CAE-Werkzeuge helfen beim schnelleren und kostengünstigeren Entwickeln

Für jedes in der Produktentwicklung tätige Unternehmen ist Innovation eine anspruchsvolle Aufgabe. Quer durch alle Industrien stehen Ingenieursteams immer wieder vor der Herausforderung, innovative und zunehmend komplexere Produkte zu gestalten und dabei gleichzeitig alle möglichen Anforderungen zu erfüllen, wie zum Beispiel Zielkosten, Zeitvorgaben, regulatorische Vorgaben und vor allem eine verbesserte Produktleistung. Als wäre das nicht schon genug, sind diese Anforderungen dazu einer ständigen Weiterentwicklung unterworfen.

Doch glücklicherweise gibt es für diese Herausforderungen eine Lösung: CAE-Werkzeuge (CAE steht für: Computer Aided Engineering), wie zum Beispiel die Altair HyperWorks Suite, erleichtern computergestützte Simulation, die zur Lösung aller möglichen technischen Aufgaben herangezogen werden können. Dies hilft Produktentwicklern dabei, ihre Designziele zu erreichen und gleichzeitig Kosten zu reduzieren und Markteinführungszeiten zu verkürzen. Simulation ist keine neue Methode. Tausende von Unternehmen haben in den letzten Jahren verschiedenste Simulationswerkzeuge eingesetzt, um ihre Entwicklungsprozesse und Produkte zu verbessern. Auf der anderen Seite gab und gibt es jedoch auch viele Unternehmen, die angesichts des Implementierungsaufwandes und der damit verbundenen Kosten oder mangels qualifizierter Mitarbeiter darauf verzichteten, Simulation zu nutzen. Diese Unternehmen haben noch nicht erkannt, dass ihnen CAE-Werkzeuge dabei helfen können, innovative Produkte zu entwickeln, während sie gleichzeitig helfen, Kosten zu senken und Entwicklungszyklen zu verkürzen.

Bei einer 2017 in Deutschland durchgeführten Studie des VMDA stellte sich heraus, dass eines von zwei Unternehmen seine Entwicklungszeiten mit CAE verkürzen könnte. Unternehmen aus unterschiedlichen Industrien können also von der Simulation und einem virtuellen, simulationsgetriebenem Entwicklungsprozess, bei dem Simulationstools und -methoden von Beginn an zum Einsatz kommen, profitieren – wie die folgenden Beispiele zeigen. Denn kommt ein simulationsgetriebener Entwicklungsprozess zum Einsatz, kann dies einen Innovationsschub für das gesamte Unternehmen und dessen Produkte bedeuten.

Der Werkzeugbau zeichnet sich im Allgemeinen durch teure, maßgeschneiderte und daher zeitaufwendige Einzelanfertigungen aus. Der 3D-Druck bietet jedoch die Möglichkeit, Formen und Bauteile schneller herzustellen, die sich mittels traditioneller Herstellungsverfahren so nicht fertigen lassen. Daher bietet er sich gut für die Fertigung von Werkzeugen an. Protiq, ein Phoenix-Unternehmen und Dienstleister für die additive Fertigung, stand vor der Herausforderung, die Produktivität der Werkzeugmaschinenherstellung im Bereich Spritzguss zu steigern. Dazu wollte das Unternehmen die Vorteile des 3D-Druckes nutzen, um effizientere Werkzeuge zu fertigen. Mit Unterstützung des Altair-Consulting-Teams setzte das Unternehmen Simulationswerkzeuge ein, um einen simulationsgetriebenen Entwicklungsprozess zu implementieren. Dieser sollte dabei helfen, schnell eine neue, ideale und für den 3D-Druck geeignete Form für das betreffende Spritzgusswerkzeug zu finden.

Im Entwicklungsprozess wurden als Erstes die physikalischen Eigenschaften des Werkzeuges in einer benutzerfreundlichen Simulationsumgebung erfasst. Dabei definierten die Altair-Ingenieure die für das Werkzeug maßgeblichen Materialeigenschaften und Lastfall-Szenarios. Anschließend verwendeten die Ingenieure Softwarewerkzeuge der Altair HyperWorks Suite, um das neue, optimierte Design des Werkzeuges zu erstellen. Altair OptiStruct, der Finite Element Solver der Altair HyperWorks Suite, der auch in der Altair-Inspire-Simulationsumgebung enthalten ist, kam hier für die Topologieoptimierung zum Einsatz, um dieses neue, für 3D-Druck geeignete Design zu entwickeln. Das optimierte Design konnte mittels FE-Analyse validiert werden. Dabei kam wiederum Altair OptiStruct zum Einsatz. Parallel dazu simulierten die Altair-Ingenieure die Temperierung des Werkzeugs mit Altair AcuSolve, dem CFD-Werkzeug der Software Suite, sodass sich auch eine Aussage über das Abkühlverhalten des hergestellten Produktes und die Zykluszeiten treffen ließ. Die finale Spritzgussform wurde dann mittels 3D-Druck gefertigt, sodass die komplexe Struktur umgesetzt werden konnte. Das Ergebnis war ein Werkzeug, das 75 Prozent leichter war als das vor einigen Jahren mit konventionellen Methoden erstellte Ursprungswerkzeug. Darüber hinaus konnte eine konturnahe Temperierung integriert werden, was zu einer drastischen Verkürzung der Zykluszeit führte. Die Durchlaufzeit zum Bau des Werkzeuges wurde um rund 25 Prozent reduziert, da die Ingenieure einzelne Funktionen bereits im 3D-Druck integrieren konnten. Da zusätzlich die manuelle Endmontage des Werkzeuges verkürzt wurde, ließen sich die Produktionskosten des Werkzeuges ebenfalls senkten.

