FEM für CAD Serie Teil 2: Die Rolle der FEM in der Produktentwicklung

konstruktiopnspraxis-Serie für Konstrukteure, mit Fallbeispielen aus der Praxis der konstruktionsbegleitenden Berechnung – Teil 2: Die Rolle der FEM in der Produktentwicklung

Anbieter zum Thema

CADFEM Germany GmbH

GWJ Technology GmbH

MDESIGN group

Produktentwicklungsprozesse unterliegen heute einem immer stärkeren Zeitdruck. Erschwerend kommt dabei hinzu, dass mit den kürzeren Entwicklungszeiten eine ständig wachsende Variantenvielfalt, erhöhte Qualitätsanforderungen und vor allem eine größere Komplexität der Bauteile und Produkte einhergeht. Globale Wettbewerber, welche die traditionelle Produktentwicklung zu wesentlich geringeren Kosten anbieten können, üben zusätzlichen Handlungsdruck aus.

Gesteigerte Innovation und Qualität bei gleichzeitiger Absenkung von Entwicklungszeiten und Produktionskosten sind die Grundlagen, um im Wettbewerb bestehen zu können: Wer gute Ideen für bessere Produkte schnell realisiert und früh auf den Markt bringt, sichert sich entscheidende Wettbewerbsvorteile.

FEM-Simulationen schaffen die Voraussetzung, die Anzahl an Prototypen signifikant zu verringern

FEM-Simulationen sind ein effizientes Werkzeug, mit dem Entwickler bereits in frühen Phasen des Entwurfs wichtige Produkteigenschaften überprüfen können. Gerät z. B. der Maschinentisch einer Werkzeugmaschine in Resonanz, weil die Eigenfrequenz in der Nähe des Antriebes liegt, sind nachhaltige Veränderungen notwendig.

Werden derartige Probleme erst am realen Prototypen erkannt, sind Korrekturen meist nur noch unter großem Zeit- und Kostenaufwand möglich. Diesem kann durch entwicklungs-begleitende FEM-Simulationen vorgebeugt werden. Direkt am CAD-Arbeitsplatz, wo die Produkte konstruiert werden, können per FEM-Simulation mögliche Problemzonen frühzeitig identifiziert und geeignete Maßnahmen eingeleitet werden. FEM-Simulationen verringern also den Änderungsaufwand deutlich und können damit zu einer spürbaren Einsparung an Entwicklungszeiten beitragen. (Bild 1)

Ein Versuch, und es ist (fast) alles bekannt

Ein ganz entscheidender Aspekt ist hierbei, dass problematische Bereiche nicht mühsam in mehreren Versuchen ermittelt werden müssen. Im Realversuch tritt beispielsweise bei einer bestimmten statischen Belastung oder nach einer bestimmten Anzahl von Lastzyklen ein Versagen eines Bauteils auf. Damit ist in der Regel der Versuch zu Ende und die maximale ertragbare Last ermittelt.

Man sieht, welcher Bereich das Versagen verursacht hat (z. B. Anriss an einer Kerbe; Messpunkt 3) und kann entsprechende Konstruktionsänderungen vornehmen. In einem nächsten Versuch wird dann die maximal ertragbare Last der verbesserten Struktur ermittelt. Leider kann es jetzt geschehen, dass die neue, verbesserte Variante nur knapp bessere Werte ergibt, da das Spannungsniveau in anderen Bereichen der Struktur (hier Messpunkt 1) ähnlich hoch ist, im ersten Versuch jedoch nicht erkannt werden konnte. Der große Vorteil des Versuchs ist, dass er für klare Versuchsbedingungen genaue Werte liefert. Ein Gesamtüberblick über das Bauteilverhalten gerade hinsichtlich Festigkeit ist jedoch schwer zu erreichen. Selbst bei Verwendung von Dehnmess-Streifen muss die Lage der DMS im Vorfeld schon richtig eingeschätzt werden, weil man auch mit falscher oder fehlender Positionierung eines Messpunktes kritische Bereiche nicht erkennt.

Im Vergleich hierzu liefert die Berechnung nach der Finite-Elemente-Methode einen besseren Gesamt-Überblick. Innerhalb der zu untersuchenden Baugruppe werden überall die Spannungen ermittelt und dargestellt, so dass in einem einzigen Durchlauf nicht nur ein einziges lokales Spannungsmaximum erkannt und bearbeitet werden kann, sondern auch alle weiteren Bereiche, deren Spannungsniveau sich in kritischen Regionen befindet.

