Zusammenfassung

Generatives Design ist ein Ansatz, bei dem der Ingenieur das Bauteil nicht zeichnet, sondern die Bedingungen festlegt, und die Software findet die Form. Sie definieren den Raum, den das Bauteil einnehmen darf, die Lagerungen, die Lasten, den Werkstoff und das Fertigungsverfahren. Die Software entfernt dann Material, das keine Last trägt, und bietet mehrere Varianten an.

Topologieoptimierung ist der ältere Begriff, generatives Design der neuere. Früher gab es einen Unterschied, aber die heutigen Werkzeuge für generatives Design bauen auf Algorithmen der Topologieoptimierung auf. Deshalb behandle ich beide in der Praxis als eins.

Am sinnvollsten ist es bei Bauteilen, bei denen die Masse kritisch und die Last klar definiert ist, typischerweise in der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbau. Keinen Sinn ergibt es bei Bauteilen, deren Form von einer Funktion bestimmt wird, die nichts mit dem Lastabtrag zu tun hat, oder wenn die Herstellung einer organischen Geometrie mehr kostet als die eingesparte Masse bringt.

Warum es zwei Begriffe für dieselbe Sache gibt

Topologieoptimierung existiert als Konzept viel länger als generatives Design. Die Arbeit von Bendsøe und Kikuchi aus dem Jahr 1988 wird üblicherweise als Grundlage des modernen Fachgebiets zitiert. Generatives Design als Marktbegriff wurde erst Mitte des letzten Jahrzehnts sichtbar, als Softwarehersteller es als eigenes Werkzeug anzubieten begannen.

Der Unterschied war einmal real. Die Topologieoptimierung ging von einer bestehenden, vorgegebenen Geometrie aus und suchte darin nach Material, das entfernt werden konnte. Generatives Design begann bei null, rein aus Bedingungen und Bauraumgrenzen, und lieferte mehrere Lösungen statt einer.

In der Praxis ist dieser Unterschied nahezu verschwunden. Werkzeuge, die als generatives Design verkauft werden, nutzen Algorithmen der Topologieoptimierung als mathematischen Kernmechanismus, lediglich um zusätzliche Eingabeparameter erweitert. Aus meiner Sicht ist die Topologieoptimierung faktisch im generativen Design aufgegangen. Deshalb verwende ich die beiden Begriffe in diesem Beitrag als einen.

Topologieoptimierung, klassisch Generatives Design, klassisch
Ausgangspunkt Bestehende Geometrie Nur Bedingungen und Bauraumgrenzen
Anzahl der Lösungen Eine optimale Lösung Eine Reihe von Varianten mit unterschiedlichen Kompromissen
Fertigungsverfahren Oft erst nachträglich berücksichtigt Als Eingabeparameter festgelegt
Mathematische Grundlage Algorithmen der Topologieoptimierung Dieselben Algorithmen, um weitere Parameter erweitert
Heute in der Praxis Praktisch dasselbe Praktisch dasselbe

Was die Software tatsächlich tut

Generatives Design beginnt nicht mit einer Zeichnung, sondern mit Bedingungen. Der Ingenieur definiert:

  • den Raum, den das Bauteil einnehmen darf,
  • die Punkte, an denen das Bauteil gelagert oder befestigt ist,
  • die Lasten, die darauf wirken,
  • die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs,
  • das Fertigungsverfahren, mit dem das Bauteil hergestellt wird.

Die Software verwendet dann die Finite-Elemente-Methode, kurz FEM. Dabei wird das Bauteil in eine große Zahl kleiner Elemente zerlegt und die Spannung in jedem einzelnen berechnet. Auf dieser Grundlage entfernt die Software iterativ Material aus Bereichen, die nicht zum Lastabtrag beitragen. Der Vorgang wiederholt sich, bis eine Geometrie übrig bleibt, die die vorgegebene Last mit minimaler Masse trägt, innerhalb der Grenzen des gewählten Verfahrens.

