Topologieoptimierung für keramische Bauteile

Auch wenn Keramik ein „leichter“ Werkstoff ist, ist es für viele Anwendungen sinnvoll die eingesetzte Masse auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. Die Additive Fertigung gibt uns die Möglichkeit neue Wege der Gestaltung zu gehen und Designs zu realisieren, die früher nicht denkbar waren. Vor einigen Wochen wurden wir bei WZR auf einen Beitrag von Alexander Brunner aufmerksam:

Topologieoptimierung: der Weg zum technisch-wirtschaftlichen Optimum

Wenn Ingenieure lasttragende Konstruktionen entwerfen, suchen sie die Antwort auf die Frage: Wie schaffen wir das technisch-wirtschaftliche Optimum?

Und genau diese Frage hilft uns die Topologieoptimierung bestmöglich zu beantworten. Wie? Indem wir uns aus zwei entgegengesetzten Richtungen dem Optimum nähern …

Auf der einen Seite hilft uns die Topologieoptimierung in dem Spannungsfeld zwischen der Lasteinleitung und der Lastaufnahme das „fleißige“ Material zu finden. Der technische Vorteil: Wir verstärken die hochbeanspruchten Kraftpfade und erfüllen die geforderte Tragfunktion (Festigkeit, Stabilität, Steifigkeit). Auf der anderen Seite hilft uns die Topologieoptimierung das „faule“ Material zu identifizieren. Der wirtschaftliche Vorteil: Wir befreien die Konstruktion vom minderbeanspruchten Material und werfen den Materialballast ab.

Also: Warten Sie nicht, bis der Wettbewerb Sie „motiviert“ Ihre Konstruktionen zu optimieren. Handeln Sie proaktiv, schaffen Sie topologische Konstruktionen und kommen Sie noch näher an das technisch-wirtschaftliche Optimum.

Wir haben bei WZR den Gedanken aufgegriffen und prismatische Probekörper (Abbildung 1) und Proben mit einem – von Alexander Brunner – optimierten Design (Abbildung 2) mittel Binder Jetting aus Aluminiumoxid hergestellt und getestet. Die Probe mit optimiertem Design benötigt ca. 44% weniger Material als der Vollkörper. Die Prüfung erfolgte als 3-PunktBiegebelastung. Dadurch entstehen auf der Unterseite der Probe Zugspannungen, die in der Regel auch zum Versagen der Probe führen.

Die prismatischen Proben brachen bei der Prüfung auch wie erwartet in der Mitte. Die Proben mit optimiertem Design dagegen alle an gleicher Stelle – in der Nähe des Auflagers (Abbildung 3).

Die zum Versagen führende Bruchkraft war bei den Designoptimierten Riegeln um ca. 20 % geringer als bei den prismatischen Proben. Da der Bruch aber nicht mittig erfolgte, ist eine weitere Verbesserung des Designs im Randbereich notwendig und sicherlich weiterführen.

Diese ersten Untersuchungen zeigen, dass Topologieoptimierung auch für keramische Bauteile eine große Bedeutung hat. Wir werden weiter daran arbeiten und halten Sie auf dem Laufenden…

Kontakt: w.kollenberg@wzr.cc

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