Hochintegrierte Leichtbau-Strukturen und eine kostenoptimierte Modulbauweise sind kein Widerspruch. Im Gegenteil: durch eine methodische Kombination beider Ansätze lassen sich kosteneffiziente Produkte mit minimalem Aufwand konstruieren. Denn auf die Gewichtseinsparung durch reduzierten Materialeinsatz folgt die Frage nach der optimalen Fertigungstechnologie. Um dies bereits in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses zu berücksichtigen, wird die Topologieoptimierung um eine Analyse der Produktarchitektur erweitert. In diesem neuen Ansatz werden Struktur-Leichtbau und Modularisierung verknüpft und somit die Entwicklung kostenoptimaler Leichtbau-Strukturen ermöglicht.
Beispiel Windenergieanlage
Als bislang nur geringfügig optimiertes Strukturbauteil innerhalb der Gondel einer Windenergieanlage (WEA) bietet der Maschinenträger großes Potential, die vorgestellte Methodik anzuwenden. Mit einem Anteil von durchschnittlich 10 Prozent der Gondelmasse ist er ein Hauptgewichtstreiber. Als Ausgangsmodell dient der Maschinenträger einer 2,75 MW WEA mit teilintegriertem Triebstrang, einer Dreipunktlagerung, einer Kranbahn und einem Gewicht von 22 t. Durch eine Topologieoptimierung wird zunächst eine gewichtsminimale Zielstruktur entwickelt. Der zulässige Lösungsraum umfasst sowohl den ursprünglichen Maschinenträger, als auch die Struktur der Kranbahn. Der Bauraum für die Triebstrangkomponenten und Hilfsaggregate ist nicht Teil dieses Lösungsraumes und wird als nondesign space definiert. Unter der Restriktion der maximalen Auslenkung in definierten Bereichen werden sowohl externe Windlasten, als auch die Eigengewichte der Triebstrangkomponenten berücksichtigt. Bei Beibehaltung desselben Stahlwerkstoffes ergibt sich ein theoretisches Minimalgewicht von 11,2 t des Maschinenträgers oder eine Gewichtseinsparung von 49 Prozent gegenüber dem Ausgangsmodell.
Quelle und weitere Infos: Konstruktionspraxis
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