Die additiven Fertigungsverfahren bieten exzellente Möglichkeiten, um Bauteile in Leichtbauweise herzustellen. Verfahrensbedingte Einschränkungen in der herkömmlichen Produktion sind nicht mehr ausschlaggebend für Konstruktion und Produktion.
Material und Gewicht einsparen, um strukturoptimierte Bauteile zu erhalten, sind je nach Anwendungsgebiet ein wichtiger Faktor im Maschinen- und Anlagenbau. Bauteile sollen extremen Belastungen standhalten, eine lange Lebensdauer aufweisen und wirtschaftliche Kriterien erfüllen. Wo die optimale Form der Teile durch herkömmliche Produktionsmethoden wie Drehen, Fräsen oder Spritzgiessen eingeschränkt ist, bietet die additive Fertigung Abhilfe. Mit einer Topologieoptimierung lassen sich im 3D-Durck Bauteile in Leichtbauweise herstellen, wie das mit den herkömmlichen Methoden nie möglich gewesen wäre.
Für die Topologieoptimierung ist es wichtig, sämtliche Eigenschaften, die ein Bauteil benötigt, genau zu kennen. Damit wird eine fehlerhafte Konstruktion vermieden. Die Optimierung eines Bauteils kann in der einfachen Version von Hand vorgenommen werden. Für einen Ingenieur ist es offensichtlich, wo die Geometrie eines Teils optimiert werden kann, wenn beim Herstellungsprozess im 3D-Druck fast keine Grenzen gesetzt sind gegenüber den herkömmlichen Verfahren. Wenn das Bauteil perfekt und rasch optimiert werden soll, ist es aber unabdingbar, eine geeignete Software zu Hilfe zu nehmen.
Bei der Topologieoptimierung mittels Software berechnet der Algorithmus die Spannung und Verformung eines Bauteils unter Last. Dafür kommen numerische Verfahren zum Einsatz, zum Beispiel die Finite-Elemente-Methode (FEM), die die Form eines Bauteils in viele Quader und Tetraeder aufteilt, um so die physikalischen Eigenschaften berechnen zu können. Vom ursprünglichen Bauteil aus wird zuerst ein zerklüftetes, poröses Modell entworfen, eine Art Knochenstruktur, das als Gestaltungshilfe dient. Dieses wird danach in mehreren Schritten optimiert: Durch simulieren der Lastfälle, d.h. wo, in welcher Stärke und Richtung Kraft und Zug wirken, wird das Bauteil definiert. Die stark belastenten Bereiche enthalten Material. In Bereichen, die nicht unter Spannung stehen, wird das Material weggelassen. So entstehen Bauteile mit Hohlräumen, Durchbrüchen, Waben-Strukturen und ähnlichem.
Die wichtigsten Optimierungen sind die folgenden:
Das ursprüngliche Bauteil war mit Material gefüllt, nach der Optimierung der Topologie ist ein Bauteil mit wesentlich weniger Material und neuartiger Struktur entstanden.
Strukturoptimierte Bauteile müssen im Einsatz getestet werden, um herauszufinden, ob die Erwartungen erfüllt werden. In diesem Schritt kommt ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks zum Tragen: Es können auch Einzelteile oder Prototypen rasch und unkompliziert produziert erden. In der Anwendung zeigt sich dann, ob weitere Optimierungen und eine neue Konstruktion notwendig und sinnvoll sind.
Die Additive Fertigung in Kombination mit der Topologie-Optimierung: mit keinem anderen Verfahren können Bauteile in Gewicht und Wirtschaftlichkeit derart stark optimiert werden.
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