C3 | Teilprojekt C3: Rechnergestützte ganzheitliche Bauteiloptimierung

Aufgabe und Zielsetzung

Bei jedem neuen Entwurf steht der Konstrukteur vor der Aufgabe, die Bauteileigenschaften hinsichtlich der spezifischen Anforderungen des Anwenders zu optimieren und dabei den Materialeinsatz möglichst gering zu halten. Insbesondere die Produkt-Lebensdauer ist dabei für die meisten Anwendungen von zentraler Bedeutung. Daneben können aber noch zahlreiche weitere Eigenschaften, etwa die Wärmeleitfähigkeit oder die Oberflächengüte von Wichtigkeit sein.

Ziel dieses Teilprojekts ist es, den Einfluss der Prozesskette auf die Betriebsfestigkeit verzweigter Profilstrukturen mittels numerischer Analysen zu quantifizieren. Hierdurch wird es dem Entwickler bei geringem Kosten- und Zeitaufwand ermöglicht, sowohl den Herstellungsprozess als auch die Bauteilgeometrie hinsichtlich der Produkt-Lebensdauer rechnerisch zu optimieren. Die Prozesskette umfasst hierbei das Fertigungsverfahren des Spaltprofilierens, des Spaltbiegens sowie des Walzprofilierens.

Vorgehensweise

Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) und das Institut für Systemzuverlässigkeit im Maschinenbau (SzM) eng zusammen. Das PtU bringt seine Kompetenz auf dem Gebiet der umformenden Fertigung ein, um durch die Simulation des Fertigungsprozesses die resultierenden Werkstoffeigenschaften zu ermitteln. Ergebnisse dieser Untersuchung sind zum Beispiel Dehnungsfelder und Eigenspannungsverteilungen. Das SzM kooperiert eng mit dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) und kann so dessen langjährige Erfahrung in der rechnerischen wie experimentellen Ermittlung von Bauteil-Lebensdauern nutzen, um auf Basis der in der Fertigungssimulation ermittelten Ergebnisse Aussagen über die Zuverlässigkeit der Bauteile zu machen und die wesentlichen Einflussgrößen auf deren Betriebsfestigkeit zu identifizieren. Im Mittelpunkt der Betrachtungen steht dabei die Schwingfestigkeit. Auf Basis der hier gewonnenen Erkenntnisse kann nun beispielsweise eine weitere Verbesserung des Fertigungsverfahrens erfolgen.

Um die Zuverlässigkeit der numerischen Vorhersagen sicherzustellen, werden die Rechenmodelle laufend durch reale Versuche an Werkstoff- und Bauteilproben überprüft, die in den Teilprojekten C1 und C2 durchgeführt werden. Die in diesen Teilprojekten an Proben ermittelten Zusammenhänge dienen weiterhin als Basis des numerischen Werkstoffmodells.

Ergebnis

Am Ende des Teilprojektes C3 steht eine ganzheitliche numerische Abbildung von Fertigung und Betrieb, die dem Entwickler eine schnelle und zuverlässige Optimierung verzweigter Profile als auch deren umformtechnischer Fertigung ermöglicht.