Aufrufe
vor 1 Jahr

DER KONSTRUKTEUR 4/2016

DER KONSTRUKTEUR 4/2016

WERKSTOFFTECHNIK

WERKSTOFFTECHNIK Digitale Berechenbarkeit Was genaue Materialdaten in der Konzeptphase einer Bauteilentwicklung bedeuten Andreas Wüst Ein Ingenieur muss Annahmen treffen, in jeder Projektphase und bei vielen Entscheidungen im Rahmen jeder Bauteilentwicklung. Ein wichtiges Kriterium für den Erfolg ist dabei die Güte der ge troffenen Annahmen. Welche Informationen sind essentiell, welche vernachlässigbar und wo lohnt es sich genauer hinzusehen. Sind die relevanten Informationen überhaupt verfügbar, woher kommen sie und was kosten sie bezüglich Zeit und Geld? Genaue Materialdaten sind meist verfügbar, werden aber oft zu wenig genutzt. Effizienter lässt sich die Bauteilentwicklung deshalb gestalten, wenn die „digitale Berechenbarkeit“ eines Materials bereits in der Konzeptphase berücksichtigt wird. Andreas Wüst, Simulation Engineering, Ultrasim, Performance Materials Europe, BASF SE, Ludwigshafen Betrachtet man den modernen digital unterstützten Entwicklungsprozess eines Struktur-Bauteils, z. B. aus thermoplastischem Kunststoff, so fällt die stark zunehmende, massive Anwendung numerischer Simulationsmethoden bereits in frühen Entwicklungsphasen auf. Bei Strukturbauteilen beispielsweise hat sich die numerische Topologieoptimierung in den letzten Jahren zu einem Standardtool entwickelt. Zahlreiche Softwarepakete bieten teilweise bereits direkt aus dem CAD-System heraus die Möglichkeit, Lastpfade zu erkennen und somit bereits bei der allerersten Geometrie den richtigen Weg einzuschlagen. Nur lastpfadgerechte Konstruktionen sind der Schlüssel zum Leichtbau. Genügen bei einer solchen, meist geometrisch linearen Berechnung, noch lineare Materialkennwerte, benötigt der Entwickler in der nächsten Phase bereits detailliertere Informationen über das Material. Aus der Interpretation des Ergebnisses der Topologieoptimierung entsteht Geometrie, die sich direkt für eine mechanische Analyse mittels FE-Methoden nutzen lässt. Dazu muss jedoch zumindest die Materialklasse feststehen, die sich aus Erfahrung für den Einsatzzweck eignet. Auch der Prozesseinfluss bei der Herstellung, z. B. im Spritzgussverfahren, kann und sollte frühzeitig betrachtet werden. Entformungsrichtung(en), Schieber, Angusskonzept, mögliche Bindenähte haben gerade bei glasfasergefüllten Thermoplasten einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Der Konstrukteur sollte die sich während der Füllung ausbildende Faserorientierungsverteilung mit geeigneten Softwaretools hier schon berücksichtigen. Auch der zu erwartende Verzug lässt sich zumindest abschätzen. Bauteilentwicklung ohne Materialdaten? Hier fangen die Probleme mit den Materialdaten für den Entwicklungsingenieur an. Entweder steht die Auswahl des Materials in einer solchen frühen Phase einer Bauteilentwicklung noch gar nicht fest, oder der genaue Materiallieferant ist noch nicht nominiert. Woher kommen also zu diesem Zeitpunkt die benötigten Daten? Eine erste Informationsquelle bieten öffentlich zugängliche Materialdatenbanken 94 Der Konstrukteur 4/2016

WERKSTOFFTECHNIK Schritt 1: Topologie-Optimierung Schritt 2: Gestalt-Optimierung 01 Mathematische Bauteiloptimierung: Verfeinerung der Bauteilgestalt am Computer in zwei Schritten wie z. B. CAMPUS. Standardisierte Prüfungen gewährleisten als ersten Schritt zunächst eine Vergleichbarkeit der Materialien. Nicht immer reichen die Standardtests für eine Bauteilentwicklung aus. Wie ist die Dehnratenabhängigkeit des Materials bei einer Belastung mit höherer Verformungsgeschwindigkeit, z. B. im Crash? Wie sind die Spannungs-Dehnungswerte quer zur Faserrichtung, also senkrecht zu der im CAMPUS Probestab prozessbedingt vorliegenden hohen Längs-Ausrichtung der Fasern? Wie ist der Einfluss der Umgebungsbedingungen, z. B. von Temperatur und Feuchte? Verhält sich das Material unter Druck anders als unter Zug? Wie kann man das Versagen des Werkstoffs am besten beschreiben? Wie beschreibe ich alle diese Eigenschaften im verwendeten FE Softwaretool zur Mechanikanalyse? Soweit gehen die Informationen in den Materialdatenbanken meist bei weitem nicht. Daraus ergibt sich ein Dilemma: Nur wer zu diesem Zeitpunkt schon auf gute Materialdaten und entsprechende qualitativ hochwertige Materialmodelle zurückgreifen kann, wird auch in der Lage sein ein gutes, d. h. richtig dimensioniertes Bauteil zu ent- 02 Füllsimulation und reales Füllverhalten eines Testkörpers zur Ermittlung von Ermüdungsverhalten. Die Simulation mit optimierten Materialdaten für den verwendeten Spezialkunststoff gibt den Verlauf des Füllens exakt wieder. wickeln. In der Realität ist dieser Zusammenhang in den Entwicklungsabteilungen meist nur zu gut bekannt. Daher besteht dort ein natürlicher Druck, den Werkstoff für eine bestimmte Anwendung frühzeitig festzulegen und die damit verbundene, Gute Bauteile entstehen aus guten Materialdaten notwendige Entwicklungsunterstützung durch den Lieferanten möglichst frühzeitig zu erhalten. Die Planungseinheiten des Unternehmens, die sich mit der Beschaffung der Materialien beschäftigen, müssen jedoch andere Ziele im Fokus haben. Hier spielt der Materialpreis verständlicherweise eine zentrale Rolle, was erfahrungsgemäß die Auswahl von Werkstoff und Lieferant verzögert. Das geht wiederum auf Kosten des Entwicklers, der bis zur Nominierung des Lieferanten nur mit unscharfen Daten dimensionieren kann. Digitale Berechenbarkeit – eine Materialeigenschaft Für eine ganzheitliche Betrachtung des Entwicklungsprozesses wird also eine neue Eigenschaft immer wichtiger, die „digitale Berechenbarkeit“. Das ist die Kenntnis des Werkstoffs über vorhandene, frei zugängliche Materialdatenbanken hinaus sowie eine digitale Beschreibung der kennzeichnenden Materialeigenschaften inklusive einer angepassten numerischen Beschreibung für CAE-Prozesse. Oftmals sind in den Anforderungslisten, die die Bauteilhersteller für ihre Materiallieferanten bindend formulieren, zwar bereits Der Konstrukteur 4/2016 95

AUSGABE