Unternehmensführung

Höhere Materialeffizienz durch verbesserte Konstruktion mit Hilfe rechnergestützter Simulation

Optimiert auch das Budget

Materialkosten sind im produzierenden Gewerbe der größte Kostenblock. Das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME), eine der Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen im Innovationscluster Metall-Keramik-Kunststoff (IMKK), unterstützt kleine und mittelständische Unternehmen bei der Optimierung von Bauteilen mittels strukturmechanischer Simulation.

Neben Metallen können auch weitere Werkstoffe wie Kunststoffe oder Keramiken mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert werden, um die Materialeffizienz zu steigern. „Mit rund 45 Prozent machen die Materialkosten den größten Anteil an den Gesamtproduktionskosten der metallverarbeitenden Unternehmen aus“, erklärt Dr. Ralf Polzin, Geschäftsführer des TIME. „Die Optimierung von Bauteilen bietet folglich enorme Einsparpotenziale für produzierende Unternehmen.“ Eine erhöhte Materialeffizienz ermöglicht es, mit geringerem beziehungsweise gleichem Materialeinsatz die gleiche beziehungsweise größere Menge an Produkten herzustellen. Dies wirkt sich nicht nur auf den Geschäftserfolg aus, sondern schont zusätzlich Umwelt und Ressourcen. Das Technologie-Institut unterstützt kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) im nördlichen Rheinland-Pfalz, Bauteile oder Baugruppen durch die Simulation mithilfe der Software ANSYS zu optimieren. Untersucht werden nicht nur Konstruktionen aus Metall, sondern auch aus Kunststoff oder Keramik. Unter mechanischen Lasten und/oder Temperaturlasten führt das TIME Verformungsanalysen, Festigkeitsnachweise oder Bauteiloptimierungen durch. Ziel ist die maximale Ausnutzung des vorhandenen Materials. Verformungs- und Festigkeitsanalysen einzelner Bauteile können mithilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) erstellt werden.

Verformungsanalyse: Gute Steifigkeit mit weniger Material

Mit der Verformungsanalyse prüft das TIME beispielsweise bei Maschinen die Toleranzgrenze der Verformung von Bauteilen. Eine Verformungsanalyse wird ausschließlich dann durchgeführt, wenn bekannt ist, dass die innerhalb der Konstruktion auftretenden Spannungen unkritisch sind. Durch Betrachtung der Verformungen können konstruktive Merkmale von Anlagen oder Bauteilen, beispielsweise durch Änderung der Wanddicke oder geometrischen Verteilung des Materials, so modifiziert werden, dass mit möglichst wenig Material eine sehr gute Steifigkeit herbeigeführt werden kann.

Festigkeitsnachweis: Optimale Dimensionierung mittels Simulation

Lange Zeit wurden Bauteile mit notwendigen Sicherheitsaufschlägen konstruiert. Der steigende Kostendruck zwingt Unternehmen zu einem effizienten Umgang mit dem Material. Die Dimensionierung von Bauteilen muss zwar den Sicherheitsanforderungen entsprechen, eine Überdimensionierung sollte jedoch vermieden werden. Mithilfe der FEM-Berechnung werden Bauteile in puncto sichere Konstruktionen auf ihre maximale Beanspruchung hin untersucht. Die kostenintensive Herstellung versagender oder überdimensionierter Prototypen entfällt im Normalfall. Zur Überprüfung der Randbedingungen wird das geometrische Modell der Konstruktion zunächst grob vernetzt, also in kleine Elemente aufgeteilt, die mittels gemeinsamer Knoten verbunden sind. Mit dieser groben, aber schnell durchlaufenden Berechnung können die kritischen Stellen mit den maximalen Spannungen des Bauteils ermittelt werden. Diese werden so lange mit feineren Elementen vernetzt, bis die ermittelten Ergebnisse hinreichend genau sind. Ist das konstruierte Bauteil nicht ausreichend dimensioniert, muss eine Umkonstruktion erfolgen, um eine geringere Beanspruchung zu erzielen.

Optimierung von Bauteilen

Bei der Optimierung von Bauteilen oder Anlagen werden zunächst die Randbedingungen sowie der Bauraum festgelegt. Sind keine weiteren Beschränkungen vorhanden, empfiehlt sich eine Topologieoptimierung. Hierbei kann die Software bei vorgegebenem Bauraum und festgelegten Lasteinleitungspunkten sehr einfach die Elemente des vernetzten Bauteils, die am wenigsten zur Steifigkeit beitragen, entfernen. Die Topologieoptimierung bietet sich besonders für Konstruktionen an, die ein niedriges Gewicht erreichen sollen. Oft existieren jedoch weitere Beschränkungen, zum Beispiel hinsichtlich der Materialauswahl oder der zu verwendenden Komponenten. Gestartet wird dann mit einer Ist-Analyse der vorhandenen Konstruktion.

Diese Analyse zeigt die Schwachstellen sowie Bereiche, in denen das Material nicht ausgenutzt wird. Das Bauteil kann optimiert und Material eingespart werden, indem in Bereichen hoher Beanspruchung das Material verstärkt wird. Gleichzeitig wird es dort geschwächt, wo das Material nicht ausgenutzt wird. Iterative Schleifen der FE-Analyse und konstruktiven Anpassung erfolgen so lange, bis das Ergebnis zufriedenstellend ist.

Praxisabgleich ist unerlässlich

FEM-Berechnungen weisen einen sehr hohen Zuverlässigkeitsgrad auf. Um einen sicheren Abgleich mit der Praxis zu ermitteln, sollten zusätzlich zur Simulation stets Bauteilversuche erfolgen. Im Idealfall geschieht dies mit Messungen am Bauteil zur Verifikation der Berechnungen. Das TIME ermittelt die Beanspruchung des Werkstoffs zusätzlich mit Dehnungsmessstreifen. Zahlreiche Projektbeispiele zeigen, dass sich die Analyse lohnt: Durch die Optimierung einer bestehenden Bauteilblechkonstruktion konnten 27 Prozent Material eingespart werden. Die Simulationsunterstützung bei der Neukonstruktion einer bestehenden Anlage realisierte 18 Prozent Materialeinsparung und die Optimierung einer Bauteilgruppe erreichte bei gleicher Baugröße eine 15 Prozent höhere Belastbarkeit.

Mittels Modalanalyse ermittelte Verformungen durch die Eigenfrequenzen einer Riemenscheibe unter Belastung.
 
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