Prozess-Estimatoren Fertigungsgerechte Bauteilauslegung

Häufig werden Teile aus Faserverbundwerkstoffen nicht fertigungsoptimiert ausgelegt. Prozess-Estimatoren helfen diesen Mangel zu beheben und das Bauteil wirtschaftlicher herzustellen. Sie ermöglichen die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der Fertigung schnell und ohne große Rechenkapazitäten.

Anbieter zum Thema

G+K Umformtechnik GmbH

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

CMS Automatisme

Ecole Centrale de Nantes

Faurecia

Immer häufiger finden mit Endlosfasern verstärkte Verbundwerkstoffe Anwendung im Automobilbau, zum Beispiel beim BMW i3 oder im Dach des UGN Mercedes (Bild 1), hergestellt von Faurecia. Durch die Verwendung von Composites lässt sich das Fahrzeuggewicht verringern und somit die CO₂-Emissionen und der Kraftstoffverbrauch reduzieren, beziehungsweise die Reichweite von Elektroautos erhöhen. Dies wird erreicht durch die besseren gewichtsbezogenen Materialeigenschaften im Vergleich zu klassischen Lösungen aus Metall.

Eine Bauteiloptimierung ist erforderlich

Die Verwendung dieser neuen Werkstoffe bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Vor allem die hohen Materialkosten und die, im Vergleich zu metallischer Fertigung, langen Produktionszeiten sind problematisch. Durch einen anisotropischen Lagenaufbau lässt sich das Gewicht und somit die Materialkosten verringern. Jedoch gibt es unzählige Möglichkeiten ein Verstärkungsmaterial aus einzelnen Lagen mit unterschiedlicher Orientierung und Dicke aufzubauen. Um also den leichtesten, an den Lastfall angepassten Lagenaufbau zu erhalten muss eine Optimierung durchgeführt werden.

Die langen Taktzeiten lassen sich durch verbesserte und automatisierte Fertigungsprozesse verringern. Außerdem hat der lokale Lagenaufbau einen großen Einfluss auf die Produktionszeiten. So ist zum Beispiel die Permeabilität längs der Fasern sehr viel höher als quer zu ihnen. Um die Herstellzeiten zu reduzieren sollte also der Lagenaufbau auch hinsichtlich der Fertigung optimiert werden. Jedoch können die Optimierungen für die beide Ziele, Gewichtsminimierung und Prozessoptimierung, gegensätzliche Ergebnisse liefern. Dies lässt sich anhand einer einfachen Zugprobe (Bild 2) leicht verdeutlichen. Der mechanisch beste, also leichteste, Lagenaufbau besteht aus Lagen von Unidirektionalen Fasern (UD) in Lastrichtung. Dadurch wird eine seitliche Harzeinspritzung aber verlangsamt, die bei einem UD-Lagenaufbau quer zur Lastrichtung am schnellsten abläuft. Solch ein Lagenaufbau verschlechtert jedoch die mechanischen Eigenschaften. Gerade wenn Teile in großen Stückzahlen hergestellt werden, wie in der Automobilindustrie, sollte der Fertigungsprozess also bei der Bauteilauslegung schon eingeplant werden.

Abschätzung der Wirtschaftlichkeit mit Prozess-Estimatoren

Dies kann auf eine einfache und wenig rechenzeitintensive Art mithilfe von Prozess-Estimatoren gemacht werden. Deren Prinzip ist es, innerhalb von wenigen Sekunden oder Minuten die Wirtschaftlichkeit der Fertigung eines Bauteils zu überprüfen. Dies wird durch eine Abschätzung der wichtigsten Kostenfaktoren, zum Beispiel Ausschuss oder Produktionszeit, mithilfe von kurzen und einfachen Berechnungen erreicht. Diese Berechnungen müssen jedoch die lokalen Mikrostrukturen in jedem Bereich des Bauteils miteinbeziehen um realistische Ergebnisse zu liefern. Auch ein Vergleich von verschiedenen Fertigungsmethoden ist mit Hilfe der Prozess-Estimatoren möglich.

Für jede Fertigungsart können Prozess-Estimatoren entwickelt werden. In der Folge wird ein Beispiel für den RTM-Prozess dargestellt. Bei diesem Herstellungsverfahren wird eine trockene Faserpreform in der Form vorbereitet, in die anschließend flüssiges Harz injiziert wird. Nach der Aushärtung des injizierten Harzes kann das fertige Bauteil entnommen werden. Ein Nachbearbeiten ist nicht immer nötig, es können endkonturnahe Bauteile erstellt werden. Der größte Kostenfaktor für den RTM-Prozess ist die lange Produktionszeit. Diese setzt sich hauptsächlich aus Harzinjektionszeit und Harzaushärtezeit zusammen. Nachdem letztere direkt vom eingesetzten Harz abhängt, konzentriert sich der Prozess-Estimator auf die Abschätzung der Injektionszeit. Analytisch kann diese mithilfe des Darcy-Gesetzes berechnet werden. Eine detailliertere Beschreibung der Funktionsweise des RTM-Prozess-Estimators kann in „Multi-objective composite part mechanical optimization enhanced by a Process Estimator“, Composite Structures 2015, gefunden werden.

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