Generative Verfahren verändern die Bauteilauslegung. Statt eine Geometrie von Hand zu entwerfen, gibt man Randbedingungen und Zielgrößen vor; das Verfahren durchsucht daraufhin den Lösungsraum und liefert Entwürfe, auf die man von Hand kaum käme.
Wie generative Konstruktion arbeitet
Vorgegeben werden die funktionalen Anforderungen, die Randbedingungen wie Werkstoff, Fertigungsverfahren und Kostenrahmen sowie die Zielgrößen, etwa geringes Gewicht oder hohe Steifigkeit. Das Verfahren erzeugt daraufhin Varianten, die diese Vorgaben erfüllen.
Die eingesetzten Verfahren
Topologieoptimierung
Der Algorithmus ermittelt, wie der Werkstoff im zur Verfügung stehenden Bauraum verteilt sein muss. Ausgehend von einem Vollkörper wird alles entfernt, was zur Tragfähigkeit nicht beiträgt. Es entstehen organisch anmutende, leichte Strukturen.
Erzeugende Netze
Aus Beständen vorhandener Konstruktionen lassen sich neue Entwürfe erzeugen. Ein Netz schlägt vor, ein zweites bewertet, wodurch die Vorschläge schrittweise besser werden.
Bestärkendes Lernen
Für Aufgaben mit mehreren, teils gegenläufigen Zielen lernt das Verfahren eine Abfolge von Entwurfsentscheidungen, die insgesamt zum besten Ergebnis führt.
Wo es sich lohnt
Leichtbau
Generativ ausgelegte Bauteile sind bei gleicher Tragfähigkeit deutlich leichter als konventionell konstruierte. Wie groß der Unterschied ausfällt, hängt stark vom Lastfall ab; im Fahrzeug- und Luftfahrzeugbau sind die Einsparungen erheblich.
Wärmeübertrager
Generativ erzeugte innere Kanalstrukturen erreichen eine Wärmeübertragung, die sich mit konventionell konstruierten Geometrien nicht darstellen lässt.
Werkzeuge und Vorrichtungen
Optimierung nach Gewicht, Steifigkeit und Temperaturführung. Konturnahe Kühlkanäle in Spritzgießwerkzeugen verkürzen die Zykluszeit und verbessern die Bauteilqualität.
Mehrere Werkstoffe
Fortgeschrittene Verfahren verteilen unterschiedliche Werkstoffe innerhalb eines Bauteils so, dass der teure Werkstoff nur dort sitzt, wo er gebraucht wird.
Fertigbarkeit gehört an den Anfang
Die entscheidende Frage ist, ob sich die erzeugte Geometrie überhaupt herstellen lässt. Ein Entwurf, der nur im Rechner existiert, hat keinen Wert. Aktuelle Werkzeuge berücksichtigen deshalb die Randbedingungen des vorgesehenen Verfahrens, sei es Zerspanung, Guss, Spritzguss oder additive Fertigung.
Naheliegende Verbindung zur additiven Fertigung
Generative Konstruktion und additive Fertigung passen zusammen. Die komplexen Geometrien, die dabei entstehen, lassen sich konventionell oft gar nicht herstellen, im Schichtaufbau dagegen schon.
Einbindung in den Arbeitsablauf
CAD-Systeme
Die gängigen CAD-Systeme bringen entsprechende Module mit, sodass sich die Verfahren ohne Bruch in vorhandene Abläufe einfügen.
Nachweis durch Berechnung
Jeder erzeugte Entwurf muss vor der Fertigung rechnerisch nachgewiesen werden, etwa über die Finite-Elemente-Methode. Das Verfahren liefert einen Vorschlag, nicht den Nachweis.
Die Digitalisierungsmodule von ED WARTENS Deutschland behandeln die Grundlagen und die Werkzeuge der generativen Konstruktion.