Die moderne Produktentwicklung steht vor immer komplexeren Anforderungen: Produkte sollen leichter sein, gleichzeitig aber stabil und langlebig. Darüber hinaus sollen Entwicklungszeiten verkürzt und Materialien effizient eingesetzt werden. Hier kommen generatives Design und Topologieoptimierung ins Spiel – zwei leistungsstarke Methoden, die in Autodesk Fusion nahtlos integriert sind. Basierend auf einer Gastvorlesung von Nikolai Stern, werfen wir in diesem Blogbeitrag einen detaillierten Blick auf diese zukunftsweisenden Technologien.
Autodesk Fusion ist eine cloudbasierte Software, die CAD, CAM, CAE und sogar PCB-Design in einer Plattform vereint. Das ermöglicht einen reibungslosen Datenaustausch zwischen verschiedenen Abteilungen und spart wertvolle Zeit im Entwicklungsprozess. Besonders attraktiv ist dabei die kostenlose Bildungslizenz, die allen Studierenden den vollen Funktionsumfang bietet und so den Einstieg in die Welt des generativen Designs erheblich erleichtert.
Generatives Design: Design-Exploration auf Knopfdruck
Generatives Design versetzt Konstrukteurinnen und Konstrukteure in die Lage, innerhalb kürzester Zeit eine Vielzahl unterschiedlichster Designalternativen zu erzeugen. Hierbei nutzt Autodesk Fusion die Rechenleistung der Cloud, um automatisch Strukturen vorzuschlagen, die unter Berücksichtigung definierter Ziele und Bedingungen optimiert sind. Das Ziel ist klar: schneller auf den Markt kommen, dabei Ressourcen sparen und völlig neue, innovative Lösungen finden.
Beispiel Motorrad-Gabelbrücke:
Nikolai Stern demonstrierte den Workflow am Beispiel einer Gabelbrücke eines Motorrads:
1. Modellbearbeitung: Zunächst werden die relevanten Bereiche des Bauteils definiert – also jene Flächen und Volumen, an denen Material eingespart oder hinzugefügt werden darf.
2. Entwurfsbedingungen festlegen:
• Strukturielle Abhängigkeiten wie fixierte Flächen werden definiert.
• Die relevanten Lasten, die auf das Teil wirken, werden festgelegt.
• Verschiedene Lastfälle werden berücksichtigt, um ein robustes Ergebnis für den realen Einsatz zu gewährleisten.
3. Richtlinien bestimmen:
• Ziele können auf Masseminimierung oder Steifigkeitsmaximierung ausgerichtet sein.
• Ein Sicherheitsfaktor wird festgelegt, um die Belastungsgrenzen des Bauteils zu kennen.
• Optional können Knickungen, Verschiebungen oder modale Frequenzen mit einbezogen werden, um ein umfassendes Bild der Bauteileigenschaften zu erhalten.
4. Fertigungsrestriktionen:
• Auswahl des Fertigungsverfahrens, etwa 3D-Druck, Fräsen oder Gießen.
• Festlegung von Parametern wie Überhangwinkeln beim 3D-Druck oder Mindestwandstärken beim Fräsen.
5. Materialauswahl:
• Zugriff auf umfassende Materialbibliotheken oder Einsatz eigener Materialien.
• Bewertung der Materialeigenschaften in Bezug auf Festigkeit, Steifigkeit und Gewicht.
Sind all diese Parameter definiert, wird die Studie in die Cloud geschickt. Autodesk Fusion berechnet dann unterschiedliche Designvarianten und präsentiert die Ergebnisse in einer klar strukturierten Benutzeroberfläche. Der große Vorteil: Man erhält nicht nur eine einzelne Lösung, sondern eine ganze Palette möglicher Designs, aus denen sich die beste Variante auswählen lässt.
Topologieoptimierung: Die klassische Formoptimierung
Während das generative Design in Autodesk Fusion mehrere Entwürfe, Materialien und Fertigungsverfahren berücksichtigt, konzentriert sich die Topologieoptimierung auf eine einzelne, gezielte Lösung. Hierbei entsteht ein optimiertes Materialverteilungskonzept, das auf den zuvor definierten Lastfällen, Randbedingungen und Materialeigenschaften beruht.
Der Workflow bei der Topologieoptimierung ist ähnlich aufgebaut:
1. Bereichsdefinition: Bestimmen Sie, welche Bereiche des Modells unangetastet bleiben sollen (z. B. Flächen für Lagerungen oder Befestigungspunkte).
2. Symmetrieebenen festlegen: Mithilfe von Symmetrie lassen sich Designansätze vereinfachen, und die Ergebnisse sind leichter interpretierbar.
3. Materialauswahl: Im Gegensatz zum generativen Design wird hier ein einzelnes Material festgelegt, ohne zwischen verschiedenen Optionen zu wechseln.
4. Strukturelle Abhängigkeiten und Lastfälle: Ähnlich wie beim generativen Design werden Kräfte, Momente und Fixierungen definiert, um reale Einsatzbedingungen zu simulieren.
Die Topologieoptimierung liefert ein Ergebnis, das als Netzkörper vorliegt. Dieser muss anschließend in der Konstruktionsumgebung nachbearbeitet werden. Das kann beispielsweise durch:
• Manuelle Nachkonstruktion: Übertragen Sie die optimierte Form auf ein sauberes Volumenmodell.
• Konvertierung in einen Volumenkörper: Das Netzergebnis kann direkt in ein Volumenmodell umgewandelt werden.
Nach dieser Nachbearbeitung empfiehlt es sich, eine erneute Simulation durchzuführen, um sicherzustellen, dass das optimierte Design die gewünschten Anforderungen an Festigkeit und Funktionalität erfüllt.
Fazit: Autodesk Fusion als leistungsstarkes Werkzeug für die Produktentwicklung
Generatives Design und Topologieoptimierung in Autodesk Fusion sind mächtige Werkzeuge, um Produkte schneller, leichter und gleichzeitig leistungsfähiger zu machen. Dank der Cloud-basierten Berechnung können Konstrukteurinnen und Konstrukteure mehr Ideen in kürzerer Zeit prüfen und ihre Entwicklungsschritte effizienter gestalten. Die flexible Material- und Fertigungsverfahren-Auswahl ermöglicht es, Bauteile gezielt auf additive oder konventionelle Fertigungsmethoden zuzuschneiden.
Insbesondere für Studierende, die mit einer kostenlosen Bildungslizenz in die Welt von Autodesk Fusion einsteigen können, bietet sich die Chance, frühzeitig praktische Erfahrungen mit diesen zukunftsweisenden Technologien zu sammeln. Aber auch erfahrene Ingenieurinnen, Ingenieure und Unternehmen profitieren von effizienteren Entwicklungsprozessen und innovativeren Lösungen.
Kurzum: Generatives Design und Topologieoptimierung sind in Autodesk Fusion keine Zukunftsmusik, sondern greifbare Realität – ein echter Wettbewerbsvorteil für alle, die ihre Produkte besser, schneller und nachhaltiger gestalten möchten.
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