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Simulation Paradigmenwechsel in der Produktentwicklung

Redakteur: Ute Drescher |

Simulation als Gestaltungswerkzeug bietet das Potenzial, schnelle, flexible und kostengünstige Prozesse in der Produktentwicklung zu etablieren, wie das Anwendungsbeispiel eines Radträgers zeigt.

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GWJ Technology GmbH
KISSsoft AG
Heraeus AMLOY Technologies GmbH
Altair Engineering GmbH
Entwicklungsprozess eines Radträgers bis hin zum 3D gedruckten Modell für den Feinguss mit der Altair Inspire Plattform.
Entwicklungsprozess eines Radträgers bis hin zum 3D gedruckten Modell für den Feinguss mit der Altair Inspire Plattform.
(Bild: Altair)

Für den Erfolg eines neuen Produktes spielt das Design eine entscheidende Rolle. Dabei muss der Produktdesigner nicht nur ästhetische Gesichtspunkte beachten; das Produkt muss auch alle erwarteten Funktionen erfüllen, gut handhabbar und langlebig sein. Nicht zuletzt sollte auch der Preis dem Markt gerecht werden.

Insbesondere die Diskrepanz zwischen ästhetischer Formgebung und Funktionserfüllung hat in der Vergangenheit in den Entwicklungsabteilungen der Unternehmen für viele zeitaufwendige und kostenintensive Iterationsschleifen gesorgt, da Designänderungen aufgrund von Fertigungsrandbedingungen oder strukturellen Optimierungen oft erst sehr spät im Entwicklungsprozess durchgeführt wurden. Das hat meist eine erneute Überprüfung der Berechnungs- und Versuchsabteilung nach sich gezogen.

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Wurden anfänglich Werkzeuge für die Konstruktion (CAD) eingesetzt, haben sich inzwischen auch Simulationslösungen (CAE) für die digitale Entwicklung etabliert. Hierbei handelte es sich zunächst um reine Insellösungen für Simulationsexperten, die vornehmlich zur Absicherung einer Konstruktion als virtueller Test eingesetzt wurden.

Simulation wird zum Gestaltungswerkzeug

Heute sind computergestützte Entwicklungswerkzeuge verfügbar, die einfacher und schneller zu bedienen sind und gleichzeitig eine gemeinsame Basis für Industriedesigner, Konstrukteure, Entwicklungsingenieure und Fertigungsexperten bilden. Damit hat sich die Simulation in der Produktentwicklung von einem Test- hin zu einem Gestaltungswerkzeug entwickelt.

Zusätzlich zu den genannten Herausforderungen in der Entwicklung, wird der Druck auf die Entwicklungsabteilungen durch kürzere Zeitfenster, neue regulatorische Vorgaben des Gesetzgebers und ein gesteigertes Umweltbewusstsein der Kunden verstärkt. Um diese steigenden Effizienzanforderungen zu adressieren, müssen Unternehmen die Innovationskraft ihrer Entwicklung stärken und die Entwicklungsabläufe und -werkzeuge den neuen Gegebenheiten anpassen.

Dies gelingt zum einen mit einem neuen Rollenverständnis, das das Design, die Konstruktion und die Berechnung zusammenrücken lässt und wird unterstützt von Werkzeugen wie Altair Inspire, Altairs neuer Softwareplattform, die die Simulation als Gestaltungswerkzeug in die frühe Phase des Entwicklungsprozesses bringt.

Tipp: Anwendertreff Leichtbau Auf dem Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet, können sich Teilnehmer über den Material-, Struktur- und Fertigungsleichtbau informieren. Im Mittelpunkt dieses Jahr steht unter anderem die Topologieoptimierung, die Additive Fertigung und Verbundwerkstoffe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

Während früher meist von einem CAD-Modell ausgegangen wurde, das in der Folge mühsam und zum Teil mit unterschiedlichen Modellen und in verschiedenen Abteilungen auf Strukturmechanik, Kinematik, etc. und anschließend auf Herstellbarkeit untersucht werden musste, ist es mit Altair Inspire möglich, neue Entwürfe zu finden, die bereits hinsichtlich Funktion und Herstellbarkeit überprüft sind – vor allem wenn die Plattform bereits in der frühen Entwicklungsphase eingesetzt wird.