Das Ergebnis ist nicht eine Lösung, sondern meist eine ganze Reihe von Varianten. Jede stellt einen anderen Kompromiss zwischen Masse, Steifigkeit und Fertigbarkeit dar. Der Ingenieur wählt dann die wenigen Entwürfe aus, die für das Team am meisten Sinn ergeben. Mit additiver Fertigung lässt sich jeder davon schnell als physischer Prototyp bauen und prüfen, statt allein anhand der Simulation zu entscheiden.

Ablauf des generativen Designs, von der Festlegung der Bedingungen bis zur Prüfung des fertigen Bauteils

Warum das Ergebnis ungewöhnlich aussieht

Für einen Ingenieur, der an Standardprofile, Rohre und Rippen gewöhnt ist, wirkt die erste Begegnung mit generativem Design oft seltsam. Die Geometrie sieht in der Regel aus wie ein Knochen oder eine Weinrebe, ohne eine einzige gerade Linie und ohne konstanten Querschnitt.

Das ist kein Mangel, ganz im Gegenteil. Die Ähnlichkeit mit organischen Formen bestätigt, dass die Form gut ist. Knochen und Weinrebe gehören zu den besten Beispielen der Natur, wenn es um das Verhältnis von Masse zu Tragfähigkeit geht. Wenn die Software von selbst zu einer ähnlichen Form gelangt, ist das ein Zeichen dafür, dass die Lösung strukturell effizient ist, nicht dafür, dass etwas schiefgelaufen ist.

Deshalb lässt sich eine solche Geometrie nicht in vertretbarer Zeit von Hand konstruieren. Sie ist auch mit klassischen CAD-Werkzeugen, die auf Extrusion, Rotation und booleschen Operationen beruhen, nicht leicht zu zeichnen.

Der Bezug zur additiven Fertigung

Generatives Design wird fast immer mit additiver Fertigung in Verbindung gebracht. Der Grund ist einfach: Die additive Fertigung ist das einzige Verfahren, das völlig freie, organische Geometrie ohne Kompromisse herstellen kann.

Fairerweise muss man sagen, dass aktuelle Werkzeuge auch andere Verfahren als Ziel haben können, zum Beispiel 2,5-, 3- oder 5-Achs-Fräsen, Guss oder Schneiden. Die Software schränkt die Form dann so ein, dass ein Werkzeug sie erreichen oder das Bauteil aus einer Form entnommen werden kann. Das Ergebnis ist ein leichteres Bauteil, aber weit weniger organisch. Das volle Potenzial des Ansatzes zeigt sich nach wie vor nur, wenn das Verfahren additiv ist.

Moderne Werkzeuge nehmen das gewählte Fertigungsverfahren bereits in der Analyse selbst ernst. Sie gehen nicht von einem generischen Werkstoff aus, losgelöst von der Realität des Drucks, sondern beziehen die Parameter der konkreten Technologie und des konkreten Werkstoffs ein. Ich habe selbst mit mehreren solchen Werkzeugen gearbeitet, und heute ist das der Standard, nicht die Ausnahme.

Manche Lösungen ermöglichen es sogar, die nötige Abstützung in die Form des Bauteils zu integrieren. Die Software begrenzt dann den Überhangwinkel, sodass sich das Bauteil selbst trägt, oder gestaltet die Stützstruktur als integralen Bestandteil der Geometrie. Das Entfernen der Stützstrukturen und ein Teil der Nachbearbeitung entfallen einfach.

Ist das Bauteil gedruckt, muss die Geometrie in der Regel per 3D-Scan geprüft werden. Klassische taktile Messtechnik misst einzelne Punkte und tut sich schwer, solche organischen Flächen zu beschreiben. Darüber habe ich ausführlicher im Beitrag über Reverse Engineering und 3D-Scannen geschrieben. Welche Arten von Software diese Schritte abdecken, beschreibt der Beitrag über Software, die in der additiven Fertigung den Unterschied macht.

