Topologieoptimierung für Presswerkzeuge
Leichtere Presszangen mittels Generative Design für hohe Kräfte, ergonomische Nutzung und mit einer Form, die technische Logik sichtbar macht.
Herausforderung & Lösungsansatz
Leichter, ergonomischer, leistungsstärker
Presswerkzeuge müssen hohe Kräfte aufnehmen und sind daher oft massiv und schwer. Das erschwert die Handhabung und belastet Anwender*innen im täglichen Einsatz. Ziel war es, Gewicht deutlich zu reduzieren, ohne Stabilität zu verlieren. Zusätzlich sollte eine Form entstehen, die die technische Funktion nachvollziehbar macht und die Nutzung gezielt unterstützt.
Grundlagen für die Topologieoptimierung festlegen
Kräfte und Zonen definieren
Wir haben die relevanten Lastfälle im Modell definiert und gezielt in die Simulation eingebracht. Parallel wurden Design- und Nicht-Design-Bereiche festgelegt, um funktional notwendige Geometrien zu sichern und andere Bereiche für die Optimierung freizugeben. Diese strukturierte Vorbereitung bildet die Grundlage für belastbare Ergebnisse und eine präzise Steuerung der nachfolgenden Entwicklung.
Variation von Spannung und Komplexität
Optimierung gezielt steuern
Durch die gezielte Variation von Zielspannungen und Bauteilkomplexität haben wir unterschiedliche Geometrien erzeugt. Diese Bandbreite ermöglichte es, verschiedene Lösungsansätze systematisch zu vergleichen. So konnten wir jene Strukturen identifizieren, die eine effiziente Lastaufnahme bieten und gleichzeitig eine geeignete Basis für die gestalterische Weiterentwicklung darstellen.
Weiterentwicklung entlang von Kraftflüssen
Form folgt physikalischer Logik
Die generierten Geometrien wurden von uns interpretiert und gestalterisch präzisiert. Ausgangspunkt waren die strukturellen Hauptlinien und Volumenverteilungen im Bauteil. Diese wurden gezielt herausgearbeitet und weiterentwickelt, um eine klare Form zu erzeugen, welche die zugrunde liegende technische Logik nachvollziehbar vermittelt.
Überführung in konkrete Entwürfe
Von Idee zu CAD-Modellen
Auf Basis der optimierten Strukturen entstanden Skizzen und erste CAD-Modelle. Diese dienten der schrittweisen Konkretisierung des Entwurfs und der Überprüfung von Varianten. In iterativen Schleifen wurden Lösungen weiterentwickelt und abgestimmt – in enger Zusammenarbeit mit den Simulationsexpert*innen von MSC Software – bis ein umsetzbares Gesamtbild entstand.
Design übersetzt Funktion
Vom Kraftfluss zur verständlichen Form
Die durch Generative Design erzeugten Strukturen folgen rein physikalischen Prinzipien und sind für Anwender*innen nicht unmittelbar erfassbar. Unsere Aufgabe bestand darin, diese komplexen Geometrien in eine verständliche und nutzbare Form zu überführen.
Dazu haben wir die vorhandenen Strukturen analysiert und in eine klare Formensprache übersetzt. Linienführungen, Übergänge und Proportionen wurden gezielt gestaltet, um Orientierung zu schaffen und die Handhabung zu unterstützen. Die Gestaltung folgt dabei nicht dekorativen Zielen, sondern macht die Funktion des Bauteils nachvollziehbar. Das Ergebnis ist eine präzise ausgearbeitete, organisch wirkende Struktur, die sowohl technisch leistungsfähig ist als auch eine klare Nutzungskommunikation ermöglicht. Design wird so zur Schnittstelle zwischen Konstruktion und Anwendung.
Einblicke in den Designprozess
Von der Simulation zur finalen Gestaltung
Das Projekt zeigt den Weg von der ersten Simulation bis zum fertigen Produktdesign. Unterschiedliche Entwicklungsstufen machen sichtbar, wie aus physikalischen Berechnungen eine klare Form entsteht. Die Einblicke verdeutlichen unseren iterativen Prozess aus Analyse, Gestaltung und Validierung.
Ergebnisse der Bauteiloptimierung
Funktion, Ergonomie und Design vereint
Gewichtsreduktion
Deutlich reduziertes Gewicht bei hoher Stabilität ermöglicht effizienteres Arbeiten und reduziert die körperliche Belastung im täglichen Einsatz.
Ergonomische Handhabung
Die optimierte Form verbessert die Handhabung und erlaubt eine präzisere, einhändige Bedienung – auch bei häufig wiederkehrenden Arbeitsabläufen.
Funktionsgeleitete Form
Die Geometrie folgt den realen Kraftverläufen und macht die technische Funktion des Bauteils visuell nachvollziehbar und für Nutzer*innen verständlich.
