des Algorithmus ist, dass die Berechnungsmethode auch komplexe Materialeigenschaften mit in die Simulation einbeziehen kann. Je nachdem, ob ein Bauteil beispielsweise mehr Druck- oder mehr Zuglasten ausgesetzt sein wird, hilft der Algorithmus, die Verhältnisse von Beton (eher drucklastgeeignet) und Stahl (eher zuglastgeeignet) sowie ihre jeweils genutzte Menge optimal auszutarieren.

Die Wissenschaftler können für die Berechnung neben dem Bauraum und den Befestigungsstellen eines Bauteils auch weitere Vorgaben machen, zum Beispiel zur Geometrie einzelner Teile. "Manchmal ist das wichtig, damit der Algorithmus keine Luftschlösser berechnet", sagt Philipp Junker.

Andernfalls könne es passieren, dass für eine Brücke unmöglich dünne Stahlseile berechnet werden oder für andere Bauteile Strukturen, die sich einfach nicht herstellen lassen oder aus anderen Gründen eine feste Größe haben müssen.

Bauteiloptimierung ohne 3D-Druck nicht möglich

Gedruckte Bauteile sind gegenüber gefrästen deutlisch effizienter produzierbar. Foto: Damian Gorczany / RUB Gedruckte Bauteile sind gegenüber gefrästen deutlisch effizienter produzierbar. Foto: Damian Gorczany / RUB

Die Idee, per Computer mit einem an die Evolution angelehnten Verfahren Bauteile zu optimieren, ist gar nicht so neu. Seit rund 30 Jahren beschäftigen sich Forschungsteams mit dem Prinzip.

"Aber erst die Kombination mit dem 3D-Druck ermöglicht seit Kurzem die Realisierung solcher Bauteile", erklärt Philipp Junker. Ohne 3D-Druck müsste man die Teile fräsen. Der Aufwand dafür reduziert den Nutzen der Bauteile-Optimierung drastisch.

Da ein 3D-Druck auch mit Metallen durch punktuelles Aufschweißen möglich ist, vergrößert sich die Palette der Bauteile, die auf diese Weise hergestellt werden können. Ganz neu hinzugekommen zur Berechnung ist die beschriebene Einbeziehung der Materialeigenschaften, wodurch nun das Zusammenspiel aus Geometrie und Material im finalen Bauteil optimiert wird und ganz neue Designformen entstehen.

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