Das Konstruktionsteam des Rohstoffherstellers nutzt die stochastische Topologie-Optimierung, um die Bauteilkonstruktion im Automobilbereich weiter zu verbessern. Ein Fallbeispiel anhand eines Motorenträgers.
Der Tier-1-Automobilzulieferer ElringKlinger, Dettingen a.d. Erms, lieferte vor einigen Jahren an einen führenden europäischen Hersteller von Luxuslimousinen einen Motorträger, der damals wie heute ein gutes Beispiel dafür ist, wie eine gelungene Zusammenarbeit von Konstruktionskompetenz, Werkstoffkunde und Verarbeitungs-Know-how zu einem Bauteildesign mit geringem Materialeinsatz führen kann. Aber könnte dieses bereits hoch optimierte Teil noch besser gemacht werden, mit zusätzlichen Materialeinsparungen und ohne Verlust an mechanischer Leistung?
In der hart umkämpften Welt des Automobilbaus ist das Streben nach besserer Leistung, höherer Effizienz und geringerem Gewicht ein ständiges Bestreben. Ingenieure sind ständig auf der Suche nach neuen Technologien und Techniken, um diese Ziele zu erreichen. Ein Werkzeug, das derzeit an Bedeutung gewinnt, ist die stochastische Topologieoptimierung. Das Konstruktionsteam von Celanese, das maßgeblich an der Entwicklung dieser Motorhalterung beteiligt war, beschloss, diese neue Technologie anhand des ursprünglichen Entwurfs zu testen.
Das Computer-Aided-Engineering-Team (CAE) von Celanese im Europäischen Technischen Zentrum (ETC) in Meyrin, Schweiz, evaluierte die Möbius-Software von Rafinex, einem Software-Startup mit Sitz in Luxemburg, um deren Potenzial als Ressource für die Unterstützung von Kundenprojekten zu bewerten.
Was die Software leisten kann
Das CAE-Team von Celanese unterstützt Kunden bei der Entwicklung neuer und der Optimierung bestehender Bauteile. Dazu sind die Teammitglieder Experten für etablierte CAE-Software und halten die Augen offen für neue Entwicklungen. Letzteres führte sie zur Möbius-Software. Im Kern verwendet diese SaaS-Lösung einen probabilistischen Ansatz, um angesichts realer Anregungen und Störgrößen für beliebige Designs mögliche Entwürfe zu generieren und daraus den zu ermitteln. Mit dieser Technologie kann die strukturelle Konstruktion von thermoplastischen und Verbundwerkstoffkomponenten für Kraftfahrzeuge optimiert werden, z. B. Motorlager, Aufhängungshalterungen, Karosserieteile und viele andere Komponenten. Die Möbius-Software kann insbesondere Konstruktionen erstellen, die die Sicherheitsanforderungen genau erfüllen und Kräften standhalten, die über die im Fahrzeugbetrieb vorgesehenen hinausgehen. Damit werden überflüssige Sicherheitspuffer im Design weitgehend unnötig.
Die Software bewertet die ersten Entwürfe anhand einer Reihe von vordefinierten Kriterien, darunter Gewicht, Festigkeit, Steifigkeit und Lebensdauer. Hierbei werden bereits Anforderungen der Fertigungsmethode (Spritzgießen, Druck etc.) im Rahmen von beispielsweise Überhängen, Krümmungen und Symmetrien berücksichtigt. Die besten Entwürfe werden dann verwendet, um eine neue Reihe von Entwürfen zu erstellen. Der Prozess wird fortgesetzt, bis der optimale Entwurf gefunden ist. Das Besondere an der stochastischen Topologieoptimierung ist die Fähigkeit, Designs zu entwickeln, die mit herkömmlichen Methoden kaum zu finden sind. Die Technologie ermöglicht es Ingenieuren, das Design von Kunststoffteilen für die Automobilindustrie fein abzustimmen, was zu leichteren, stärkeren und effizienteren Komponenten führt. Die Auswirkungen sind weitreichend und führen zu besserer Leistung, zuverlässigeren Fahrzeugen und einer allgemeinen Verbesserung der Fahrzeugeffizienz.
Untersuchung des Potenzials
Rafinex führte die Optimierung der Motorhaltung als Spritzgießanwendungen auf der Grundlage des von Celanese zur Verfügung gestellten Konstruktionsraums, der Randbedingungen und der Lastfälle durch. Dann bewertete das Celanese-Team das optimale Ergebnis hinsichtlich der Verarbeitbarkeit (Spritzgießen) sowie der strukturellen Leistungsfähigkeit und verglich es mit dem endgültigen Entwurf.
