Leichtbaukonstruktion einer Druckgussform mithilfe der Topologieoptimierung

In einer vorausgegangenen Projektarbeit (EVA) wurden die nötigen Grundlagen im Bereich Topologieoptimierung und Druckguss geschaffen sowie das zu untersuchende Werkzeugdesign analysiert und dokumentiert. Mit dem Ziel Gewicht und somit die Materialkosten des Werkzeugs zu senken, wurden in dieser Vertiefungsarbeit (VT) eine thermo-mechanische, stark gekoppelte Topologieoptimierung am Werkzeugformrahmen durchgefuhrt und ein optimiertes Design entwickelt. Anhand eines Vergleichs zwischen dem ursprünglichen und dem optimierten Design konnte schliesslich das Potential eines topologieoptimierten Druckgusswerkzeugs aufgezeigt und deren Entwicklungsaufwand eingeordnet werden.

Die Originalgeometrie und die auftretenden Lasten wurden in einer Referenzrechnung analysiert. Das Wissen im Bereich thermomechanischer Strukturoptimierung wurde schrittweise mit vereinfachten Modellen erweitert, um schliesslich eine thermo-mechanisch stark gekoppelte Optimierung des Werkzeugrahmens durchzuführen. Letztlich konnten anhand einer einfacheren Geometrie weitere mögliche Ansätze zur thermomechanischen Optimierung aufgezeigt werden.

In dieser Vertiefungsarbeit konnte gezeigt werden, dass mit den angewandten Methoden eine Massenreduktion von 35% gegenüber der Referenzgeometrie bei ähnlicher Steifigkeit erzielt werden kann. Allgemeine Guidelines der Gestaltung des Werkzeugrahmens konnten aus den gewonnen Daten abgeleitet werden. Die entwickelten Methoden wurden beschrieben und dabei auf die Herausforderungen und mögliche Erweiterungen der angewandten Methoden Bezug genommen. Es konnte gezeigt werden, dass die thermischen Lasten in der Strukturoptimierung berücksichtigt werden müssen, um zu einer sinnvollen Lösung zu gelangen. Das Auftreten von thermischen und mechanischen Lasten in einem Bauteil ist in der Technik häufig. Somit sind in naher Zukunft weitere Entwicklungen im Bereich der Strukturoptimierungssoftware für thermo-mechanische Problemstellungen und damit verbunden, eine Performancesteigerung der Optimierung zu erwarten.