ELANO

Problemstellung
Bei der Herstellung von Leichtbauprodukten sind die Kosten häufig ein kritischer Faktor. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Fertigung sind daher auch ein Schwerpunkt des vorliegenden Verbundprojekts. Da die Festlegung der Kosten für die Produkte zum größten Teil in der Entwicklungsphase erfolgt, müssen in einem möglichst frühen Stadium modernste innovative Werkzeuge eingesetzt werden, die speziell an die Erfordernisse und Probleme des Ultra-Leichtbaus angepasst sind und die eine möglichst exakte Vorhersage des Verhaltens des physikalischen Bauteils erlauben. Gerade die klassischen Maschinenelemente, die bislang noch nicht unter dem Aspekt des Leichtbaus betrachtet wurden, bergen große Potentiale, um die Haltbarkeit zu sichern, Steifigkeit zu steigern und durch Massenreduktion bewegter Einheiten die dynamischen Eigenschaften positiv zu beeinflussen.

Projektziel
In diesem Projekt wurde mit einer interdisziplinären Strukturoptimierung unter Einsatz numerischer Methoden eine durchgängige Prozesskette zur Entwicklung und Konstruktion leichter, steifer, haltbarer und trotzdem wirtschaftlich herstellbarer Produkte realisiert.
Neue Formen und neue Materialien bestimmen das Design der neuen Leichtbauprodukte. Neue Materialien erfordern genaue Ansätze der physikalischen Materialbeschreibung. Lineare Ansätze sind oft nicht mehr ausreichend und müssen durch realitätsnahe, nichtlineare Analyseansätze ersetzt werden. Leichtbau heißt Reduktion des Gewichts einer Komponente oder eines Systems auf ein Minimum, unter Berücksichtigung aller einwirkenden Lasten und Randbedingungen wie z.B. Materialeigenschaften, Lebensdauer, Fertigungsverfahren, Herstellkosten, Steifigkeit, Schallabstrahlung, etc.. Ausgangspunkt hierzu ist die möglichst exakte Kenntnis aller Parameter. Leichtbau heißt deshalb auch, dass die komplette Historie vom Material über die Herstellung, Verarbeitung, Montage bis hin zur Inbetriebnahme des Bauteils betrachtet werden muss. Nur durch die möglichst exakte Beschreibung dieser Prozessschritte können die Forderungen nach leichten, steifen und dennoch wirtschaftlichen Strukturen erreicht werden. Der Prozess impliziert die werkstoff- und damit beanspruchungsgerechte Gestaltung der Bauteile. Hierbei kann sich der Entwickler nicht mehr ausschließlich auf seine Konstruktionserfahrung verlassen. Die erhöhten Anforderungen an Leichtbauprodukte fordern neue Wege in der Konstruktion, die über Gestaltungskataloge und Informationsnetzwerke gesammelt und weitergetragen werden müssen.

Vorgehensweise
In dem Projekt wurde umfassendes Know-how aus den Bereichen Produktentwicklung, Fertigung und Herstellung, Materialbeschreibung, Versuch, numerischer Methodeneinsatz, softwaretechnische Umsetzung und Methodeneinführung zusammengeführt, das eine interdisziplinäre und branchenübergreifende Zusammenarbeit ermöglichte. Die Anforderungen der Anwender für die Entwicklung ultraleichter Produkte wurde durch die Softwareentwickler in Methoden und Werkzeuge umgesetzt, die von den Anwendern wiederum direkt erprobt wurden.

Erreichte Ergebnisse
Die Anwender erarbeiteten Anforderungen an eine numerische Unterstützung zur Auslegung von Ultraleichtbauten, betrachteten alle Einflussfaktoren aus dem Werkstoffverhalten, und setzten die numerischen Methoden (FEM, MKS, Lebensdauer) und die Strukturoptimierung, die die verschiedenen Methoden miteinander verknüpft, konsequent ein. Außerdem stellten sie die berechneten und optimierten Leichtbauteile unter
Berücksichtigung verschiedener Fertigungsmethoden her, erprobten diese durch und testeten neue Materialien in Komponenten und Maschinen zur weiteren Verbessung des Produktverhaltens.
Arbeitsergebnisse der Methodenentwickler und Forschungsinstitute sind:
- die Integration nichtlinearer Simulationsergebnisse bei der Strukturoptimierung
- die Gestaltoptimierung unter Berücksichtigung der Lebensdauerberechnung
- die Zusammenführung von FEM-Simulationen, MKS-Simulationen
- die Strukturoptimierung mit der Möglichkeit verschiedene Lastfälle vorzugeben.
Die beteiligten Produktentwickler haben typische Bauteile spezifiziert, u.a. werden Elastomer-Tragkörper, Motorhalter, ein Getriebegehäuse, Blechteile, eine Telehandlerachse, ein Werkzeugschlitten, eine Spindelpinole, eine Komplett-Bremse, ein Bremsgehäuse, ein Bremsträger und ein Radträger einer Strukturoptimierung unterzogen.

