Ein steifes Portal - Topology Optimization of a CNC Portal

Oft steht einem Hobbymodellbauer die Fragestellung im Sinn, wie soll das Portal aussehen, damit es sehr steif ist? In diesem Blogpost soll ein optimales Portal betrachtet werden. Die Grundlagen und Bedeutungen einer Topologieoptimierung können Sie in diesem Post nachlesen (klick). Würde das Portal aus einem Stück hergestellt werden, so sieht der Designbereich wie folgt aus:

Die Führungswagen befinden sich unter den Portalwangen. Die Anbindungen für die Kugelgewindetriebe sind bei diesem Konzept an den Seiten der Portalwangen angebracht. Die Z-Achse befindet sich in der Symmetriebene. Es wurden folgende Lasten in der Spindelaufnahme angesetzt. In der XYZ Richtung wurden jeweils 1000 N angebracht. Als Drehmoment wirken 10 Nm ein. 

Die Portalwangenhöhe ist hier 300 mm, die Portalwangenbreite 150 mm. Das Portal hat eine Gesamtbreite von 750 mm. Die Z-Achsenplatte ist 150 mm breit und 30 mm stark. Die Frässpindelaufnahme hat einen Durchmesser von 80 mm (2,2 kW Spindeln). Das Material ist Aluminium AW 6061. 

Im nachfolgenden sehen Sie eine 3D-Darstellung (hier: großer 3D Viewer und *.STL - Downloadmöglichkeit) der Optimierung, leider auf die Seite verkippt. Sie können die 3D-Ansicht mit der Maus bewegen und auch mit dem Mausrad rein- und rauszoomen. Das laden dauert ein wenig, da das Modell 8.0 MB groß ist. Die Optimierung ist sehr stark vereinfacht und bezieht sich nur auf eine in der Mitte liegenden Z-Achse. 

Das GIF zeigt das Verhalten der der Struktur bei Verformung/Deformation:

Hier wird wieder deutlich, wie wichtig die seitlichen Wangen an der Z-Achse sind. Auch die seitlichen Portalwangen müssen absolut nicht so dick gestaltet sein, wichtiger ist die horizontale Verbindung, d.h die Traverse. Es muss verhindert werden, dass sich eine "parallelogrammähnliche" Verschiebung ergibt. Die Verschiebung die durch das Fräsen in X-Richtung entsteht sollte deshalb auf jedenfall mit seitlichen Verrippungen an den Portalwangen versteift werden. Ein gutes Beispiel hierzu ist die seitliche Versteifung der "Ripper" von Max Mali, mir fällt gerade auf, dass die Aussparungen an den Portalwangen von Ihm auch sehr geschickt gewählt wurden. 

Eine weitere Auffälligkeit der optimierten Lösung sind die weggerechneten Eckbereiche, hier scheint keine große Belastung einzuwirken. Selbstverständlich würde das Design bei einer vollständigen Topologieoptimierung ein wenig anders aussehen. Hiermit ist der Beweis erbracht, dass die Portalwangen an den passenden Stellen ausgespart werden können und auch wieder an den richtigen Stellen versteift werden müssen. Ich hoffe ich konnte Ihnen die Verschiebungen und diesen Ansatz näher bringen.