Produktentwicklung beschleunigen

Schaut man sich den Entwicklungsprozess am Beispiel eines Radträgers an, wird deutlich, wie eine Plattform wie Altair Inspire diesen beschleunigen kann. Der traditionelle Entwicklungsprozess würde von einem CAD-Modell ausgehen, das in mehreren Iterationsschleifen zwischen Konstruktions- und Berechnungsabteilung untersucht und verbessert wird, bis ein validiertes Modell steht, das dann – je nach gewählter Fertigungsmethode – auf Herstellbarkeit hin geprüft wird.

Bei einem Entwicklungsprozess, bei dem Simulation als Gestaltungswerkzeug eingesetzt wird, werden mittels Bewegungsanalyse die Belastungen ermittelt. Ist der Bauraum definiert, werden dem Modell diese Lastfälle hinzugefügt, wie im Fall des Radträgers z. B. die auftretenden Kräfte bei starkem Bremsen, extremen Kurvenfahrten und Hindernisüberfahrten. Nach der Optimierung, in der auch die Herstellbarkeit berücksichtigt werden kann, erhält der Anwender einen Designvorschlag, der eine lastgerechte Struktur bei minimalem Materialeinsatz umfasst. Das Optimierungsergebnis kann im Anschluss durch eine detaillierte FEM-Analyse ebenfalls mit Altair Inspire validiert werden.

Mit Gusssimulation Herstellbarkeit prüfen

Darüber hinaus ist es möglich, mittels Gusssimulationen mit Inspire Cast die Herstellbarkeit der gefundenen Geometrie zu prüfen und zu optimieren, um so z.B. Lunker und kritische Bereiche wie Bindenähte zu vermeiden. Da alle Schritte, beginnend mit der Lastermittlung, Konzeptfindung, geometrischen Umsetzung sowie die strukturmechanische und fertigungstechnische Absicherung in einer Umgebung stattfinden, können so etliche Iterationen zwischen Konstruktion und Fertigung reduziert werden.

Am Ende der Designphase lässt sich Inspire Cast nutzen, um den Füllprozess und den Erstarrungsvorgang exakt zu simulieren. Dies ermöglicht die Auswahl der effizientesten Produktionsmethode und die Optimierung der Fertigung. So können der Energie- und Materialverbrauch reduziert und der Gesamtprozess verkürzt werden. Im Falle des Radträgers wurden die Modelle für den Feinguss additiv gefertigt und so die Vorteile beider Verfahren, die Designfreiheit des 3D-Druckes und die Serientauglichkeit von Guss, kombiniert.

Mit Altair Inspire ist der Anwender in der Lage, Schritt für Schritt einen Entwurf zu erstellen, der bereits hinsichtlich seiner Struktur, Kinematik und der gewünschten Fertigungsmethode optimiert und validiert ist und bietet Lösungen, welche die Berechnung in der Konstruktion mit der Absicherung der Herstellbarkeit vereint – alles innerhalb einer Softwareplattform.

Simulation schafft Flexibilität

Die Änderung bestehender Entwicklungsprozesse ist immer mit einem gewissen Aufwand verbunden. Wird Simulation jedoch als Gestaltungswerkzeug eingesetzt, bietet sie das Potenzial, schnellere, flexiblere und insbesondere kostengünstigere Prozesse zu etablieren und nicht zuletzt wettbewerbsfähige Produkte zu entwickeln. Altair Inspire unterstützt diesen Ansatz durch die Einbindung verschiedener Simulationsdisziplinen und der Berücksich­tigung vieler unterschiedlicher Fertigungsrandbedingungen in einer Softwareplattform, die dank ihrer intuitiven Benutzeroberfläche einfach zu erlernen ist. Der Einsatz von Simulation als Gestaltungswerkzeug bietet Raum für Innovationen und schafft eine abteilungsübergreifende Plattform für Designer, Konstrukteure und Berechnungsingenieure. (ud)

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