Pieter Volgers, Technical Programs Manager / CAE bei Celanese, erklärt: „Bei Strukturbauteilen aus technischen Polymeren besteht die größte Herausforderung darin, eine ausreichend steife und robuste Konstruktion mit einem Minimum an Material zu erreichen. Herkömmliche Konstruktionen beruhen in der Regel auf Erfahrungen und früheren Entwicklungen. Für neue Anwendungen steht diese Historie nicht zur Verfügung, was die Konstruktion dieser Anwendungen sehr schwierig macht. Infolgedessen sind die Entwürfe eher konservativ oder traditionell und schließen Formen und Lösungen aus, die effizienter sein könnten. Die Optimierung der Topologie mit Hilfe des stochastischen Optimierers von Rafinex ermöglichte es uns, iterative Designstudien durchzuführen, die eine Lösung empfehlen, von der wir wissen, dass sie erfolgreich spritzgegossen werden kann.“
In der Evaluierung und Fallstudie von Celanese wurde untersucht, wie ein solches Werkzeug die Konstruktion von Strukturbauteilen verbessern kann, und das Ergebnis mit einem bestehenden Bauteil verglichen, das mit einem traditionellen Ansatz entwickelt wurde.
Schauen wir uns die einzelnen Schritte des Prozesses an, um zu sehen, wie diese Technologie das Potenzial hat, die Zukunft von Automobilkomponenten, die für das Spritzgießen entwickelt werden, zu beeinflussen.
Schritte zur Bewertung
Celanese stellte Rafinex den verfügbaren Konstruktionsraum für den Motorträger zur Verfügung, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die Eingabe enthielt auch Zwangsbedingungen wie „Dicke beibehalten” für die Nabe, die Schraubensitz-/Scheibenbereiche und die Bohrungen. Die projizierten Flächen der Unterlegscheiben wurden strukturmechanisch als vollständig gebunden angenommen, und auf die Oberfläche der Nabe wurde ein rotierender Lastvektor in der z-x-Ebene angewendet.
Der Prozess wurde durch Massenziele für maximale Steifigkeit gesteuert. (Abb.: Celanese)
Als nächstes durchlief das Modell den topologischen Optimierungsprozess in der Software. Der Prozess wurde durch Massenziele für maximale Steifigkeit gesteuert. Eine kurze visuelle Auswertung der Ergebnisse und Konstruktionsvarianten vermittelte den Eindruck, dass die 15-%-Massenzielkonstruktion für weitere Untersuchungen am besten geeignet war. Dies entsprach einer Gewichtsreduktion von 25% gegenüber dem ursprünglichen Design.
Die 15-%-Massenzielkonstruktion erwies sich für weitere Untersuchungen am besten geeignet. (Abb.: Celanese)
Anschließend wurden die Möbius-Ergebnisse des 15-%-Massenziels mit den ursprünglichen spritzgegossenen Rippendesigns verglichen. In Abbildung 3 sind die lachsfarbenen Elemente aus den Möbius-Entwürfen zu sehen, während die braunen Bereiche das Originaldesign darstellen.
Die lachsfarbenen Elemente entsprechen den Möbius-Entwürfen, die braunen Bereiche dem Originaldesign. (Abb.: Celanese)
In der Folge wurde eine nichtlineare Strukturanalyse durchgeführt und mit den Ergebnissen verglichen, die mit dem traditionellen Entwurf erzielt wurden. Dieser Analyseschritt beinhaltete die Auswirkung der Faserorientierung sowie eine genauere Modellierung von Schrauben und Buchsen. Im Ergebnis bestätigten sich die die Schlussfolgerungen des Rafinex-Entwurfes, der eine gleichwertige strukturelle Leistung zeigte.
In der abschließenden Analyse durch das Team ergab die Möbius-optimierte Konstruktion ein um 25 % geringeres Volumen für den Motorträger. Eine zusätzliche Simulation des Fluids des optimierten Entwurfs mittels Moldflow ergab eine einfache Befüllung des Teils mit einem einzigen Einspritzpunkt, wobei die resultierenden Einspritz- und Nachdruckwerte niedrig gehalten werden konnten. Das bedeutet, dass das Teil mit einem deutlich geringeren Materialeinsatz hergestellt und funktionsfähig gemacht werden konnte. Da das optimierte Design 25 % leichter ist als das endgültige Design, bleibt zudem viel Spielraum für die endgültige Form, um alle strukturellen und verfahrenstechnischen Anforderungen zu erfüllen.
Was die Ergebnisse zeigen
Die Struktur- und Prozesssimulationen dieses Modells zeigten das Potenzial, auch unter Berücksichtigung von Unsicherheiten und Unschärfen ein Design mit geringerem Gewicht und hoher Performanz im Vergleich zum ursprünglichen Design zu erhalten. Das Celanese-Team kam zu dem Schluss, dass durch den Einsatz von Möbius von Rafinex in sehr kurzer Zeit verschiedene Designvarianten erstellt und validiert werden können. Diese Varianten können die Grundlage für das endgültige Bauteildesign bilden, indem die Form so verfeinert wird, dass sie alle strukturellen Leistungsanforderungen im Detail erfüllt. Das Team stellte außerdem fest, dass dieser Ansatz nicht nur die Gesamtentwurfszeit verkürzt, sondern den Ingenieur auch zu innovativeren Formen führt als bei einem traditionellen Entwurfsprozess.
