Simulation So lässt sich Gewicht sparen und der Konstruktionsaufwand reduzieren

Von Hartmut Hammer

Leichtbau lässt sich auch virtuell realisieren. Wie per Simulation und mit einer durchgehenden Toolkette das Fahrzeuggewicht gesenkt werden kann, demonstrierten auf dem »Automobil Industrie Leichtbau-Gipfel« in Würzburg gleich mehrere Zulieferer und Engineering-Dienstleister.

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Leichtbau-Gipfel 2021 in Würzburg.
Leichtbau-Gipfel 2021 in Würzburg.
(Bild: Stefan Bausewein/Automobil Industrie)

Lars Frederiksson, Vice President Global Automotive Business der Altair Engineering GmbH stellte eine Entwicklungsumgebung vor, mit der die Entwicklung von formoptimierten Gussteilen deutlich beschleunigt werden kann. Der Ansatz baut auf dem heute gebräuchlichen Prozess der bauraumabhängigen Topologieoptimierung auf. Altair hat die CAE-Optimierung, die Produktionssimulation und die dreidimensionale Bauteilmodellierung in einer simulationsgetriebenen Entwicklungsumgebung zusammengefasst.

Wir müssen künftig nicht mehr jedes Bauteil einzeln konstruieren.

Sebastian Flügel, Edag

Ein solcher Prozess mit einem Mastermodell und vollständiger Kontrolle der Simulations- und Entwurfswerkzeuge fördert den nahtlosen Austausch von Daten und verwandelt den Entwurfsprozess zu einem „lebenden“ System laut Frederiksson.

Geometrien auf Basis von Polygonen

Als Ersatz für die üblichen parametrischen 3D-Modelle setzt Altair auf eine Modellierung, bei der die Geometrien auf Polygonen aufbauen, die sehr frei zu den gewünschten Skulpturen modelliert werden können. „Digital Sculpting“ erleichtert nach Angaben von Frederiksson auch die Anpassung der Lastpfade, die Entschärfung von Druckspitzen und so eine gleichmäßigere Kraftverteilung und mehr Dauerhaltbarkeit bei weniger Masse und Gewicht. Schon nach wenigen Wochen Training prognostiziert Altair 30 bis 50 Prozent kürzere Entwicklungszeiten bei der Topologieoptimierung.

Eingearbeitete Experten sollen sogar bis zu 90 Prozent schneller Ergebnisse erzielen. Die per Digital Sculpting entstandenen Geometriemodelle sind über eine Schnittstelle auch in die Low-Polygon-Modellierungsumgebung von CAD-Systemen integrierbar, was einen freien Modellaustausch zwischen beiden Entwicklungswelten ermöglicht.

Im Rahmen des Automobil Industrie Leichtbau-Gipfels stellte Evelyn Gebhardt, Vice President Marketing EMEA von Altair, die Preisträger des „Altair Enlighten Award“ vor. Diese renommierte Auszeichnung prämierte heuer zum zehnten Mal Unternehmen, die große Fortschritte im Bereich Nachhaltigkeit und Leichtbau erzielt haben. Aktuelle Preisträger in den verschiedenen Kategorien sind beispielsweise American Axle, BASF, Faurecia, Ford, Henkel, Magna, Mittal, Rassini und Shiloh.

Integrierter CAE-Prozess

Für das Fügen und Montieren von gewichtsoptimierten Multimaterial-Komponenten und -Modulen stellte Peter Ullrich, Technical Manager der ESI Group, einen integrierten CAE-Prozess vor. Für die vier Aufgabenbereiche Produktdesign, Funktionsauslegung, Teileproduktion und Fertigungsprozess betrachtete er jeweils wichtige Fragestellungen und beschrieb Lösungspfade.

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Im Produktdesign beispielsweise wird viel Zeit für die Geometriedefinition und deren Absicherung aufgewendet. ESI hat ein Tool entwickelt, das mit einer automatisierten Prozessplanung und einem mehrstufigen Solver beispielsweise die Belastung von Bauteilen und Prognosen zum Bauteilversagen sehr viel schneller berechnen kann als bisherige Methoden. Statt mehreren Tagen dauern diese Prozesse mit dem ESI-Werkzeug nach Angaben von Peter Ullrich nur noch etwa 15 Minuten.

