Simulationssoftware

3D-Plattform von Dassault verkürzt Produktionszeiten

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Die Digitalisierung ermöglicht es den Unternehmen dank neuer Technologien Produktionszeiten zu verkürzen und die Fertigungskosten zu senken. Insbesondere in innovativen Branchen wie der Automobilindustrie bieten etwa additive Verfahren oder 3D-Druck ganz neue Möglichkeiten. Die 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes unterstützt Branchenlösungserfahrungen, basierend auf 3D-Konstruktion, Analyse, Simulation und Intelligence Software in einer vernetzten, interaktiven Umgebung.

Judith Knappe, Editor Technology, Storymaker in Tübingen

Gewichtsreduktion, Freiheit im Design und kurze Produktionszeiten: Die Additive Fertigung oder 3D-Druck hat einzigartige Vorteile und revolutioniert Produktionsprozesse. Eine neue Bitkom-Studie zeigt, dass vor allem Wachstumsmärkte wie Luftfahrt, Medizin und Konsumgüter von der Technologie profitieren. Besonders in der Automobil-Industrie bietet diese Art der Fertigung neue Möglichkeiten. Doch um das volle Potenzial auszuschöpfen, bedarf es ausgeklügelter Tools. Die Natur macht es vor: Leicht, stabil und minimaler Materialeinsatz – Bäume sind das beste Beispiel für die Perfektion von Werkstoffen und Strukturen. Diese Perfektion würden Konstrukteure von technischen Bauteilen gerne nachahmen. Dazu benötigen sie erstens Konstruktions- und Simulationstools, die eine möglichst ideale Geometrie finden. Zweitens ein Fertigungsverfahren, das diese bisher nicht realisierbaren Strukturen Realität werden lässt. Software, die gute Geometrien entwickelt und das Verhalten unter Last berechnet, gibt es seit vielen Jahren.

Dassault Systèmes etwa bietet über seine 3D-Experience-Plattform bestens aufeinander abgestimmte Anwendungen. Die Fertigungsverfahren konnten bisher nicht mit den Tools mithalten – doch das hat sich geändert. Der 3D-Druck ermöglicht raffiniertere Designs, kann Hochleistungswerkstoffe verarbeiten und setzt schnellere Maschinen ein. Damit reichen ihre Anwendungsgebiete über klassischen Prototypenbau und Produktdesign hinaus. Vor allem in Industrien, in denen Effizienz, Formgebung, Gewicht und Lebensdauer eine große Rolle spielen, wird die Technologie immer stärker genutzt. Denn die Möglichkeiten sind schier unbegrenzt: Mit der neuen Fertigungstechnik lassen sich jetzt ultraleichte Bauteile konstruieren und herstellen.

Aus der Bitkom-Studie geht unter anderem hervor, dass Gewicht und Materialverbrauch bei einzelnen Teilen um bis zu 90 Prozent sinken können. So kann beispielsweise ein Airbus A350 um bis zu eine Tonne leichter werden. Die positive Folge: Der CO2-Ausstoß des Flugzeugs reduziert sich auf diese Weise beträchtlich.

Produktionszeiten verkürzen sich

Zusätzlich sparen die Hersteller laut der Studie auch bis zu 70 Prozent der Produktionszeit und 80 Prozent der Fertigungskosten. Weiterhin können durch additive Fertigung unnötige Lagerkosten vermieden werden: Haben Hersteller Ersatzteile für beispielsweise alte Automodelle früher auf Vorrat produziert, so können sie durch das neue Fertigungsverfahren bei Bedarf schnell “nachdrucken“. Ohne die Verzahnung mit CAD- und Simulationswerkzeugen wäre diese Art zu produzieren nicht möglich. Nur durch die Tools kann nachgewiesen werden, dass das nun völlig anders gefertigte Teil genau dieselben Eigenschaften hat wie sein Vorgänger, der vielleicht noch gegossen oder gefräst wurde. Unterm Strich bietet diese Verzahnung enorme Vorteile: Die Konstruktionsphase verkürzt sich und die Unternehmen sparen kostenintensive Prototypen und Fehlkonstruktionen. Mehr noch: Ob sich eine Geometrie überhaupt fertigen lässt, muss den Konstrukteur nicht mehr kümmern, er kann sich ganz auf die Funktion des Teils konzentrieren. Zudem ermöglichen Tools wie Simulia, dass das Verhalten der Produkte schon vor der Fertigung untersucht werden kann. Ein Konstrukteur kann sich also sicher sein, dass er kein idealisiertes Bauteil entwirft, sondern eines, das auch dem Realitätscheck standhält. Die iterative Schleife aus Konstruktion, Simulation, verbesserter Konstruktion, erneuter Simulation beliebig fortgesetzt liefert genaue Angaben, wo Material eingespart werden kann oder wo man etwas zugeben muss.

„Angstschrauben“ überwinden

Aber Simulation hilft auch, so genannte „Angstschrauben“ zu erkennen. Das sind Teile einer Konstruktion, deren einzige Funktion es ist, dem Entwickler das Gefühl zu geben, er habe damit noch ein Sicherheitsplus eingebaut, sozusagen einen Notnagel, falls die Struktur doch einmal versagt. Oder es gibt sie, weil man das „immer schon so gemacht“ hat. In jedem Fall beruhigen sie das Gewissen. Manchmal sind diese „Angstschrauben“ aber auch gefährlich, weil sie die Struktur schwächen. Lasten zu optimieren, indem man Material weglässt, widerstrebt vielen Ingenieuren. Idealerweise sieht der Prozess von der Idee zu einem 3D-gedruckten Produkt so aus: Als erstes entwirft der Konstrukteur das Bauteil in einem CAD-Programm. Vermutlich wird es zunächst so ähnlich aussehen, wie das bislang herkömmlich gefertigte Teil. Mit Hilfe der Software Tosca von Dassault Systèmes lässt sich die Topologie nun optimieren. Dazu gibt die Simulation Kräfte auf das Teil und berechnet die Spannungen im Werkstoff. Wo keine Lasten auftreten, wird das Material ausgeblendet, der Konstrukteur stellt das mit einem Schieberegler ein. Anschließend stellt die 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes sicher, dass dieses optimierte Design nahtlos in die CAD-Software zurückgespielt wird.

Mit den beschriebenen Tools und Verfahren sind jetzt auch ganz neue Formen möglich – eben jene organischen, die sich an der Natur orientieren und optimal auf die Anforderungen angepasst werden können. Die Stärken der additiven Fertigung liegen also nicht in der Massenproduktion. Neben der erwähnten Fertigung komplexer Geometrien und Verringerung des Gewichts und der Gesamtkosten, ist durch sie auch Massen-Individualisierung möglich geworden. Das bedeutet: Unternehmen können auf individuelle Kundenforderungen und sich ändernde Marktbedingungen schnell und spezifisch eingehen. Im Zeitalter von Industrie 4.0 ist das ein bedeutender Faktor für wirtschaftlichen Erfolg. jg

Details zum Simulationsprogramm Simulia von Dassault Systèmes:

http://hier.pro/SVHzV


„Der 3D-Druck ermöglicht raffiniertere Designs und kann Hochleistungswerkstoffe verarbeiten.“

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