gesponsertMultiphysik-Simulation im Maschinenbau Schneller zur optimalen Konstruktion

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Warum treten Schäden oft dort auf, wo sie rechnerisch nicht erwartet werden? Und wieso beeinflussen Fertigungsprozesse die Bauteilqualität häufig mehr als die Konstruktion? Gerade dann kann Simulation hilfreich sein, wie Beispiele aus dem Maschinenbau zeigen.

Im Maschinenbau liegen die Ursachen für Schäden oder vorzeitigen Verschleiß vielmals in lokalen Effekten oder Prozessschritten, die bei der Auslegung nur vereinfacht betrachtet wurden. Eine rein globale Bewertung kann diese Aspekte nicht erfassen. Mithilfe von Multiphysik-Simulation und Modellierung ist eine ganzheitliche Analyse von Bauteil, Material und Prozess möglich. Die folgenden fünf Anwendungen vermitteln einen Eindruck von den Möglichkeiten der Simulation im Maschinenbau entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

1. Schweißnähte und Ermüdungslebensdauer

Geschweißte Verbindungen zählen zu den typischen Schwachstellen tragender Konstruktionen. Kerbwirkungen, geometrische Unstetigkeiten und veränderte Werkstoffeigenschaften können dazu führen, dass lokal stark erhöhte Spannungen auftreten. Für die Abschätzung der Ermüdungslebensdauer müssen diese Bereiche daher gezielt betrachtet werden. Mithilfe numerischer Modelle kann eine lokale Spannungsbewertung im Nahtumfeld durchgeführt und mit etablierten Ermüdungskonzepten, etwa Wöhlerlinien oder Detailansätzen, verknüpft werden. So erhalten Konstrukteure eine fundierte Grundlage, um kritische Zonen frühzeitig zu erkennen und gezielt zu entschärfen.

2. Wärmebehandlung von Zahnrädern

Bei der Wärmebehandlung ist das Zusammenspiel mehrerer physikalischer Effekte für das spätere Bauteilverhalten ausschlaggebend. Beim Aufkohlen und Abschrecken von Zahnrädern beeinflussen beispielsweise Temperaturverläufe, Kohlenstoffdiffusion und Phasenumwandlungen die entstehenden Eigenspannungen. Diese wirken sich direkt auf die Verzugsneigung und den Verschleiß aus und sind zudem maßgeblich für die Ermüdungsfestigkeit verantwortlich. Simulationen können diese gekoppelten Vorgänge zeitabhängig virtuell abbilden und den Einfluss von Prozessparametern systematisch untersuchen. Dadurch lassen sich Fehlerursachen einfacher finden und verstehen, und es ist möglich, stabilere Prozessfenster zu definieren.

3. Elektrochemische Fertigungsprozesse

Auch bei der elektrochemischen Bearbeitung spielen lokale Wechselwirkungen eine wichtige Rolle. So hängen die Abtragsraten und die Formgenauigkeit beispielsweise von der Strömung im Arbeitsspalt, der Verteilung der Stromdichte, thermischen Effekten und der Gasblasenbildung ab. Diese Phänomene beeinflussen sich gegenseitig und verändern sich während des Prozesses. Multiphysikalische Simulationsmodelle bilden diese Kopplungen ab und liefern Einblicke, die experimentell nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Auf dieser Grundlage können Werkzeuggeometrien und Prozessparameter gezielt angepasst werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

4. Galvanische Beschichtung mehrerer Bauteile

Beim gleichzeitigen Beschichten mehrerer Bauteile in galvanischen Bädern treten leicht unerwünschte Inhomogenitäten auf.  Das geschieht durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilen, die um die verfügbare Stromdichte konkurrieren. Die Folge sind ungleichmäßige Schichtdicken und ein erhöhter Nachbearbeitungsaufwand. Werden die elektrischen Felder und die daraus resultierende Stromdichteverteilung simuliert, kann ermittelt werden, wie Gestellgeometrien, Bauteilanordnung oder Elektrodenpositionen angepasst werden müssen, um eine gleichmäßigere Beschichtung zu erreichen. Neben einem gleichmäßigen Beschichtungsergebnis ist es das Ziel, Material und Energie effizient zu nutzen.

 

5. Simulation in der additiven Fertigung

In der additiven Fertigung wirken thermische und materialbezogene Effekte unmittelbar auf die Qualität der Bauteile sowie auf die Prozessstabilität. Bei pulverbettbasierten Verfahren etwa bestimmt die gleichmäßige Verteilung des Pulvers durch eine bewegliche Walze oder Klinge die Ausgangsbedingungen für den weiteren Prozess. Mithilfe der Pulversimulation lassen sich beispielsweise dessen Homogenität optimieren und die Reproduzierbarkeit der nachfolgenden Prozessschritte vorhersagen. Dabei werden die Materialeigenschaften und die Kinematik der Beschichtungseinheit berücksichtigt. Ergänzend dazu zeigen Beispiele aus dem Free-Form-FFF-Druck, wie stark auch der zeitliche Temperaturverlauf während der Bauteilherstellung die resultierende Qualität prägt. Simulationsansätze zur In-Process-Temperaturvorhersage koppeln Wärmeleitung im Material, Konvektion an der Oberfläche und Wärmestrahlung, um diese Effekte realitätsnah abzubilden und mit experimentellen Messungen – etwa durch Infrarottechnik – zu validieren. Weiterführende Untersuchungen zu diesem Ansatz sind in einem detaillierten Fachbeitrag dokumentiert.

Simulation entlang der Prozesskette

Die fünf hier genannten Beispiele zeigen, dass aus der gekoppelten Betrachtung von Bauteil und Prozess wertvolle Erkenntnisse entstehen. Simulation unterstützt das Verständnis komplexer Zusammenhänge und macht Dinge sichtbar, die eigentlich nicht sichtbar sind. Durch mathematische Optimierung lassen sich vor dem ersten Prototyp bestmögliche Konstruktionen finden und Worst-Case-Szenarien durchspielen. Für den Maschinenbau eröffnet dies die Möglichkeit, Entscheidungen früher, transparenter und belastbarer zu treffen.