Echtzeit-FEM-Simulation auf Subdivision-Geometrien für innovative Bauteiloptimierung I

KI-Anwendungsprojekt mit Bionic Mesh Design GmbH

Der Ausgangspunkt: Optimiert, aber noch nicht fertig

Viele mittelständische Unternehmen nutzen heute Topologieoptimierung, um Bauteile leichter zu machen – doch die so entstehenden Strukturen sind oft rau und schwer herstellbar. Sie berücksichtigen weder Entformungs­schrägen noch Mindest­wandstärken oder Montage­toleranzen. Das Ergebnis: Aufwändige Nacharbeit im CAD-System, wiederholte Simulationen und lange Schleifen in der Produkt­entwicklung.

Die Idee: Subdivision-Flächen treffen Echtzeit-FEM

Im Projekt wandeln wir zunächst die rohen Optimierungs­ergebnisse in glatte Catmull-Clark-Subdivision­flächen um. Diese „organischen“ Flächen lassen sich intuitiv verformen – vergleichbar mit digitalem Ton. Neu ist, dass eine GPU-beschleunigte Finite-Elemente-Simulation (RISTRA) direkt an dieses Modell gekoppelt wird: Jede Verschiebung am Kontrollnetz aktualisiert in Sekunden­bruchteilen das Ergebnis-Bild der FEM-Analyse. Konstrukteur*innen sehen sofort, wie sich Steifigkeit oder Spannungen ändern – ganz ohne erneutes Vernetzen.

Warum das für KMU spannend ist

• Schnellere Entscheidungs­schleifen – Design-Änderungen und strukturelle Auswirkungen sind in einem Arbeits­schritt sichtbar.
• Geringerer Material­einsatz – Über­dimensionierung wird vermieden, weil die Bauteile bis zum letzten Gramm ausgereizt werden können.
• Bessere Team-Kommunikation – Konstruktion, Simulation und Fertigungs­planung arbeiten am selben Modell und sprechen dieselbe visuelle Sprache.
• Zukunfts­fähig – Die Architektur öffnet die Tür für KI-gestützte Shape-Optimization-Workflows, an deren Eignung das Projektteam parallel forscht.

So funktioniert der Workflow – vereinfacht erklärt

1. CAD-Import & SubD-Aufbereitung
   Optimierte Gitter- oder Voxel­daten werden in Subdivision-Kontrollnetze konvertiert – gängig in Tools wie Rhino oder Blender.
2. Interaktive Form­anpassung
   Anwender:innen verschieben Knoten, glätten Flächen oder fügen Fertigungs­features wie Entformungs­radien hinzu.
3. Echtzeit-Analyse
   Das verformte Tetraeder­netz ist direkt mit der Simulation gekoppelt und wir sofort berechnet; kritische Bereiche werden farblich hervorgehoben.
4. Export in Serien-CAD
   Bei Bedarf wandelt das System die SubD-Flächen in B-Rep-Geometrien um – bereit für Fertigungs­zeichnungen oder 3-D-Druck.

Ausblick

Nach dem Proof-of-Concept plant das Team, KI-Methoden zu evaluieren, die Form­vorschläge oder Netzanpassungen automatisiert liefern. Damit könnte der bislang manuelle Schritt der Form­findung weiter verkürzt werden – ein spannender nächster Schritt für viele KMU in Richtung daten­getriebener Produkt­entwicklung.

Mit diesem Praxis­beispiel möchten wir zeigen, dass Echtzeit-Simulation schon während der Bauteilmodellierung eingesetzt werden kann, um die Machbarkeit noch früher überprüfen zu können.