Simulation als unverzichtbares Werkzeug für Konstrukteure

Landshuter CAE-Forum zeigt Anwendungsmöglichkeiten von Simulations-Software für die Konstruktion

Gerade für Konstrukteure stellen die vorhandenen CAE-Software-Pakete eine nicht mehr wegzudenkende Hilfestellung dar. Die Referenten des 5. Landshuter CAE-Forums ermunterten die anwesenden Teilnehmer, vom ersten Designentwurf bis hin zur fertigen Konstruktion auf die verfügbaren Simulationstools zu setzen. Allerdings wurde auch deutlich, dass für automatisierte Berechnungen die richtigen Parameter die Grundlage darstellen. Gerade bei komplexeren Geometrien oder bei den Fertigungsrestriktionen wird zusätzliches Know-How nötig, das häufig nur Experten wie Berechnungsingenieure liefern können.

Prof. Dr. Holger Timinger, Vizepräsident der Hochschule Landshut, betonte in seiner Begrüßung die Bedeutung des bilateralen Transfers zwischen Hochschule und Wirtschaft, um wissenschaftliche Erkenntnisse an Unternehmen weiterzugeben und umgekehrt deren Fragestellungen an die Hochschule heranzutragen. Das Landshuter CAE-Forum lebe diesen Gedanken vorbildlich. Das mittlerweile 5. Landshuter CAE-Forum am 30. Mai 2017 (Hochschule Landshut) befasst sich mit dem Thema "Berechnung und Simulation als Grundlage einer fertigungsoptimierten Konstruktion". Software-Lösungen und ihre Möglichkeiten bei der simulierten Konstruktion wurden bei der Veranstaltung ebenso vorgestellt, wie Erkenntnisse aus Industrie und Hochschule. Veranstaltet wird das Landshuter CAE-Forum vom Institut für technologiebasierte Zusammenarbeit der Hochschule unter wissenschaftlicher Leitung von Prof. Dr. Detlev Maurer und in Kooperation mit dem CAE-Forum.

Simulations-Software eröffnet Konstrukteuren vielfältige Designvarianten

Das Thema des Computer Aided Engineerings CAE und der virtuellen Produktentwicklung gibt es schon relativ lange, sei aber gerade bei der Konstruktion nicht mehr wegzudenken, wie Ralf Paßmann (TechniaTranscat GmbH, Karlsruhe) in seinem Vortrag über konstruktionsintegrierte Simulation erklärte. Man könne schneller, bei mehr Designvarianten und weniger Prototypen zu verbesserten Produkten kommen.Ein wichtiger Vorteil der konstruktionsintegrieren Simulation liege auch darin, alles in einer Umgebung entwickeln zu können. Er zeigte am Beispiel von CATIA, die weitreichenden Möglichkeiten der verschiedenen Module für Konstrukteure im Bereich von Produktdesign und -entwicklung, betonte aber auch, dass bei komplexen Geometrien das Know-how von Entwicklungsingenieuren gefragt sei. Auch solle die Berechnung per Software nicht als Black Box durchgeführt werden: je näher Sie an der Physik sind, desto besser ist die Konvergenz, wie Paßmann anmerkte.

Auch für Marc Vidal (CADFEM GmbH, Grafing b. München) sollte die Physik nach wie vor die Grundlage darstellen. Er zeigte die vielen Optionen der Berechnungssoftware ANSYS und betonte, jeder, der am Entwicklungsprozess beteilig ist, sollte in der Lage sein, ein Simulationswerkzeug zu verwenden; dies stelle einen wichtigen Erfolgsfaktor für Unternehmen dar. Alle würden auf der gleichen Basis arbeiten, man könne in der Konstruktion schnell Antworten erhalten, ob ein Entwurf funktioniert, und Optimierungen vornehmen. Er stellt Templates und Workflows zu verschiedenen praktischen Aufgabenstellungen von der Strukturmechanik über die Elektromagnetik bis zu Temperaturfeldern vor.

