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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
© CADFEM 2016
Gliederung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 2
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
© CADFEM 2016
Motivation
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 4
F
• Warum Topologieoptimierung?
Kombination mehrerer Lastfälle
= ?
F
Stab / Seil
Brücke
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Motivation
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 5
• Verschiedene Wege zu einem optimalen Design
Versuch
& Irrtum
© CADFEM 2016 7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 6
2. Konzept der Topologieoptimierung
© CADFEM 2016
Konzept der Topologieoptimierung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 7
• Beispiel Topologieoptimierung - Kragträger
• Input:
• Optimierungsziel (Maximale Steifigkeit)
• Randbedingungen (40% des Volumens darf verbaut werden)
Lagerung
Bauraum
Last
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Konzept der Topologieoptimierung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 8
• Funktionsweise der Topologieoptimierung
1;001,0orDesignfakt*iElementModulE
1 = Massives Element
0,001 = Lochelement
Element i
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• Verlauf der Topologieoptimierung
Konzept der Topologieoptimierung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 9
© CADFEM 2016
Konzept der Topologieoptimierung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 10
• Ergebnisse der Topologieoptimierung
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Fertigungsrandbedingungen
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 11
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
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3. Industriebeispiel Maschinenbau
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Herausforderung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 13
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
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 14
© CADFEM 2016
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
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 15
Steifigkeit ~ 10x ~ 3x ~ 3x
Deformation Z Deformation Y Deformation X
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Additive Fertigung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 16
Printed by:
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Bauteil
Fertigungsrandbedingungen
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 17
• Vorgeschriebene Auszugsrichtung ! Noch in Entwicklung !
• Unterdrücken von Hinterschneidungen in Auszugsrichtung
Hinterschneidungen
Auszugsrichtung
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4. Patientenspezifische
Topologieoptimierung
© CADFEM 2016
Patientenspezifische Topologieoptimierung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 19
• Bauraum und Lasten
Bauraum
Schrauben
F
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Patientenspezifische Topologieoptimierung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 20
• Verlauf der Topologieoptimierung
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Patientenspezifische Topologieoptimierung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 21
• Ergebnis der Topologieoptimierung
© CADFEM 2016 7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 22
5. Geometrierückführung mit ANSYS
SpaceClaim
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STL & CAD Kombination und Glättung
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 23
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2 Wege zur CAD Geometrie
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 24
• 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
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6. Integration in die Prozesskette
© CADFEM 2016
Integration in die Prozesskette
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• 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
7. Medizintechnisches Kolloquium (CHIRON-WERKE GmbH & Co. KG, Tuttlingen) 27
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
© CADFEM 2016
CADFEM – CAE-Simulation seit 1985
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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
© CADFEM 2016
Ansprechpartner für die Topologieoptimierung
Tobias Haushahn
Business Development
Geschäftsstelle Grafing
Marktplatz 2
85567 Grafing b. München
Tel: +49-(0)8092-7005-834
Email: thaushahn@cadfem.de
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: jhertwig@cadfem-medical.com
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