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© CADFEM 2016

Topologieoptimierung

Last- und fertigungsgerechte Konstruktion für individualisierte

medizintechnische Produkte

7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 1

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Gliederung


1. Motivation

2. Konzept der Topologieoptimierung

3. Industriebeispiel Maschinenbau

4. Patientenspezifische Topologieoptimierung

5. Geometrierückführung mit ANSYS SpaceClaim

6. Integration in die Prozesskette

© CADFEM 2016 7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 3

1. Motivation

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Motivation


F

• Warum Topologieoptimierung?

Kombination mehrerer Lastfälle

= ?

F

Stab / Seil

Brücke

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Motivation


• Verschiedene Wege zu einem optimalen Design

Versuch

& Irrtum


2. Konzept der Topologieoptimierung

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Konzept der Topologieoptimierung


• Beispiel Topologieoptimierung - Kragträger

• Input:

• Optimierungsziel (Maximale Steifigkeit)

• Randbedingungen (40% des Volumens darf verbaut werden)

Lagerung

Bauraum

Last

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• Funktionsweise der Topologieoptimierung

1;001,0orDesignfakt*iElementModulE

1 = Massives Element

0,001 = Lochelement

Element i

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• Verlauf der Topologieoptimierung



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• Ergebnisse der Topologieoptimierung

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Fertigungsrandbedingungen


Minimale Strukturgrößen:

Bedingung erfüllt, wenn sich alle

Elemente in Einfluß-Kugel befinden

Maximale Strukturgrößen:

Bedingung erfüllt, wenn Einfluß-

Kugel nicht mehr mit Elementen

gefüllt ist.

Ohne

Min. Strukturgrößen

Min. & Max. Strukturgrößen

Bedingung erfüllt

Bedingung erfüllt Bedingung nicht erfüllt

Bedingung nicht erfüllt


3. Industriebeispiel Maschinenbau

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Herausforderung


Belastung

• Beschleunigungen 1,5 g

• Traglast 1kg

Ziele

• Hohe Steifigkeit für präzise

Platzierung

• Reduktion von Masse

Gewähltes Ziel

Optimierung auf Steifigkeit

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Von der Referenz zum optimierten Design


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4,56 4,56

91,9

72,9 75,7

0

50

100

Masse Volumen Beschleunigung Z Beschleunigung Y Beschleunigung X

Red

uk

tio

n [

%]

Performance des optimierten Design


Steifigkeit ~ 10x ~ 3x ~ 3x

Deformation Z Deformation Y Deformation X

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Additive Fertigung


Printed by:

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Bauteil

Fertigungsrandbedingungen


• Vorgeschriebene Auszugsrichtung ! Noch in Entwicklung !

• Unterdrücken von Hinterschneidungen in Auszugsrichtung

Hinterschneidungen

Auszugsrichtung


4. Patientenspezifische

Topologieoptimierung

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Patientenspezifische Topologieoptimierung


• Bauraum und Lasten

Bauraum

Schrauben

F

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• Verlauf der Topologieoptimierung

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• Ergebnis der Topologieoptimierung


5. Geometrierückführung mit ANSYS

SpaceClaim

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2 Wege zur CAD Geometrie


• Direkte Konvertierung von STL zu CAD: nur ein Klick für schnelle

Validierungssimulation, aber große Dateien

• Rekonstruktion durch Freiformflächen: schneller, manueller Prozess mit kleiner

Dateigröße, optimal für die Integration in Baugruppen


6. Integration in die Prozesskette

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Integration in die Prozesskette


• Planung und Simulation von med. Prozeduren

• Medizinische Dokumentation

• Individuelle CAE-Schnittstellen

• Easy Use

• Vollständig anpassbar für ihre Prozesskette

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Integration in die Prozesskette


Modellverwaltung

Bauraum

Lastfälle

Topologie-

optimierung

Glättung

.stl

CAD Rück-

führung

Vernetzung Auswertung

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Simulation ist mehr als Software

• Produkte – Software und IT-Lösungen

• Service – Beratung, Support, Engineering

• Wissen – Know-how-Transfer

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CADFEM – CAE-Simulation seit 1985

29

CADFEM in D, A, CH

• 65 Millionen Euro Umsatz

• Wachstum 2010-2015 plus 45%

• 2.300 Kunden

• 11 Standorte

• 220 Mitarbeiter

• Familienunternehmen

CADFEM und ANSYS in D, A, CH

• Partnerschaft seit Firmengründung

• ANSYS Elite Channel Partner

• 130 ANSYS Spezialisten

• 98% der Kunden verlängern die

Wartung

BerlinHannover

Dortmund

Chemnitz

Stuttgart

Lausanne

Aadorf

Grafing Wien

InnsbruckZürichOtterfing

FrankfurtDarmstadt

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CADFEM Medical GmbH

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Simulation in der Medizin

• CAE-basierte patientenspezifische

Planung von Operationen

• Mund-, Kiefer- und

Gesichtschirurgie, Plastische

Chirurgie, Orthopädie

DocQ

• Planung und Simulation von med.

Prozeduren

• Prozessintegration

• Patientenverwaltung

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Ansprechpartner für die Topologieoptimierung

Tobias Haushahn

Business Development

Geschäftsstelle Grafing

Marktplatz 2

85567 Grafing b. München

Tel: +49-(0)8092-7005-834

Email: [email protected]

CADFEM GmbH

Österreich

CADFEM Medical GmbH

Ansprechpartner für die Simulation in der Medizin

Jan Hertwig

Entwicklungsingenieur

Geschäftsstelle Grafing

Marktplatz 2

85567 Grafing b. München

Tel: +49-(0)8092-7005-67

Email: [email protected]

31

mailto:[email protected]





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