Symposium „Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung“, 5.-7. November 2003, Bremen 165 Spezifische Strukturoptimierungsverfahren für Gießereien Heiko Andrä, Joachim Linn, Iuliana Matei, Inga Shklyar, Ashok Kumar Vaikuntam und Andreas Wiegmann Fraunhofer ITWM – Institut für Wirtschafts- und Technomathematik, Kaiserslautern Kurzfassung Die automatische Optimierung (Topologie- und Formoptimierung) der Geometrie von Bauteilen hinsichtlich der Belastung im Einsatz wird im Leichtbau bereits in der Entwurfsphase eingesetzt, ohne dass bereits das Herstellungsverfahren berücksichtigt wird. Häufig ergeben sich Geometrien, die schwer herstellbar sind. Andererseits werden heutzutage Gießsimulationsverfahren angewandt, mit denen die Qualität der Gussteile vorhergesagt werden kann. Die Verknüpfung von Strukturoptimierung mit der Gießsimulation zur Konstruktion optimaler Bauteile hinsichtlich Herstellbarkeit und Nutzungsphase ist nicht gelöst. Im ersten Teil wird erläutert, dass die Gussqualität eines Bauteils nicht nur von der Bauteilgeometrie, sondern wesentlich von den Materialeigenschaften abhängt. Um den Einfluss der Materialeigenschaften auf die Qualität des Gussteiles vorherzusagen, ist der Einsatz von Gießsimulationssoftware notwendig. Wenn der Gießprozess in die Strukturoptimierung einbezogen werden soll, sind neuartige Verfahren zur Bewegung der freien Ränder notwendig. Dies wird im zweiten Teil erläutert, wobei Level-Set-Verfahren vorgeschlagen werden. 1 Einführung Im Maschinen- und Fahrzeugbau wird zunehmend Software zur automatischen Topologie- und Shape- Optimierung eingesetzt, um den Entwicklungsprozess von Bauteilen und Komponenten zu verkürzen, leichte, steife Strukturen mit langer Lebensdauer zu konstruieren und um Material- und Energiekosten zu sparen. Die gießtechnische Herstellung bietet größtmögliche geometrische Flexibilität, wobei filigrane Strukturen erzeugt werden können. Deshalb ist das Gießen besonders für automatisch optimierte Bauteilgeometrien geeignet. In den Gießereien wird ebenfalls zunehmend Software eingesetzt, um den Gießprozess zu simulieren und zu verbessern. Im Projekt „Entwicklung adäquater Strukturoptimierungsmethoden für Gießereien“ 1 (OptCast) wird an der Kombination der Strukturoptimierungswerkzeuge mit der Gießsimulation gearbeitet. Am Projekt OptCast sind 3 Gießereien (HegerGuss, Enkenbach-Alsenborn; Römheld & Moelle, Mainz; Gienanth-Eisenberg, Eisenberg) und 2 Ingenieurbüros (Müllers Büro, Erzenhausen; hg.zwo, Kaiserslautern) sowie das Fraunhofer ITWM beteiligt. Aus der Simulation des Gießprozesses mit der Software MAGMASOFT® [3] werden Kenngrößen (Erstarrungszeit, Eigenspannungen, Verzug, Porosität und Gefügeeigenschaften) bestimmt. Diese Kenngrößen fließen zusätzlich in die Zielfunktion oder in die Restriktionen des Struktur-optimierungsproblems ein. Die Vorteile bestehen darin, dass der Ausgangszustand des Materials des Bauteils bei der mechanischen Strukturanalyse innerhalb des Strukturoptimierungszyklus besser erfasst wird, dass kritische Größen wie Eigenspannungsverteilungen und Verzug überhaupt berücksichtigt werden und insbesondere dass die gießtechnische Herstellbarkeit abgesichert wird. Eine Optimierung hinsichtlich Materialauswahl ist folglich möglich. Nachteil ist vor allem der hohe Rechenaufwand. Akzeptable Rechenzeiten sind nur durch den Einsatz von Parallelrechentechnik erreichbar. Im nächsten Abschnitt wird gezeigt, dass rein geometrische Eigenschaften nicht ausreichen, um die gießtechnische Herstellbarkeit zu bewerten. Im dritten Abschnitt wird auf einen Kernpunkt der Strukturoptimierungsalgorithmen, die Bewegung freier Ränder, d.h. die Bewegung der Designränder, 1 Das Projekt wird durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung – EFRE – und das Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau Rheinland-Pfalz finanziell unterstützt.