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Analysen in der Produktentwicklung

An den Grenzen der Belastbarkeit

Das Engineering-Unternehmen Optoform unterstützt Fertiger bei der Entwicklung neuer Produkte. Dabei greift der Dienstleister auf Analyse-Software zurück, um die Konstruktionen auf Kundenwünsche abzustimmen. Auch Materialverbrauch und Energiekosten spielen hierbei eine immer wichtigere Rolle.

Bild: Optoform

Mit über 20 Jahren Entwicklungserfahrung in der Wälzlager- und Automobilzulieferindustrie, Blechumformung, Schweißfertigung und Automation bietet Optoform seinen Auftraggebern Unterstützung bei der Produktentwicklung. Das Engineering-Unternehmen hat sich auf die die Konstruktion, Festigkeitsberechnung, Strömungs- und Bewegungssimulation komplexer Komponenten, Baugruppen und Module spezialisiert. Das Angebot des Dienstleisters reicht von der Ideenfindung bis zum Endprodukt. Zur Abwicklung der Aufträge setzt das Team moderne Computer Aided Design-Technologie (CAD) ein, wie Dr. Peter Giese, Inhaber von Optoform erklärt: „Ich habe mich im direkten Vergleich mit anderen 3D-Systemen bereits 2004 für Solidworks entschieden, da die Software wirtschaftlich interessanter war und umfassende Funktionalität bietet. Ausschlaggebend waren zudem die leichte und intuitive Bedienung sowie die integrierten Simulationswerkzeuge. Im Zuge der Evaluierung eines CAD-Systems bin ich auch erstmalig auf die Analysesoftware von Solidworks aufmerksam geworden.“

Das Unternehmen nutzt neben der CAD auch die Simulation und Flow-Simulation Software zu Festigkeitsstudien, beispielsweise für Klimakompressoren, Ventile oder Wälzlager, sowie für Strömungssimulationen zur Optimierung von Wärmetauschern oder Wasserturbinen. Bei der Auslegung von Kompressoren und Kolbenverdichtern wird zudem die Bewegungssimulation angewandt. Aufgrund der Analysedaten können sich Änderungen bei der Gehäuse- und Antriebswellengeometrie oder Wärmeübergangsflächen ergeben. So konnte beispielsweise beim Entwurf eines Robotergreifers mittels der Berechnungen eine vollständige Änderung der aufwendigen Konstruktion in ein robustes Baukastenprinzip erreicht werden. Auch in anderen Anwendungsfeldern bietet der Einsatz von Simulationstechnologie Vorteile: Aufgrund der genauen Berechnungen können nun zum Beispiel Wasserkraftwerke mit exakt der gefordeten Leistung verkauft werden. Unternemen nutzen die Berechnungen in Berichtsform zudem als Entscheidungsunterlagen für technische Neuerungen oder notwendige Änderungen. Bislang haben alle so von Optoform berechneten Produkte den Belastungstests und Praxisanforderungen standgehalten und mussten nicht mehr geändert werden.

Integration in das CAD-Bedienumfeld

Wichtige Kriterien für die Einführung der SolidWorks Produkte waren neben Funktionsvielfalt und Bedienung die volle Integration der Simulationssoftware in das Bedienumfeld des 3D-CAD-Systems. „Man kann einfach zwischen der Konstruktionsumgebung und den Analysetools hin- und herschalten, ohne dabei die Oberfläche verlassen zu müssen. Das ist sehr komfortabel. Ich spare Zeit und auch die bei einem Im- beziehungsweise Export von Daten in ein externes Berechnungswerkzeug möglichen Fehlerquellen werden auf diese Weise vermieden“, erklärt Giese. „Zudem ermöglicht die Multiprozessorunterstützung der Simulation und Flow Simulation-Software eine sehr leistungsfähige Basis für die parallel zur Konstruktion laufenden Berechnungsprozesse.“

Die Stromfadendarstellung zeigt einen leichten Drall hinter der Turbine. Die Simulation deutet auf eine nicht optimal eingestellte Schaufelstellung hin, denn jeder Drall bedeutet Strömungsverlust. Mit optimaler Schaufelstellung würde sich die Turbineleistung erhöhen. Bild: Optoform

50 Analyseschritte für einen Schwenkantrieb

Die Analysesoftware nutzte der Konstruktionsdienstleister auch zur Auslegung des Gehäuses eines Kompressors. Dazu wurde es in der Simulation unter Berstdruck an die Grenze der Belastbarkeit gebracht. Zu Optimierung des zugehörigen Kompressor-Schwenkantriebs mit Kontaktstellen erläutert Giese: „Die vielen Kontaktstellen mussten sehr genau modelliert werden, um die Belastung realitätsnah zu berechnen und Änderungsnotwendigkeiten abzuleiten. Die mit Solidworks Simulation ermittelten Ergebnisse deckten sich zum Beispiel mit den berechneten Tragbildern sehr gut.“ Bei diesem Projekt wurden etwa 50 unterschiedliche Analysen angewandt. Besonderes Augenmerk galt Kantenlasten und der Prüfung des Tragbildes von Gleitlagern. Die Analyse-Ergebnisse führten wiederum zu vier verschiedenen Konstruktionen, die miteinander verglichen wurden. Letztlich wurde die Geometrie und die Oberflächenbehandlung der Gleitlager verändert und dadurch die besten Resultate erzielt, erklärt Giese.

Leichtbauweise gewinnt an Bedeutung

Optoform unterzieht rund 80 Prozent seiner Produktkonstruktionen, die Materialien wie Stahl, Aluminium und Kupfer sowie verschiedene Kunststoffe vereinen, einer virtuellen Konstruktionsprüfung. Besonderes Augenmerk liegt heute auf der Leichtbauweise, die nach Aussagen von Giese nur mit konsequenten Finite Elemente-Berechnungen (FEM) möglich ist: „Materialverbrauch und Energiekosten spielen eine immer wichtigere Rolle in der Konstruktion, da hier die Weichen für ökologische Produkte gestellt werden. Der Simulation kommt dabei eine tragende Rolle zu.“

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