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Material follows function: Simulationsbasierte Entwicklung von Composite-Geometrien

Verbundwerkstoffe werden trotz ihrer Vorteile in der Großserienproduktion bislang kaum genutzt, da sich der gängige, konstruktive Produktentwicklungsansatz für die faserverstärkten Werkstoffe nicht eignet. Der Entwicklungs­dienstleister ARRK|P+Z Engineering verfolgt daher stattdessen eine simulationsgetriebene Strategie: Moderne Tools in Kombination mit praktischer Erfahrung ermöglichen es, dass nicht nur die Form der Funktion folgt, sondern auch der Werkstoff. So erlaubt dieser neue Ansatz eine ideale Geometrieauslegung ohne unnötiges Gewicht.

Hauptproblem vieler Entwickler bei Composites ist, dass deren Eigenschaften von zahlreichen Variablen wie den Verarbeitungsparametern abhängen und sich erst bei der Fertigung ergeben. Das erschwert die Konzeption und Validierung mit den üblichen Verfahren. Zwar ließen sich die Kennwerte der Ausgangsmaterialien wie klassische Materialdaten verwenden, allerdings entfällt dadurch der größte Vorteil der faserverstärkten Kunststoffe: Statt die Geometrie des Prototypen unter hohem Zeit- und Kostenaufwand zu optimieren, könnten mit einem angepassten Entwicklungsverfahren einfach die Werkstoffeigenschaften angepasst werden, um ein möglichst leichtes Bauteil zu erhalten.

Geometrie und Material passend zu Lastpfaden

Die neue Herangehensweise von ARRK|P+Z Engineering ist entsprechend auf die Eigenheiten von Verbundwerkstoffen zugeschnitten. Ausgangspunkte sind dabei der vorgegebene Bauraum sowie die Entwicklungsziele und Anwendungsanforderungen. Auf dieser Grundlage wird zunächst eine Topologieanalyse zur Festlegung der Hauptlastpfade durchgeführt. Dadurch kann bereits sehr früh in der Konzeptphase beurteilt werden, an welchen Stellen ein- oder multi-axiale Lasten anfallen, was die Zahl nötiger Entwicklungsschleifen minimiert.

Ausgehend von den ermittelten Lastpfaden werden im nächsten Schritt ein erster Designentwurf gestaltet und dabei direkt die geeigneten Werkstoffkonfigurationen und Faserverläufe gewählt. Auf diese Weise können die wirkenden Kräfte im Idealfall statt durch Verstärkungen einfach durch den passenden Faserverlauf ausgeglichen werden. Da hierbei unter anderem über die Bauweise und die Produktionstechnik entschieden werden muss, ist eine interdisziplinäre Fertigungsexpertise für diesen Schritt essentiell. Ebenso bietet die Konzeption auf Basis der Topologie spezielle Lösungsmöglichkeiten für die Verbindungen und die Verteilung der Kraftflüsse innerhalb des Bauteils sowie zu den angrenzenden Komponenten. Damit lässt sich die Robustheit insgesamt erhöhen und zugleich der Verbindungsaufwand reduzieren.

Detailgrad der Simulation nach Bedarf wählen

Anhand dieser beiden Parameter des Entwurfs, Werkstoff und Geometrie, wird ein CAD-Modell erstellt, das im Pre-Processing als Grundlage der weiteren Entwicklung und Simulation dient. Es empfiehlt sich, weitgehend mit Shell-Elementen in einer Netzfeinheit zu arbeiten, die eine gleichmäßige Spannungsverteilung gewährleisten. Zusätzlich muss die Bauweise bei der Modell-Erstellung berücksichtigt und auf die korrekte Ausrichtung der Elemente sowie auf den Lagenaufbau geachtet werden. Schraub-, Bolzen- und Klebeverbindungen werden im Grobmodell mittels Rigid-Body-, Balken- oder Solidelementen ausreichend getreu abgebildet. Für Detailbetrachtungen sollten versagenskritische Stellen jedoch separat verfeinert werden.

Für das Post-Processing ist bei Faserverbundwerkstoffen noch stärker auf die richtigen Einstellungen zu achten, da dies die Ergebnisqualität maßgeblich beeinflusst. Die Auswertung sollte bei Verbundwerkstoffen immer in einem Material- oder einem darauf ausgelegten Elementkoordinatensystem erfolgen. Zudem muss bei Schalenelementen berücksichtigt werden, an welcher Stelle ausgewertet wird. Generell sind bei der Ergebnisanalyse Anstrengungen Fehlerindizes vorzuziehen, da sie eine linear skalierbare Aussage über die Belastung treffen.

Detaillierung in mehreren Stufen

Ausgehend von den Erkenntnissen aus der Simulation werden die Geometrie, insbesondere aber der Lagenaufbau des Verbundwerkstoffs und die Faserorientierung in mehreren Iterationsschleifen optimiert und überprüft. Um jedoch eine Konstruktion zu finden, die sowohl den Fertigungsanforderungen entspricht, als auch Randbedingungen mit minimalem Materialaufwand erfüllt, ist zusätzlich das Know-how der Ingenieure notwendig. Bei ARRK|P+Z Engineering erfolgt die Detaillierung daher in mehreren Phasen: Zunächst wird je nach Belastungszone ein Designkonzept mit den erforderlichen Dicken und Faserausrichtungen generiert. Diese Vorgaben werden über die Gestaltung des Laminats umgesetzt und das Konzept dabei optimiert. Schließlich muss die ideale Stapelreihenfolge der Lagen ermittelt werden, wobei zu einem manuellen Eingriff in den Laminataufbau geraten wird, da aktuelle Solver an dieser Stelle nicht ausreichend unterstützen können. 

Des Weiteren muss entschieden werden, ob die Verbindungstechnik ausreichend präzise abgebildet wurde, um verlässliche Versagenswerte zu liefern. Dies ist umso relevanter, als bei der Detaillierung nun alle zu erfüllenden Anforderungen neben dem Hauptentwicklungsziel betrachtet werden. Zum Abschluss werden alle einzuhaltenden Lastfälle nochmals simuliert und dokumentiert. Darüber hinaus sollten aber – eben weil sich die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs erst bei der Fertigung endgültig ausprägen – in jedem Fall auch praktische Tests des Bauteils vorgenommen werden.

Generell lässt sich sagen, dass mittels eines simulationsgestützten Ansatzes Composite-Bauteile heute schnell und unter Ausnutzung aller Vorteile entwickelt werden können. Ein mindestens ebenso wichtiger Aspekt ist, dass damit die Entwicklungsprozesse transparent werden, was zu ihrer Akzeptanz im industriellen Umfeld beiträgt. 

Medium

Hanser Automotive 

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Veröffentlichung

Sonderausgabe OEM Supplier 2016

09.09.2016

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