Verbesserte Nutzung
Reduzierte Masse und optimierte Balance sorgen für eine spürbar angenehmere Anwendung und erhöhen auch die Sicherheit im praktischen Einsatz.
Visuelle Klarheit
Die Gestaltung schafft Orientierung und Vertrauen, indem sie die innere Struktur des Bauteils klar abbildet und die Funktion verständlich kommuniziert.
Gestalterische Präzision
Proportionen, Übergänge und Flächen sind gezielt ausgearbeitet und verbinden somit technische Effizienz mit einer klaren, konsistenten Formensprache.
Fragen zur Topologieoptimierung
Technik, Prozess und Mehrwert erklärt
Topologieoptimierung und Generative Design eröffnen neue Möglichkeiten in der Entwicklung technischer Produkte. Gleichzeitig stellen sie neue Anforderungen an Prozess, Gestaltung und Umsetzung. Die folgenden Antworten geben Einblick in unsere Vorgehensweise und zeigen, wie wir diese Methoden gezielt in der Praxis einsetzen.
Tino Kalettka
Inhaber / Industrial Designer (MA)
Hans Simoleit
Berater / Dipl. Industriedesigner
Wie bleibt die Stabilität trotz Gewichtsreduktion?
Die Stabilität wird nicht über Masse, sondern über die gezielte Materialverteilung sichergestellt. Grundlage ist die Auswertung der Spannungsverläufe im Bauteil und der Bereiche, die Lasten übertragen. Material wird nur dort belassen oder verstärkt, wo es strukturell notwendig ist. So entsteht ein lastpfadoptimiertes Bauteil, das trotz geringerer Masse die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit zuverlässig erreicht.
Welche Kräfte wirken auf das Bauteil?
Beim Verpressen von Fittingen wirken Kräfte von bis zu 32 kN auf das Werkzeug, die über die Zangenstruktur in das Material eingeleitet werden. Dabei entstehen Druck-, Zug- und Biegespannungen sowie lokale Belastungsspitzen an Kontaktflächen. Diese realen Beanspruchungen definieren die konstruktiven Anforderungen und bilden die Grundlage für die Auslegung des Bauteils.
Wie läuft der Designprozess im Projekt ab?
Der Prozess beginnt mit der Definition eines Referenzmodells und der relevanten Lastfälle. Darauf folgt die Topologieoptimierung, bei der verschiedene Geometrien erzeugt werden. Diese Ergebnisse werden hinsichtlich Struktur, Formcharakter und Umsetzbarkeit bewertet. Anschließend entwickeln wir die vielversprechendsten Ansätze gestalterisch weiter, überführen sie in CAD und validieren sie erneut – in enger Abstimmung mit Simulationsexpert*innen – bis ein ausgereifter Entwurf entsteht.
Was sind Design- und Nicht-Design-Bereiche?
Nicht-Design-Bereiche umfassen alle funktional zwingenden Geometrien, etwa Schnittstellen, Lagerungen oder definierte Anschlussflächen. Diese bleiben während der Optimierung unverändert. Design-Bereiche hingegen sind gezielt freigegebene Volumen, in denen die Software Material entfernen oder neu verteilen darf. Diese Trennung stellt sicher, dass technische Anforderungen eingehalten werden, während gleichzeitig Optimierungspotenzial genutzt wird.
Wie entstehen die organischen Formen im Design?
Die organischen Strukturen entstehen aus der physikalischen Optimierung und werden anschließend gestalterisch präzisiert. Wir arbeiten Hauptlinien, Volumen und Übergänge gezielt heraus, um eine klare Formensprache zu entwickeln. Dabei geht es nicht um Dekoration, sondern um die bewusste Übersetzung technischer Logik in eine verständliche und konsistente Gestaltung.
Wie wird die Ergonomie der Presszange verbessert?
Die Ergonomie wird durch eine nutzungsorientierte Formgebung verbessert, die die Handführung unterstützt und die Kontrolle im Einsatz erhöht. Die Gestaltung ermöglicht präzisere Bewegungsabläufe beim wiederholten Verpressen und reduziert den notwendigen Kraftaufwand. Besonders bei häufigen Anwendungen führt dies zu einer spürbaren Entlastung für die Anwender*innen.
Ist das optimierte Bauteil fertigungstauglich?
Ja, die fertigungsgerechte Ausarbeitung ist integraler Bestandteil des Projekts. Die generierten Geometrien werden so angepasst, dass sie mit bestehenden Fertigungsverfahren sowie additiven Technologien realisierbar sind. Dabei berücksichtigen wir Wandstärken, Radien, Übergänge und technische Anforderungen der Produktion, sodass ein direkt umsetzbares und wirtschaftlich herstellbares Bauteil entsteht.