Anwendungspotential
Durch die breite Basis an vorhandenem technologischen Know-How, der anwenderorientierten Vorgehensweise und der Marktpräsenz der beteiligten Firmen, sind beste Voraussetzungen für eine erfolgreiche Umsetzung geschaffen. Neben dem gezielt ausgewählten Konsortium ist ein industrieller "Verbundprojekt-Beraterkreis" ins Leben gerufen worden.
Die Erfahrungen und Erkenntnisse des Verbundprojekts werden durch ergänzende Publikationen und Weiterbildungsmaßnahmen, durch den Industriearbeitskreis "Strukturoptimierung", durch einen assoziierten VDMA-Arbeitskreis sowie die Softwarefirmen und die Universitäten verbreitet und vor allem interessierten kleinen und mittleren Unternehmen zugänglich gemacht.

Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung -Tagungsband zum Symposium, 5.-7.11.2003, Bremen-

Autor: Burblies, A.; Sauter, J. (Hrsg.)

Verlag: Fraunhofer-Institut IFAM, Bremen

Erscheinungsjahr: 2004, Februar

ISBN: 3-8167-6454-1

Beschreibung: Die heutige industrielle Entwicklung ist durch eine hohe Dynamik geprägt, die eine Verkürzung der Zeitspanne von der Idee bis zum fertigen Produkt sowie eine schnelle Optimierung bestehender Produkte erfordert. Hierbei spielt der Einsatz computergestützter Simulationsverfahren eine Schlüsselrolle. Die Konferenzbeiträge des Symposiums "Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung" (5.-7.11.2003, Bremen) zeigen für die Herstellung und Betriebsanalyse mechanischer Bauteile den aktuellen Stand anwendungsnaher Simulationslösungen auf. Dabei bildet das Thema "Strukturoptimierung" einen besonderen Schwerpunkt. Viele Beispiele und praktische Anwendungen innovativer Simulationstechniken berichten über die Arbeiten des Fraunhofer Informations- und Demonstrationszentrums SIMTOP "Numerische Simulationstechniken zur Bauteil- und Verfahrensoptimierung", des BMBF-Projekts ELAnO "Entwicklung und Konstruktion von innovativen Leichtbauprodukten unter konsequenter Verwendung adaptierter Analyse- und Optimierungsverfahren" sowie des Industriearbeitskreises Strukturoptimierung.

Entwicklung und Konstruktion von innovativen Leichtbauprodukten unter konsequenter Verwendung adaptierter Analyse- und Optimierungsmethoden

Autor: Burblies, A.; Sauter, J. (Hrsg.)

Verlag: Fraunhofer-Institut IFAM, Bremen

Erscheinungsjahr: 2004

ISBN: 3-8167-6454-1

Beschreibung: Die heutige industrielle Entwicklung ist durch eine hohe Dynamik geprägt, die eine Verkürzung der Zeitspanne von der Idee bis zum fertigen Produkt sowie eine schnelle Optimierung bestehender Produkte erfordert. Hierbei spielt der Einsatz computergestützter Simulationsverfahren eine Schlüsselrolle. Die Konferenzbeiträge des Symposiums "Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung" (5.-7.11.2003, Bremen) zeigen für die Herstellung und Betriebsanalyse mechanischer Bauteile den aktuellen Stand anwendungsnaher Simulationslösungen auf. Dabei bildet das Thema "Strukturoptimierung" einen besonderen Schwerpunkt. Viele Beispiele und praktische Anwendungen innovativer Simulationstechniken berichten über die Arbeiten des Fraunhofer Informations- und Demonstrationszentrums SIMTOP "Numerische Simulationstechniken zur Bauteil- und Verfahrensoptimierung", des BMBF-Projekts ELAnO "Entwicklung und Konstruktion von innovativen Leichtbauprodukten unter konsequenter Verwendung adaptierter Analyse- und Optimierungsverfahren" sowie des Industriearbeitskreises Strukturoptimierung.