Einfluss der Produktionsprozesse auf die Produkteigenschaften simulieren

Bei der Teileproduktion und für die Fertigungsprozesse von Multimaterial-Modulen stehen Aspekte wie die Machbarkeit von Wandstärken und Geometrien sowie die Maßhaltigkeit im Fokus. Speziell bei der Türenfertigung nannte Peter Ullrich Herausforderungen wie die Oberflächenqualität und den Klang beim Schließen der Türe. Lösungspfade sind die Fertigung nach festgelegten Spezifikationen und eine virtuelle Kontrolle der Oberflächenqualitäten. Beim Zusammenbau der Türe beispielsweise kann durch eine Variation der Anspannkräfte beim Fügen und durch eine verbesserte Parameterauswahl bei den Falzprozessen die Klangqualität der Türen bereits virtuell beeinflusst werden.

Die Oberflächenqualität wiederum kann in einem Lichtraum beurteilt und mit virtuellen Oberflächensimulationen abgeglichen werden. Mit diesem Abgleich kann rückwirkend die Güte der virtuellen Oberflächensimulation verbessert und damit die Qualität der Oberflächen frühzeitiger bewertet werden. Mit den Partnern GM und Autaza hat ESI eine solche Verbundlösung mit realem und virtuellem Lichtraum realisiert.

Eine wichtige Erkenntnis aus diesen Projekten ist laut Peter Ullrich, dass die Toolkette zwischen Konstruktion, Funktionsauslegung, Teileproduktion und Fertigung in beide Richtungen durchgängig und belastbar sein muss. Nur unter dieser Voraussetzung lassen sich gewichtsoptimierte Multimaterial-Komponenten und -Module in kürzerer Zeit, zu geringeren Kosten und in höherer Qualität realisieren.

Automatische Anpassung an die Umgebung

Auch Sebastian Flügel, Projektleiter Competence Center Innovation beim Entwicklungsdienstleister Edag und Simon Merget, CAE-Berechnungsingenieur (Edag) stellten eine Automatisierungslösung vor. Ihr Vortrag ging auf die schnelle additive Fertigung von Bauteilen ein. Der Clou: dank einer generativen Entwicklung passt sich der Bauteilentwurf während der Entwicklung automatisiert den Randbedingungen seines Einsatzes an.

Der in der Plattform „Elise“ aufgebaute Entwicklungsprozess besteht aus den für die additive Fertigung typischen Elementen: zum Beispiel FE-Berechnungsmodell, Topologie-Optimierung, Validierung der Belastungsfestigkeit, Crashsimulation, Fertigungsvorbereitung inklusive Kostenanalyse. Das Alleinstellungsmerkmal liegt in der Verknüpfung dieser Elemente zu einem durchgängig automatisierten Workflow.

„Der Vorteil ist, dass wir künftig nicht mehr jedes Bauteil einzeln konstruieren müssen“, erläuterte Sebastian Flügel auf dem Podium des Leichtbau-Gipfels. „Wir definieren lediglich eine Bauteil-DNA und pflanzen diese in verschiedene Fahrzeuge ein – so entwickelt sich das an die Umgebung angepasste Bauteil.“

Automatisch Varianten erzeugen

Bei Änderung der Randbedingungen – etwa des verfügbaren Bauraums, des Materials und von Lastfalldaten – wird der Workflow in Elise neu gestartet und erzeugt automatisch eine neue Bauteilvariante. Edag und Elise haben den neuen Prozess am Beispiel eines Isofixhalters intensiv durchgespielt.

„Dank des automatisierten Entwicklungsprozesses in der Software konnten wir die manuellen Änderungsschleifen zwischen Konstruktion und Simulation von etwa zehn auf drei Iterationen reduzieren. Dies resultiert in einer Zeiteinsparung von rund 40 Prozent – obwohl der initiale Aufbau des automatischen Prozesses in der Plattform zeitintensiv war“, erklärte Simon Merget. Zusätzlich sank das Bauteilgewicht um 41 Prozent.

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