Einen Ausschnitt der Möglichkeiten von HyperWorks bzw. solidThinking, das gerade für Konstrukteure vielfältige Optionen biete, zeigte Dr. Matthias Gölke (Altair Engineering GmbH, München). Er befasste sich mit dem Design für Additive Manufacturing und der Topologieoptimierung ausgehend von einem ersten Designentwurf, der dann vom Konstrukteur optimiert und schließlich in der Feinoptimierung weiter konkretisiert wird. Gerade die Kombination von Topologieoptimierung und 3D-Druck ermögliche neue Freiheiten, die das Design verändern, wie er erklärte. Berücksichtigt müssten dabei aber u.a. die erforderlichen Stützstrukturen werden, gerade für die Additive Fertigung werde eine neue Software-Version deutliche Verbesserungen bringen.

Schadensanalyse mit Hilfe von CAD-Systemen

Am Beispiel eines gebrochenen Alu-Kettenblattes eines „Dirtbikes“ verdeutlichte Prof. Dr. Raimund Kreis (Hochschule Landshut), wie die Konstruktion und Berechnung, bzw. die Dimensionierung des Bauteils hätte erfolgen müssen, um den Schaden zu vermeiden. Per Reverse Engineering wurde das Bauteil nachkonstruiert und die Lastfälle simuliert sowie der Schadensverlauf analysiert. Neben der Konstruktion - anstatt das Kettenblatt mit nur einer Schraube zu fixieren wären mehrere Haltepunkte sinnvoll, um die Lasten zu senken - spielen gerade die Materialkennwerte und die Dimensionierung dabei eine wichtige Rolle. Nicht jedes eingesparte Gramm um eine Gewichtsminimierung vorzunehmen sei dabei sinnvoll, wie Prof. Dr. Kreis erläuterte. Insgesamt gibt auch er zu bedenken, dass bei der Konstruktion von Bauteilen Grundkenntnisse wichtig seien, in verschiedenen Anwendungsfeldern aber Expertenwissen unerlässlich sei.

Komplexe Geometrien und Prozesse erfordern tiefgreifendes Know-how

Wie komplex Konstruktion sein kann, zeigte Matthias Hecht (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Weßling) am Beispiel der Entwicklung von Forschungsraketen. Diese werden in Höhen von 80 bis 1.500 Kilometern z.B. für Untersuchungen im Bereich der Mikrogravitation eingesetzt. Dabei müssten die mechanischen und elektrischen Systeme ebenso entwickelt werden wie die Regelungstechnik oder das Raketensystem unter Berücksichtigung der Flugdynamik. Bei der Simulation kämen dabei Spezialtools in Einsatz, die ein „normaler“ Entwicklungsingenieur kaum nutze und die teilweise vom DLR selbst (mit-)entwickelt werden, z.B. Missile DatCom für die Raketenaerodynamik, Tau-Code für die Strömungsmechanik oder auch ASTOS zur Flugbahnberechnung. Dabei sei vielfältiges Expertenwissen nötig, Die Aufgabe des CAE-Prozesses liege hier darin, die unterschiedlichen Abteilungen inklusive ihrer Mitarbeiter und deren CAE-Programme optimal zu verknüpfen, der Fokus liege auf einem schnellen, flexiblen und aussagekräftigen CAE-Prozess.

Robert Dienemann (Bergische Universität Wuppertal) befasste sich in seinem Vortrag mit der Entwicklung einer Optimierungsmethodik für die Form- und Topologieoptimierung von tiefziehbaren Blechstrukturen. Das Ziel des Forschungsprojektes lautete, optimale Mittelflächen, Wandstärken, Aussparungen, Sicken in vorgegebenem Bauraum unter Berücksichtigung des Fertigungsprozesses per Simulation zu berechnen. Dies unter Einhaltung von Restriktionen wie Festigkeit, Steifigkeit, Volumen, Masse, Knotenverschiebung, Eigenfrequenz sowie Beulen. Die Ergebnisse ermöglichen eine Implementierung der Tiefziehsimulation in die Optimierung.

Abschließend hob auch Dirk Pieper vom Mitveranstalter CAE-Forum die Bedeutung des Austausches unter „Berechnern“ hervor, für das das Landshuter CAE-Forum mit der begleitenden Fachausstellung wieder eine hervorragende Gelegenheit geboten habe. Nach dem anschließenden Get Together lud er die Teilnehmer zum Simulations-Stammtisch ein.