Zwei bekannte Beispiele

2015 stellten Airbus und seine Partner eine Kabinentrennwand für die A320 vor, die mit generativem Design konstruiert und aus einer Legierung aus Aluminium, Magnesium und Scandium gedruckt wurde. Laut der Ankündigung war die Trennwand 45 Prozent leichter als die bisherige, rund 30 kg weniger.

2018 zeigte General Motors eine Sitzhalterung, bei der acht Teile zu einem zusammengeführt wurden. Das neue Bauteil war 40 Prozent leichter und 20 Prozent fester. Es war ein Demonstrationsbauteil, keine Serienfertigung, zeigt aber gut, wie sich generatives Design ganz natürlich mit der Konsolidierung von Baugruppen verbindet.

Wann generatives Design sinnvoll ist und wann nicht

Am sinnvollsten ist generatives Design bei Bauteilen, bei denen die Masse kritisch und die Last klar definiert ist. Typische Beispiele sind Luft- und Raumfahrt sowie Automobilbau.

Keinen Sinn ergibt es bei Bauteilen, deren Geometrie bereits von einer Funktion bestimmt wird, die nichts mit dem Lastabtrag zu tun hat, zum Beispiel bei Gehäusen, die in erster Linie Elektronik schützen. Ebenfalls keinen Sinn ergibt es, wenn die Herstellung der organischen Geometrie mehr kostet, als die Masseeinsparung bringt.

Sinnvoll Nicht sinnvoll
Die Masse ist kritisch Die Masse spielt für die Funktion keine Rolle
Die Last ist klar definiert Die Last ist unbekannt oder vernachlässigbar
Das Bauteil wird additiv gefertigt Die Form ist durch die Funktion bestimmt, zum Beispiel ein Elektronikgehäuse
Die Masseeinsparung amortisiert sich im Betrieb Die Herstellung der organischen Geometrie kostet mehr als die Einsparung

Wenn Sie nicht sicher sind, in welche Spalte Ihr Bauteil gehört, kann Dokimion als erste Prüfung für den Metalldruck dienen. Für eine konkrete Bewertung auf Produktionsebene gibt es die Produktionsanalyse.

Häufig gestellte Fragen

Sind generatives Design und Topologieoptimierung dasselbe? In der heutigen Praxis fast. Werkzeuge für generatives Design nutzen Algorithmen der Topologieoptimierung als Kernmechanismus, nur mit mehr Eingabeparametern und mehr angebotenen Varianten.

Was muss der Ingenieur festlegen, bevor er generatives Design startet? Den Raum, den das Bauteil einnehmen darf, die Lagerungen oder Befestigungspunkte, die Lasten, die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs und das Fertigungsverfahren. Ohne klar definierte Lasten hat das Ergebnis keinen echten Wert.

Warum sehen generativ konstruierte Bauteile wie Knochen aus? Weil die Software Material nur dort lässt, wo es Last trägt. Knochen und Weinrebe haben sich in der Natur nach einem ähnlichen Prinzip entwickelt, eine ähnliche Form zeigt also, dass die Lösung strukturell effizient ist.

Lässt sich generatives Design auch für Fräsen oder Guss einsetzen? Ja. Aktuelle Werkzeuge unterstützen Fräsen, Guss und Schneiden als Zielverfahren. Die Form ist dann eingeschränkt und weniger organisch, daher fällt die Masseeinsparung meist geringer aus als bei additiver Fertigung.

Wie wird ein generativ konstruiertes Bauteil geprüft? Meist per 3D-Scan, weil taktile Messtechnik sich schwer tut, freie organische Flächen zu beschreiben. Die gescannte Form wird mit dem CAD-Modell verglichen, um Abweichungen aufzudecken.

Für welche Bauteile ergibt generatives Design keinen Sinn? Für Bauteile, deren Form von einer Funktion bestimmt wird, die nichts mit dem Lastabtrag zu tun hat, etwa Elektronikgehäuse, und für Bauteile, bei denen die Herstellung der organischen Geometrie mehr kostet als die eingesparte Masse bringt.

Quellen