the less we need the more we earn: mit der bionischen ... · 03.04.2015 · / 18...

Wissen. Was praktisch zählt.

Leichtbau II: Einführung

Lehrgebiet: Bionik und Leichtbau

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

Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer

Standort Bocholt

/ 18

Gliederung

1. Motivation2. Optimierung3. Formoptimierung4. Topologieoptimierung5. Fazit6. Literatur

1. Optimierungstools2. Literatur

Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt 2

/ 18Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt 3Statistisches Bundesamt 2013

1. MotivationKostenstruktur im verarbeitenden Gewerbe

MaterialEnergieHandelswarePersonalLohnarbeitenKostensteuernZinsenAfA, Miete, etcGewinn

Material45%

Energie2%

Handelsware11%

Personal17%

Lohnarbeiten2%

Kostensteuern3%

Zinsen1%

AfA, Miete, etc15%

Gewinn4%

MaterialEnergieHandelswarePersonalLohnarbeitenKostensteuernZinsenAfA, Miete, etcGewinn

/ 18

5000 €/kg Raumfahrt

500 €/kg Luftfahrt

7 €/kg KFZ

15 €/kg e-KFZ

X €/kg Hobbybereich

€ pro eingespartem kg

1. MotivationZusammenhang Gewicht zu Kosten

MaterialFertigung

Entwicklung

Kos

ten

SchwerbauLeichtbau

OptimierteLeichtbau

Konstruktion

Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt 4Nach Klein: Leichtbaukonstruktion p4

Gewicht

/ 18

1. Motivation

Kos

ten

Leichtbau Schwerbau

+ Sekundäreffekte


Gewicht

55x55x45cm3120 g

55x55x45cm3640 g

59x59x45cm6280 g

/ 18

2. OptimierungWerkzeuge

Computertool

implementierte Tools


Apps Ingenieurs-Know-How

/ 18

2. OptimierungMethoden

Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt 7Nach Bendsoe und Eschenhauer

Bauweise

Form

Topologie

Parameter

Material Stahl Verbundwerkstoff

/ 18

3 FormoptimierungBsp: Knochenschraube

Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt 8Mattheck: Denkwerkzeuge p.26

Ker

bspa

nnun

g

/ 18Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt 9

3 Vorbild Baum

Mattheck

/ 18

3 Vorbild BaumBaumwachstum

Baum strebt im Mittel eine homogene Spannungsverteilung an

FEAFormänderung

Iterationszyklus


Mattheck: Denkwerkzeuge p. 24Mattheck: Warum alles kaputt geht p. 97

/ 18

3 Baumwachstumin die Technik übertragen


Computer-tool CAO

(Computer Aided Optimization)

Mattheck: Denkwerkzeuge p.26, 61

/ 18

3 Methode der Zugdreiecke

-Viertelkreiskerbe-Baumkerbe


C.Mattheck: Denkwerkzeuge p.57+60VDI 6224: Bionische Optimierung

/ 18

4 TopologieoptimierungVorbild Knochen

A) B)

Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt 13Photo: Atlas der Anatomie des Menschen

/ 18

4 Topologieoptimierung


TopOptComputer-

tool

OptiStruct

Rechts: www.mtb-news.de Stefanus Stahl

/ 18

5 Fazit


• Senken der Materialkosten durch Strukturoptimierung• Positive Sekundäreffekte• Benötigt einen geringen Invest• Tools …

Kos

ten

&Le

istu

ngsf

ähig

keit

Computertool

implementierte Tools

/ 18

Optimierungs‐Tools

Topologie und Formoptimierung

OptiStruct www.altairhyperworks.de

CAO & SKO www.mattheck.de

TopOpt www.topopt.dtu.dk

TopShape, Tosca, ProTOp

Materialauswahl

CES Selector www.grantadesign.com

Parameteroptimierung

optiSLang www.dynardo

OptiStruct www.altairhyperworks.de

6.1 Optimierungs‐Tools

Ingenieurbüros für Optimierungen

MIB Mechatronik Institut BocholtMünsterstraße 26546397 BocholtTelefon +49 (0) 2871 2155954http://www.mib.w-hs.de

sachs engineering GmbHFriedrich-List-Str. 978234 Engen-WelschingenTelefon +49 (0) 7733 503 [email protected]

16Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt

/ 18

• 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,

6.2 Literatur

17Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt

Wissen. Was praktisch zählt.

Kontaktdaten:Prof. Dr.-Ing. Alexander SauerLehrgebiet: Bionik und Leichtbau

Münsterstrasse 26546397 BocholtTel.: 02871 / 2155 948Fax: 02871 / 2155 900 [email protected]

Raum C1.0.14

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

18 / 18Effizienz-Forum 04.03.2015, Bocholt

the less we need the more we earn: mit der bionischen ... · 03.04.2015 · / 18...

Documents