The less we need the more we earn: Mit der bionischen Strukturoptimierung auf dem Weg zu mehr Effizienz

Transkript

1 Wissen. Was praktisch zählt. The less we need the more we earn: Mit der bionischen Strukturoptimierung auf dem Weg zu mehr Effizienz Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer Lehrgebiet: Bionik und Leichtbau Leichtbau II: Einführung Standort Bocholt

2 Gliederung 1. Motivation 2. Optimierung 3. Formoptimierung 4. Topologieoptimierung 5. Fazit 6. Literatur 1. Optimierungstools 2. Literatur Effizienz-Forum , Bocholt 2 / 18

3 1. Motivation Kostenstruktur im verarbeitenden Gewerbe Kostensteuern 3% Lohnarbeiten 2% AfA, Miete, etc 15% Zinsen 1% Personal 17% Gewinn 4% Material 45% Material Energie Handelsware Personal Lohnarbeiten Kostensteuern Zinsen AfA, Miete, etc Gewinn Handelsware 11% Energie 2% Statistisches Bundesamt 2013 Effizienz-Forum , Bocholt 3 / 18

4 1. Motivation Zusammenhang Gewicht zu Kosten Kosten Leichtbau Schwerbau pro eingespartem kg 5000 /kg Raumfahrt Entwicklung Fertigung Material Optimierte Leichtbau Konstruktion 500 /kg Luftfahrt 7 /kg KFZ 15 /kg e-kfz X /kg Hobbybereich Gewicht Nach Klein: Leichtbaukonstruktion p4 Effizienz-Forum , Bocholt 4 / 18

5 1. Motivation + Sekundäreffekte Kosten Leichtbau Schwerbau 55x55x45cm 3120 g 55x55x45cm 3640 g Gewicht 59x59x45cm 6280 g Effizienz-Forum , Bocholt 5 / 18

6 2. Optimierung Werkzeuge Computer tool implementierte Tools Apps Ingenieurs-Know-How Effizienz-Forum , Bocholt 6 / 18

7 2. Optimierung Methoden Bauweise Form Topologie Parameter Material Stahl Verbundwerkstoff Nach Bendsoe und Eschenhauer Effizienz-Forum , Bocholt 7 / 18

8 3 Formoptimierung Bsp: Knochenschraube Kerbspannung Mattheck: Denkwerkzeuge p.26 Effizienz-Forum , Bocholt 8 / 18

9 3 Vorbild Baum Mattheck Effizienz-Forum , Bocholt 9 / 18

10 3 Vorbild Baum Baumwachstum Iterationszyklus Formänderung FEA Baum strebt im Mittel eine homogene Spannungsverteilung an Mattheck: Denkwerkzeuge p. 24 Mattheck: Warum alles kaputt geht p. 97 Effizienz-Forum , Bocholt 10 / 18

11 3 Baumwachstum in die Technik übertragen Computertool CAO (Computer Aided Optimization) Mattheck: Denkwerkzeuge p.26, 61 Effizienz-Forum , Bocholt 11 / 18

12 3 Methode der Zugdreiecke -Viertelkreiskerbe -Baumkerbe VDI 6224: Bionische Optimierung C.Mattheck: Denkwerkzeuge p Effizienz-Forum , Bocholt 12 / 18

13 4 Topologieoptimierung Vorbild Knochen A) B) Photo: Atlas der Anatomie des Menschen Effizienz-Forum , Bocholt 13 / 18

14 4 Topologieoptimierung TopOpt Computertool OptiStruct Rechts: Stefanus Stahl Effizienz-Forum , Bocholt 14 / 18

15 5 Fazit Senken der Materialkosten durch Strukturoptimierung Positive Sekundäreffekte Benötigt einen geringen Invest Tools Kosten & Leistungsfähigkeit implementierte Tools Computertool Effizienz-Forum , Bocholt 15 / 18

16 6.1 Optimierungs Tools Optimierungs Tools Topologie und Formoptimierung OptiStruct CAO & SKO TopOpt TopShape, Tosca, ProTOp Materialauswahl CES Selector Parameteroptimierung optislang OptiStruct Ingenieurbüros für Optimierungen MIB Mechatronik Institut Bocholt Münsterstraße Bocholt Telefon +49 (0) sachs engineering GmbH Friedrich-List-Str Engen-Welschingen Telefon +49 (0) info@sachs-engineering.de Effizienz-Forum , Bocholt 16 / 18

17 6.2 Literatur Bendsoe, M. P. und Sigmund, O.: Topology Optimization - Theory, Methods and Applications. Springer-Verlag, 2003 Eschenauer, H. und Schnell, W.: Elastizitätstheorie: Grundlagen, Flächentragwerke, Strukturoptimierung. BI-Wissenschaftlicher Verlag, 1993 Klein, B.: Leichtbau-Konstruktion: Berechnungsgrundlagen und Gestaltung. Vieweg-Verlag, 2011 Mattheck, C.: Design in der Natur Der Baum als Lehrmeister. Rombach-Verlag, 2006 Mattheck, C.: Warum alles kaputt geht. KIT-Verlag, KIT-Verlag 2003 Mattheck, C.: Denkwerkzeuge der Natur. KIT-Verlag, 2010 Sauer, A.: Untersuchungen zur Vereinfachung biomechanisch inspirierter Stukturoptimierung. Dissertation, Uni-Karlsruhe, 2008 VDI 6224 Blatt 2: Bionische Optimierung - Anwendung biologischer Wachstumsgesetze zur strukturmechanischen Optimierung technischer Bauteile. Beuth-Verlag, 2012 Wiedemann, J.: Leichtbau. Springer Verlag, Effizienz-Forum , Bocholt 17 / 18

18 Wissen. Was praktisch zählt. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Kontaktdaten: Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer Lehrgebiet: Bionik und Leichtbau Münsterstrasse Bocholt Tel.: / Fax: / alexander.sauer@w-hs.de Raum C Effizienz-Forum , Bocholt 18 / 18