gesponsertFEM Sicherheit, bevor das erste Muster existiert

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Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG

FEM-Simulation wirkt für viele Anwender auf den ersten Blick weit weg vom Tagesgeschäft: sie ist nicht greifbar wie ein Bauteil. Doch gerade moderne Simulationsmethoden machen das Verhalten von Verbindungen schon in der Konzeptphase sichtbar. Welche Bedeutung hat dies für den Konstrukteur?

„Was das wohl wieder kostet …“ – solche Sätze hört man gelegentlich, wenn es um FEM-Simulation geht. Auf den ersten Blick wirkt sie weit weg vom Tagesgeschäft: Sie produziert kein Teil, baut keine Maschine auf und erzielt keinen direkten Umsatz. Genau darin liegt aber ein oft unterschätzter Vorteil. Denn neue Werkstoffe, Leichtbau, Multimaterialdesigns und kurze Entwicklungszyklen erhöhen die Anforderungen an Konstrukteure. Aussagen zu Montageverhalten, Tragfähigkeit und Prozesssicherheit müssen oft schon stehen, bevor überhaupt ein erstes Musterteil verfügbar ist.Hier kommt die digitale Entwicklung ins Spiel. Moderne Simulationsmethoden machen das Verhalten von Verbindungen schon in der Konzeptphase sichtbar. Varianten lassen sich gezielt vergleichen. Ziel ist nicht, jeden späteren Messwert exakt vorherzusagen. Entscheidend sind belastbare Grundlagen für Konstruktion und Entwicklung.

Von der Annahme zur belastbaren Entscheidung

Bei neuen Verbindungsanwendungen fehlen zu Beginn oft Erfahrungswerte. Trotzdem müssen Konstrukteure Belastungen, relevante Geometrieparameter sowie Reserven bei Funktion und Festigkeit bewerten.Die Finite-Elemente-Methode (FEM) hilft dabei, diese Zusammenhänge sichtbar zu machen. Schon in der Konzeptphase können Varianten verglichen, kritische Belastungszustände erkannt und mögliche Versagensmechanismen bewertet werden. Entwicklungsrisiken werden damit deutlich früher sichtbar als allein durch Prototypenversuche. Gerade bei komplexen Anwendungen lassen sich Lösungsvarianten strukturiert bewerten, bevor Kosten für Werkzeuge, Musterfertigung oder umfangreiche Versuchsreihen entstehen.

Praxisbeispiel: Einpressmutter für ein Batteriegehäuse

Ein Beispiel kommt aus der Elektromobilität: Für ein Aluminium-Batteriegehäuse wird eine Einpressmutter benötigt. Sie muss in der Baugruppe dauerhaft hohe Betriebsbelastungen und Schwingungen aufnehmen. Gleichzeitig ist die Zeit bis zum nächsten Projektmeilenstein knapp.Bereits mit einem ersten Konstruktionsentwurf lässt sich der Fügevorgang digital simulieren. Im Fokus stehen die Geometrie der Einpressmutter, die Eigenschaften des Aluminiumbauteils sowie Fertigungstoleranzen von Vorloch und Verbindungskomponente.Die Simulation zeigt zum Beispiel, wie unterschiedliche Toleranzlagen die Einpresskräfte beeinflussen und welche Auswirkungen das auf die späteren Verbindungseigenschaften hat. Wichtige Kenngrößen sind dabei Auspresskraft und Losdrehmoment. Diese sind häufig kunden- oder anwendungsspezifisch vorgegeben.Zeigen die Berechnungen kritische Ergebnisse, lassen sich Geometrie oder Vorloch früh anpassen. Werkzeugkosten entstehen dann noch nicht, physische Muster sind auch nicht erforderlich. Entwicklungsressourcen fließen gezielt in technisch vielversprechende Varianten.

