Formoptimierung
Aus der Natur adaptierte Optimierungsalgorithmen kommen im Rahmen des BIOCAST®-Design nicht nur bei der Festlegung kraftflussgerechter Strukturen zum Einsatz. Auch für die Detailverbesserung an einem weitgehend auskonstruierten Bauteil lassen sich in der Biologie Vorbilder finden, um es tragfähiger oder bei gleicher Belastbarkeit leichter zu machen.
Ohne die seit Jahrmillionen bewährten Optimierungsalgorithmen beim Aufbau von Knochen wäre beispielsweise kein Gepard in der Lage, in Sekundenschnelle auf Tempo 70 zu sprinten und so die schnellen Gazellen zu erlegen, sein schwerer Knochenbau würde ihn einfach daran hindern. Auch in der Flora gibt es unzählige Beispiele für die Formoptimierung, so z.B. das Wachstum von Bäumen! Um beim Kampf um das für die Photosynthese so wichtige Sonnenlicht kein Material in Bodennähe zu vergeuden, wird das Zug- oder Druckholz genau dort angelagert, wo die Belastungen über einem bestimmten Grenzwert liegen.
Die Übertragung dieser Vorgehensweise in das Metier der Gussteil-Entwicklung ist immer dann sinnvoll, wenn es die Tragfähigkeit von Konstruktionen zu steigern gilt, ohne das Bauteilgewicht zu erhöhen, oder aber um Kerbwirkungen, die in komplexen Geometrien praktisch immer vorhanden sind, zu reduzieren. In der Fauna wird sogar Knochensubstanz abgebaut, wenn ein bestimmtes Belastungsniveau nicht mehr erreicht wird. Mit der Nutzung entsprechender Algorithmen in der Gussteilauslegung lassen sich wahre Leichtbaukonstruktionen realisieren.
Wie findet der Computer diese optimale Geometrie? Das Optimierungsprogramm vergleicht die Spannungen an der Bauteiloberfläche mit einem gewünschten Belastungsniveau. Aus der Abweichung zwischen diesen Zahlenwerten werden dann kleinere Verschiebungen der Bauteiloberflächen abgeleitet. Dieser Prozess wird so lange wiederholt, bis eine konstante Oberflächenspannung erreicht ist. Das Material wird somit im gesamten Bauteil gleichmäßig hoch beansprucht und weist weder hohe Kerbspannungen noch schlecht ausgenutzte, überdimensionierte Bereiche auf.
An dem akademischen Beispiel ´Platte mit Kreisloch unter Zugbelastung´ lässt sich die Leistungsfähigkeit des modernen Formoptimierungs-Tools TOSCA® demonstrieren. Es sind verschiedene Maßnahmen denkbar, um die Spannungsspitze abzubauen, z.B. das Angießen einer Wulst unter Beibehaltung des Kreisquerschnitts oder die Variation der Lochkontur bei konstanter Plattendicke.
Durch Variation der Lochkontur bei unveränderter Plattendicke steigt die Belastbarkeit des Bauteils um 44% - und dabei wird das Bauteil auch noch leichter!
Die Ansprüche an das Wissen und die Fähigkeiten des Entwicklers sowie an die Modellierung der Aufgabenstellung sind bei der Formoptimierung deutlich höher als bei der Topologieoptimierung. So sind bei Anwendung dieser Methode nicht unbedingt Zeitvorteile für die Gussteilentwicklung zu erwarten, wohl aber maßgeschneiderte Konstruktionen, die höchsten Anforderungen an Belastbarkeit und Leichtbau gerecht werden.