Wenn Fahrgäste sich auf das Dach moderner Wolkenkratzer begeben wollen, müssen sie auf dem Weg dorthin den Fahrstuhl wechseln. Grund dafür ist die durch das Kabelsystem bedingte Höhenbegrenzung traditioneller Fahrstühle von etwa 700 Metern. Im Jahr 2017 wollte Thyssenkrupp Elevator, eines der weltweit führenden Aufzugsunternehmen, ein neues Aufzugsystem entwickeln, das sich elektromagnetischer Antriebe anstelle von Kabeln bedient, um die Höhenbegrenzungen zu überwinden und so ermöglichen, dass der Aufzug sich sowohl horizontal als auch vertikal bewegen kann. Hierbei ist Gewicht ein wichtiger Faktor, da ein Aufzug während der Fahrt häufig beschleunigt und abbremst. Eine der Herausforderungen war es deshalb, das neue Design so leicht wie möglich zu machen, um die Traglast der Kabinen zu maximieren. Thyssenkrupp wandte sich an den Leichtbau-Experten für Strukturdesign Altair und beauftragte das Unternehmen, die Ingenieure dabei zu unterstützen, die Stützstruktur für die Kabine neu zu entwickeln. Die Altair-Ingenieure implementierten einen dreistufigen Optimierungsprozess, ermittelten den Bauraum der Kabine und kombinierten diesen mit Daten der zu erwartenden Lasten, denen die Kabine während der Nutzung ausgesetzt ist. OptiStruct lieferte einen Designvorschlag, auf dessen Grundlage ein herstellbares Design entstand. In einem zweiten Schritt konnten die Profile und die Wandstärken optimiert werden, um die ideale Auslegung für verschiedene Materialkombinationen zu ermitteln. In der letzten Projektphase untersuchte Thyssenkrupp Elevator neue Materialien und prüfte den Einsatz von Karbonfaserstrukturen für die Kabinenwände. Altair entwickelte und implementierte eine Optimierungsmethode, die nicht nur die ideale Materialstärke des Verbundmaterials finden sollte, sondern dabei auch die idealen Formen der Faserlagen und die Schichtorientierung jeder Lage berücksichtigt. Anwendung fanden diese Prozesse in zwei Konzeptdesigns von Thyssenkrupp, bekannt unter den Bezeichnungen BackPack (Rucksackkonzept) und SideGuide (Seitenführungskonzept), mit dem Ziel, mit einer Entscheidung für das beste System die Entwicklung weiter voranzutreiben.

Die Ergebnisse dieses Projektes waren beeindruckend: Die Konzeptoptimierung der BackPack-Struktur in Kombination mit der Sizing-Optimierung der Sandwichpaneele der Wände führte bei der Kabine zu einer Gewichtsreduzierung von 42 Prozent. Außerdem zeigte sich, dass die Verwendung von Karbonfasermaterial für die Wände der Aufzugkabine zu einer noch drastischeren Gewichtsreduzierung von 56 Prozent unterhalb des Gewichtziels führen würde. Auch das Seitenführungskonzept lieferte die gewünschten Gewichtseinsparungen. Hier lagen die Ergebnisse bei Verwendung traditioneller Werkstoffe bei 16 Prozent unter dem angestrebten Gewichtsziel und bei 33 Prozent, sollte Kohlefaser verwendet werden.

Wie in den Beispielen oben gezeigt, kann die Steigerung von Innovation, Produktleistung und Kundenzufriedenheit Hand in Hand mit verkürzten Entwicklungszeiten geringeren Herstellungsrisiken und reduzierten Gesamtentwicklungskosten gehen. CAE-Werkzeuge wie die Simulations- und Optimierungstools von Altair HyperWorks bieten dabei zahlreiche Möglichkeiten, um die Entwicklung von innovativen Produkten von der Konzeptphase bis zur Serienproduktion zu fördern. Indem Test, Design und Simulation und die Implementierung eines simulationsgetriebenen Designprozesses von Anfang an kombiniert werden, lässt sich der gesamte Prozess verschlanken und so Innovation fördern. Damit gibt man allen Industrien und Unternehmen, die Simulation einsetzen, das wertvollste Gut an die Hand: den Wettbewerbsvorteil, mit einer innovativen Produktentwicklung die Nase vorn und zufriedene Kunden zu haben. aru