Vom Fügeprozess zur Baugruppenabsicherung

Die Bewertung endet nicht beim Einpressvorgang. Im zweiten Schritt wird das Fügeverhalten der Mutter im Aluminiumbauteil detailliert simuliert. Entscheidend sind dabei die Toleranzen des Vorlochs im Kundenbauteil und der Einpressmutter. Gemeinsam bestimmen sie den Übermaßsitz und damit die einhergehende Verbindungsgüte.Die Simulation zeigt, wie sich obere und untere Toleranzlagen auf die Einpresskraft und die spätere Verbindungsperformance auswirken. Daraus lassen sich zwei zentrale Kenngrößen ableiten: Auspresskraft und Losdrehmoment der Mutter-Blech-Verbindung. Beide Werte sind in der Regel vom Kunden vorgegeben. Das Ergebnismodell wird deshalb direkt weiterverwendet, um Auspressen und Losdrehen quasi-statisch zu bewerten. Werden die Zielwerte nicht sicher erreicht, lassen sich Geometrie oder Vorlochauslegung anpassen – bevor ein Werkzeug gebaut wird.Zusätzlich liefert die Fügesimulation Aussagen zur Belastung des Fügewerkzeugs, etwa der Matrize. Lokale Spannungsspitzen werden früh sichtbar. Das unterstützt die Werkzeugauslegung.Im dritten Schritt wird die gefügte Baugruppe aus Aluminiumbauteil, Einpressmutter und Schraube unter realitätsnahen Lastfällen untersucht. Dazu gehören unter anderem mechanische Vibrationen und zyklische Belastungen im Betrieb.Auf Basis dieses Strukturmechanik-Modells lassen sich Bauteilspannungen nach der FKM-Richtlinie bewerten. Gleichzeitig werden Vorspannkraftverlauf, Setzverhalten und Ermüdungsbeanspruchung der Verbindung sichtbar. Es entsteht eine durchgängige digitale Kette: Ergebnisse aus der Fügesimulation fließen in die Montage- und Strukturmechanik ein. So erhält der Kunde keine Einzelantworten, sondern ein stimmiges Gesamtbild der Verbindung.

Simulation und Regelwerke kombinieren

Numerische Verfahren werden besonders aussagekräftig, wenn sie mit etablierten Berechnungsmethoden und anerkannten Regelwerken kombiniert werden.In der Praxis kommen deshalb mehrere Werkzeuge parallel zum Einsatz: analytische Verbindungsauslegungen, Strukturmechanik- und Umformsimulationen sowie Festigkeitsnachweise nach anerkannten Regelwerken wie VDI 2230 oder der FKM-Richtlinie.Jede Methode beantwortet eine andere technische Frage. Analytische Berechnungen liefern eine schnelle Ersteinschätzung. Numerische Modelle zeigen lokale Spannungen, Verformungen und Kontaktbedingungen im Detail. Regelwerksnachweise schaffen eine belastbare Grundlage für technische Bewertung und Dokumentation.Erst das Zusammenspiel dieser Methoden liefert ein ganzheitliches Verständnis der späteren Verbindung.

Simulation ersetzt keine Versuche

Auch mit hoher Rechenleistung bleibt jede Simulation ein Modell der Realität. Werkstoffstreuungen, Oberflächenzustände, Reibwerte und Fertigungseinflüsse lassen sich nur begrenzt abbilden.Die Simulation ersetzt deshalb keine physische Validierung. Ihr Nutzen liegt darin, kritische Einflussgrößen früh zu erkennen, Entwicklungsrichtungen abzusichern und notwendige Iterationen zu reduzieren.Sobald geeignete Muster verfügbar sind, folgt die experimentelle Absicherung. Additiv gefertigte oder spanend hergestellte Funktionsmuster ermöglichen schon früh Einpress-, Auspress- oder Losdrehversuche. Die Messdaten helfen gleichzeitig, die Simulation zu bewerten und bei Bedarf zu kalibrieren.

Fundiertere Entscheidungen bei der Bauteilauslegung

Der größte Vorteil digitaler Entwicklungsmethoden: Wissen steht früher zur Verfügung. Erkenntnisse, die früher erst nach der Fertigung von Prototypen oder Werkzeugen vorlagen, können heute bereits in der Konzeptphase genutzt werden.Für Konstrukteure bedeutet das fundiertere Entscheidungen bei der Bauteilauslegung, eine frühere Bewertung technischer Risiken und eine gezieltere Versuchsplanung. Simulation, Regelwerksnachweise und experimentelle Validierung stehen nicht im Wettbewerb. Sie ergänzen sich zu einer durchgängigen Entwicklungskette.So entstehen belastbare technische Entscheidungsgrundlagen, lange bevor das erste Serienwerkzeug gefertigt oder der erste Prototyp aufgebaut wird.