Frequenzen und Ermüdungen
Wenn Produkte in einer Betriebsumgebung Schwingungen ausgesetzt sind, "können anhand einer Frequenzanalyse in SOLIDWORKS Simulation die natürlichen Eigenfrequenzen / Eigenmodes eines Produkts bestimmt werden", wie W. Müller erläutert. So lässt sich sicher jede Resonanz vermeiden, durch die sonst die Funktion beeinträchtigt und/oder die Lebensdauer der Komponenten drastisch verkürzt werden würde.
Vor dem Bruch kommt es aber zur Ermüdung und auch zu deren Bestimmung lassen sich die digitalen Methoden einsetzen. Man geht dabei von unterschiedlichen Lasten aus, bei deren die Spitzenspannung innerhalb der Fließspannung liegt. Durch eine enthaltene Schadensakkumulationshypothese werden kritische Bereiche und die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen vorhergesagt. W. Müller bezeichnet dieses Verfahren als „heute sicher und zuverlässig".
An der Stelle könnte man auch etwas zur Betriebsfestigkeitsberechnung sagen, die - laut Müller – tatsächlich von Konstrukteuren nicht so oft angefragt wird, wie zu vermuten wäre, aber durchaus in SOLIDWORKS Simulation abdeckbar ist, und zwar für statische und dynamische Lastfälle.
"Die Ergebnisse haben eine gewisse Unschärfe, denn viele Aspekte einer realen Betriebsumgebung (Alterungsprozesse, Kriechen, Verletzungen an der Oberfläche, Korrosion) lassen sich sehr schwer prognostizieren. Auf jeden Fall aber gibt es wertvolle Aussagen mit SOLIDWORKS Simulation" (Müller).
Immer weniger Material und doch eine sichere Auslegung: Topologische Optimierung
Die Topologische Optimierung steht im Engineering noch ziemlich am Anfang. Gleichwohl sind die Pakete dafür schon seit Jahren entwickelt worden und dürfen als ausgereift gelten. In SOLIDWORKS kommt die Software mit dem ursprünglichen Namen, Tosca, zum Einsatz, entwickelt in Karlsruhe und in den letzten Jahren von Dassault Systèmes gekauft.
Die Tosca Optimierungs-Suite besteht aus zwei Produkten: Tosca Structure liefert optimierte Strukturdesigns und Tosca Fluid bietet optimierte Konstruktionskonzepte für Strömungen. Tosca Structure umfasst leistungsstarke Optimierungslösungen für die Konstruktion leichter, steifer und langlebiger Teile und Baugruppen in kürzeren Entwicklungszyklen, um die Leistung zu maximieren, Material und Gewicht zu minimieren und neue Konstruktionsmöglichkeiten zu entdecken. Tosca Structure bietet Funktionalitäten für die Topologie-, Gestalt- (Shape), Sicken- (Bead) und Dickenoptimierung (Sizing). Tosca Fluid ermöglicht topologieoptimierte Konstruktionskonzepte für Fluid-Flow-Systeme und -Komponenten.
Ein Scenario für den Einsatz könnte so aussehen, dass man z. B. schon zwei Komponenten einer Maschine hat (A+B) und dazwischen ein Bauteil benötigt wird, welches noch "völlig frei" ist. Nach der Definition eines maximalen Bauraumes, der Kräfte und Lager, ermittelt und optimiert das System automatisch etwas, was einem Knochen sehr ähnlichsieht: Minimaler Materialeinsatz, bei gegebenen Kräften und Randbedingungen oder maximale Lastaufnahme bei bestimmtem Bauraum.
Dieser „Knochen“ kann dann in SOLIDWORKS sofort in ein Flächen- oder Volumenmodell umgewandelt werden - alle Konstruktionsfunktionen stehen zur Verfügung. Die Flächen können geglättet und ggf. sogar in analytische Geometrien umgewandelt werden.
Der Anwender hat dann die Wahl, das Bauteil original, wie es ist, in Metall oder Kunststoff zu drucken, oder aber mit geglätteten Oberflächen oder einer klassischen CAD-Modellierung auf Basis der gerechneten Form weiter zu arbeiten und diese konventionell zu bearbeiten.
Bei dem Optimierungsprozess können auch Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, oder es kann von vornherein bestimmt werden, welche Eigenfrequenzen mindestens erreicht werden müssen, etc.
An der Stelle sei erwähnt, dass die Materialdatenbank "Total Materia", welche ebenfalls von DPS vertreten wird, bereits über 1000 Materialien für den 3D-Druck enthält.
