Simulation-Driven Innovation – das Erfolgsgeheimnis für bessere Produkte in kürzerer Zeit

Quer durch alle Industrien stehen Ingenieurteams bei der Produktentwicklung immer wieder vor der Herausforderung, innovative und zunehmend komplexere Produkte zu gestalten und dabei gleichzeitig vielfältige Anforderungen zu erfüllen, wie z. B. geringe Zielkosten, enge Zeitvorgaben, regulatorische Vorgaben und vor allem: verbesserte Produkteigenschaften.

Hinzu kommt, dass diese Anforderungen einer ständigen Weiterentwicklung unterworfen sind. Ein probates Mittel, dem kosteneffizient und schnell zu begegnen sind CAE (Computer Aided Engineering)-Werkzeuge, wie z. B. die Altair HyperWorks Suite. Sie erleichtern computergestützte Simulation, die zur Lösung aller möglichen technischen Aufgaben herangezogen werden können. Dies hilft Produktentwicklern dabei, ihre Designziele zu erreichen, Kosten zu reduzieren und Markteinführungszeiten zu verkürzen.

Welche Vorteile bietet die Simulation?

Simulation ist keine neue Methode. Tausende von Unternehmen haben in den letzten Jahren verschiedenste Simulationswerkzeuge eingesetzt, um ihre Entwicklungsprozesse und Produkte zu verbessern. Andererseits gab und gibt es 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, nicht nur innovative Produkte zu entwickeln sondern gleichzeitig auch 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. Anhand von realen Praxisbeispielen wird in diesem Beitrag dargestellt, wie Unternehmen aus unterschiedlichen Industrien von einem virtuellen, simulationsgetriebenem Entwicklungsprozess, mittels Simulationstools profitieren können, wenn diese von Beginn an zum Einsatz kommen. Dies kann einen Innovationsschub für das gesamte Unternehmen und dessen Produkte bedeuten.

Leichter, besser, schneller: Simulation im Werkzeugbau

Der Werkzeugbau zeichnet sich im Allgemeinen durch teure, maßgeschneiderte und daher zeitaufwändige Einzelanfertigungen aus. Der 3D-Druck bietet hier die Möglichkeit, Formen und Bauteile wesentlich schneller und kostengünstiger herzustellen als mit traditionellen Herstellungsverfahren.

Die PROTIQ GmbH, ein Phoenix Unternehmen und Dienstleister für die additive Fertigung, stand vor der Herausforderung, die Produktivität der Werkzeugmaschinenherstellung im Bereich Spritzguss zu steigern, indem die Vorteile des 3D-Druckes genutzt wurden, um effizientere Werkzeuge zu fertigen.

Mit Unterstützung des Altair Consulting Teams setzte PROTIQ Simulationswerkzeuge ein, um einen simulationsgetriebenen Entwicklungsprozess zu implementieren. Dieser half dabei, schnell eine neue, ideale, 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 wurden Softwarewerkzeuge der Altair HyperWorks^TM Suite verwendet, um das neue, optimierte Design des Werkzeuges zu erstellen.

Mit Simulations-Software optimiertes Spritzgußwerkzeug
Virtueller Testlauf

Für die Topologieoptimierung des für den 3D-Druck geeigneten Designs kam Altair OptiStruct zum Einsatz, der Finite Element Solver der Altair HyperWorks Suite, der auch in der Altair Inspire^TM Simulationsumgebung enthalten ist.

Das optimierte Design konnte mittels FE Analyse validiert werden, wobei wiederum Altair OptiStruct zum Einsatz kam. Parallel dazu simulierten die Altair-Ingenieure die Temperierung des Werkzeugs mit Altair AcuSolve, dem CFD Werkzeug der Software-Suite. Somit konnte auch eine Aussage über das Abkühlverhalten des hergestellten Produktes und die Zykluszeiten getroffen werden. Die finale und komplexe Spritzgussform wurde dann mittels 3D-Druck gefertigt.

Das Ergebnis war ein Werkzeug, welches 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. Durch Kürzung der manuellen Endmontage des Werkzeuges, konnten auch die Produktionskosten des Werkzeuges gesenkt werden.

Traditionelle Konzepte neu erfunden: der weltweit erste seillose Aufzug

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.

Mit Simulationssoftware optimiert: Neues Fahrstuhl-Konzept von Thyssen-Krupp

2017 wollte thyssenkrupp elevator, einer der weltweit führenden Aufzugsunternehmen, ein neues Aufzugsystem entwickeln, das sich elektromagnetischer Antriebe anstelle von Kabeln bedient. Damit sollte der Aufzug nicht nur die Höhenbegrenzungen überwinden sondern sich auch sowohl horizontal als auch vertikal bewegen können. Weil ein Aufzug während der Fahrt häufig beschleunigt und abbremst, ist das Gewicht ein wichtiger Faktur. 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 Altair, den Leichtbau-Experten für Strukturdesign und beauftragte das Unternehmen, die thyssenkrupp Ingenieure zu unterstützen, die Stützstruktur für die Kabine neu zu entwickeln. Altair implementierte einen dreistufigen Optimierungsprozess, ermittelte den Bauraum der Kabine und kombinierte diesen mit Daten der zu erwartenden Lasten, denen die Kabine während der Nutzung ausgesetzt ist. OptiStruct lieferte einen herstellbaren Designvorschlag,. 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 ermittelte, 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). Sie haben das Ziel, mit einer Entscheidung für das beste System die Entwicklung weiter voranzutreiben.

Das optimierte Endergebnis

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 %. Außerdem zeigte sich, dass die Verwendung von Karbonfasermaterial für die Wände der Aufzugkabine zu einer noch drastischeren Gewichtsreduzierung von 56 % unterhalb des Gewichtziels führen würde. Auch das Seitenführungskonzept lieferte die gewünschten Gewichtseinsparungen. Hier lagen die Ergebnisse bei Verwendung traditioneller Werkstoffe bei 16 % unter dem angestrebten Gewichtsziel und bei 33 %, sollte Kohlefaser verwendet werden.

Simulation-Driven Innovation steigert die Kundenzufriedenheit

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.

In dem Test, Design und Simulation und die Implementierung eines simulationsgetriebenen Designprozesses von Anfang an kombiniert werden, kann der gesamte Prozess verschlankt und so Innovation gefördert werden. Alle Industrien und Unternehmen, die Simulation einsetzen, haben mit zwei wichtigen Wettbewerbsvorteilen die Nase vorn: Eine Innovative Produktentwicklung und zufriedenen Kunden.

Weitere Informationen und Veröffentlichungen der hier vorgestellten Anwenderbeispiele finden Sie unter: http://web2.altairhyperworks.com/cae-erfolgreich-implementieren.