Generatives Design

Insbesondere in masserelevanten Anwendungen (Luft- und Raumfahrt, Automobil, Robotik) ist die Gewichtsreduktion von Bauteilen ein entscheidender Faktor zur Steigerung der Effizienz gleich in mehreren Bereichen, wodurch ein wunderbares Potential entsteht. Neben einer klassischen Materialersparnis werden die Masse und dadurch der nachgelagerte Verbrauch von Energieträgern reduziert oder durch geringere bewegte Masse die Zykluszeit bei der Produktion verkürzt. In beiden Fällen werden Kosten reduziert.

Schauen wir uns ein Beispiel aus der Robotik an. Im folgenden Bild sehen Sie eine Halterung zur Aufnahme eines elektrischen Schraubers. Solch ein Roboter könnte bei der Montage von Elektromotoren automatisiert die Schrauben mit dem benötigten Drehmoment anziehen und dadurch den Monteur entlasten. Im aktuellen Fall ist der Halter konventionell gefertigt, und zwar nicht unbedingt relevant für eine Optimierung, da er bereits ein geringes Gewicht aufweist. Allerdings ist das für unser Beispiel zweitranging, da das Prinzip auch so deutlich wird. 

Topologieoptimierung

Ohne generatives Design würde nun eine Topologieoptimierung stattfinden, um die Masse des Bauteils zu reduzieren. Wir setzen die Randbedingungen des Sicherheitsfaktors, der festen Einspannung, der Kräfte und die gewünschte Massenreduktion. Im jetzigen Fall wird geradlinig ein Ergebnis berechnet. Im Prinzip ist das eine klassische Aufgabe zur Berechnung des Optimums des derzeitigen Bauteils. Im Ergebnis werden wir feststellen, dass wir „nur“ eine abgeänderte Form des ursprünglichen Bauteils als Flächenmodell erhalten. Eine Machbarkeit, ein Herstellungspreis oder weitere Varianten werden nicht aufgezeigt. 

Generatives Design

Das generative Design scheint auf den ersten Blick identisch, jedoch wird schon bei der Definition der Randbedingungen deutlich, dass neben den o. g. Kriterien offensichtlich auch die Möglichkeiten zur Fertigung der Elemente betrachtet wird. Neben den klassischen subtraktiven Verfahren werden auch additive Fertigungsverfahren berücksichtigt. Das ist einzigartig! Allein die schiere Anzahl der nun entstehenden Möglichkeiten ist für den menschlichen Verstand – zumindest für meinen – nicht mehr greifbar. Die Vielzahl der Randbedingungen spiegelt sich auch in den Ergebnissen wider. So wird nicht nur ein Ergebnis aufgezeigt, sondern gleich mehrere. Die Entscheidung, welches Ergebnis nun das geeignete ist, wird nach wie vor dem Konstrukteur überlassen. Vermutlich sind auch ästhetische Gesichtspunkte relevant. Natürlich ist es keine Vorschrift, nur noch bionisch aussehende Bauteile zu verwenden. Dies kann auch als kreative Erweiterung der eigenen Gedanken angenommen werden, um so völlig neue Designs zu entwickeln.

Topologieoptimierung vs. Generatives Design