Die Kosten eines Produktes werden vielfach auch durch das Material mitbestimmt

Die Stahlpreise haben sich seit 2000 mehr als verdoppelt, der zunehmende Ressourcenbedarf wird langfristig ein sinkendes Preisniveau für Rohstoffe verhindern. Die FEM-Berechnung erlaubt es, Bauteile hinsichtlich Festigkeit zu überprüfen. Überdimensionierungen gehören damit der Vergangenheit an. Überflüssiges Material kann eingespart und das Gewicht minimiert werden. (Bild 2)

Gerade bei schnell bewegten Strukturen wie z. B. Bestückungsautomaten oder Robotern kann dadurch der Antrieb verkleinert werden, was zusätzliche Kostenreduzierungen nach sich zieht. Geringeres Gewicht erfordert geringe Antriebsleistung, so dass auch der Energieverbrauch reduziert wird. Als mögliche Alternative können kostengünstigere oder leichtere Werkstoffe (Kunststoffe, Leichtmetalle) in einer Simulation sehr schnell auf ihre Tauglichkeit getestet werden.

Neben dem Materialeinsatz selbst spielt auch die Verarbeitung eine wichtige Rolle. Große Schweiß-Strukturen, bei denen Wandstärken reduziert werden können, helfen nicht nur Gewicht einzusparen, sondern minimieren auch die Größe der Schweißnähte und damit die Fertigungskosten.

Eine weitere Möglichkeit neue Designs zu finden ist die Topologie-Optimierung

Dabei wird ein Design-Raum definiert, innerhalb dessen Material an den Stellen entfernt wird, an denen die Steifigkeit am wenigsten beeinflusst wird. Bei Guss-Bauteilen wird diese Methode in der Automobil-Industrie als Standard-Verfahren bereits seit einigen Jahren eingesetzt. Aber auch im Werkzeugmaschinenbau werden zunehmend komplexe Maschinenbetten auf dieser Methode basierend entwickelt. Für den Rahmen einer C-Presse, der ursprünglich mit einer geschlossenen Rückwand entworfen wurde, wäre nach der traditionellen Methode – Bauchgefühl und Erfahrung – eine verbesserte Formgebung durch eine außen umlaufende Materialanordnung umgesetzt worden. (Bild 3a)

Setzt man die Topologie-Optimierung ein, kann man bei gegebener Belastung für diese Rückwand eine Materialreduktion (hier 30%) festlegen. Über mehrere Berechnungsschritte ermittelt ANSYS DesignSpace diejenige Form, die mit dem verbleibenden Restmaterial die beste Steifigkeit besitzt. (Bild 3b)

Diese auf den ersten Blick etwas ungewöhnliche Struktur erklärt sich dadurch, dass im mittleren Bereich der Rückwand die Biegung durch das Aufweiten der C-Presse am größten ist, während am oberen Ende ein Zugstab die seitliche Deformation des Rahmens verhindern hilft, wie man am Rahmen ohne Rückwand gut erkennen kann. (Bild 3c)

Solche Topologie-Optimierungen machen vor allem dann Sinn, wenn die Struktur der zu entwickelnden Bauteile belastungsgerecht konstruiert werden kann. Das ist beispielsweise bei Guss-Bauteilen der Fall, weil dort die Formgebung durch das Fertigungsverfahren vergleichsweise frei ist.

Eine einfache und effektive Handhabung

Wichtig für die konstruktionsbegleitende FEM-Berechnung für den Anwender – gerade bei sporadischer Nutzung – ist eine einfache und effektive Handhabung. Gut gestaltete Systeme haben entsprechende Assistenten, die den Anwender Schritt für Schritt über die Modell-Definition begleiten. Das Modell wird durch einen Strukturbaum definiert, der über Symbole zeigt, ob die Modelldefinition komplett und fehlerfrei ist. Das FEM-System wird dadurch intuitiv bedienbar und kann nach kurzem Training sicher angewandt werden. Statt Berechnungsaufträge nach außen zu vergeben, kann der Konstrukteur mit solchen Werkzeugen heute viele seiner Konstruktionen selbst unter die Lupe nehmen.

Die Abstimmung mit Berechnungsdienstleistern entfällt teilweise und mit den Erkenntnissen aus der Simulation erhält der berechnende Konstrukteur ein besseres Gespür für das Verhalten seiner Bauteile. Bei ähnlichen Aufgabenstellungen werden so von vornherein die effektiven Lösungsansätze bevorzugt, so dass der Einsatz der Simulation auch einen indirekten Wert - die Erfahrung des Konstrukteurs - steigert.

Vorteil: vom Anwender schneller durchzuführen

Gegenüber der traditionellen Vorgehensweise, Bauteile nach Erfahrungswerten, Berechungshandbüchern oder Berechnungen von Hand auszulegen, hat die konstruktions-begleitende Berechnung den Vorteil, dass sie vom Anwender schneller durchzuführen ist, dass die Genauigkeit höher ist und dass der Anwender ein besseres Verständnis für das Verhalten seiner Bauteile bekommt.

Setzt der Entwickler die Simulation bereits sehr früh im Entwicklungsprozess ein, kann er mögliche Schwachstellen auch sehr früh erkennen und durch konstruktive Maßnahmen verhindern. Der frühzeitige Einsatz von FEM bereits in der Konstruktion hilft also, Prototypen einzusparen, Fehler zu vermeiden und damit die Faktoren Zeit und Kosten als Wettbewerbsvorteil für sich zu nutzen.

(ID:274780)