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Zwischen Prüfergebnis und Simulation

Zwischen Prüfergebnis und Simulation

Die Kosten für Material und Energie steigen. Als Folge werden die Substitution und Optimierung von Werkstofftechnologien zunehmend interessant für Unternehmen. IT-seitig gewinnen dafür neben Werkstoffdatenbanken zunehmend Simulationssysteme an Bedeutung.

Bild: Salzgitter AG

Für die Produktentwicklung in produzierenden Unternehmen wird die IT-Landschaft bisher vor allem von Systemen für die Geometrie-Erzeugung und das Varianten- und Konfigurationsmanagement geprägt. Durch die ständig steigenden Kostenanteile für Material und Energie wird jedoch gleichzeitig eine Substitution und Optimierung von Werkstoffen immer interessanter, was wiederum die nachgeschalteten Prozesse nachhaltig beeinflusst.

Hier liegt für Unternehmen noch ein enormes Potenzial, was zum Beispiel der verstärkte Trend für den Einsatz von Werkstoffdatensystemen zeigt. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Werkstoffe, und das nicht nur in Bezug auf die rein technischen Daten. Ein Stichwort ist hier die sogenannte Ressourcenkritikalität, also die Bewertung der strategischen Verfügbarkeit von Werkstoffen und deren künftiger Preisentwicklung. Dies zeigt: Sowohl für die Wettbewerbsfähigkeit wie für eine verbesserte Nachhaltigkeit gewinnen Werkstoffinformationen eine immer größere Bedeutung.

Komplexität in der Materialauswahl beherrschen

Ein Konstrukteur trägt somit hinsichtlich der Werkstoffauswahl eine permanent steigende Verantwortung. Die Zeit, in der er – überspitzt gesagt – nur zwischen St37 und St52 entscheiden konnte oder musste, ist vorbei. Andererseits gilt es nun, die wachsende Komplexität und Vielfalt der heutiger Lösungsmöglichkeiten zu beherrschen. Dabei steht er oft vor dem Problem, dass für einen speziellen Anwendungsfall keine ausreichenden Daten vorliegen. Diese müssen eigens erzeugt werden – entweder mit Werkstoffprüfungen oder mit Simulationsmethoden. Und schließlich müssen alle Daten auch noch adäquat dokumentiert werden.

Damit sehen die Anforderungen an eine unterstützende Software ähnlich aus wie die an ein System für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM). Hier stehen ebenfalls Freigabeprozesse, Rückverfolgbarkeit, Verfügbarkeit oder Möglichkeiten zur Wiederverwendung im Fokus. An die Stelle herkömmlicher Werkstoff­Kataloge können damit Systeme treten, welche die Veränderung der Werkstoffeigenschaften über die Prozesskette abbilden und so eine konsistente Datenbasis für die Engineering-Simulationen liefern. Dies ermöglicht eine Rückverfolgbarkeit der Informationen etwa vom Testergebnis über die statistische Verdichtung der Daten bis hin zur Ableitung von Auslegungsdaten.

Wiederverwertung beschleunigt Entwicklungsprozesse

Das webbasierte Werkstoffdatenmanagement-System Granta-MI gilt hier mittlerweile als ein Industriestandard. Die Software ist frei skalierbar und bietet die Möglichkeit alle Werkstoffdaten etwa von der Stahldatenbank Stahldat SX und weiterer umfangreicher Datenmodule konzernübergreifend zusammenzuführen. Gleichzeitig lässt es sich in andere in Systemlandschaften, wie etwa Prüfmaschinen, CAE-, PLM-, und Enterprise Resource Planning-Systemen (ERP) integrieren.So entsteht eine Datenbasis, die nicht zuletzt Wettbewerbsvorteile über beschleunigte Entwicklungsprozesse und bessere Produkte fördern kann. Ein wichtiger Aspekt ist die Verfügbarkeit – analog zu klassischen PLM-Grundsätzen: Die richtige Version der richtigen Daten zur richtigen Zeit bei den richtigen Nutzern. Dabei sind auch Wiederverwendung von Prüfdaten und Vermeidung unnötiger Prüfaufwände wichtige Aspekte.

Stahldat SX ist seit Anfang 2012 als Online-Version verfügbar. Dazu hat der Systemanbieter Metatech im Auftrag des Stahlinstituts VDEH in Düsseldorf die europäische Stahlregistratur und eine umfangreiche Wissensbasis zu einem gemeinsamen System integriert. Diese Lösung ist unter www.stahldaten.de im Internet verfügbar und ermöglicht einen umfassenden Überblick über alle europäischen Stahlsorten. So umfasst Stahldat SX alle offiziellen Stahlwerkstoffe mit Verweisen zu Normen, Lieferbedingungen, Produktformen und den entsprechenden Herstellern. Thermophysikalische Eigenschaften, ZTU-Diagramme, und Fließkurven für die Kalt- und Warmumformung sind aktuell die wesentlichen technischen Inhalte. Außerdem sind Tausende von Prüfdaten von Feinblech-Werkstoffen für die Automobilindustrie aus umfangreichen Gemeinschaftsprojekten der Stahl- und Automobilindustrie enthalten. Auf Grund dieser vielfältigen Funktionen bietet sich das Informationsangebot als Werkzeug für Konstruktion, Forschung und Entwicklung, Einkauf, Vertrieb sowie für Qualitätsstellen. Erste Anwender nutzen das System ebenfalls als Grundlage für den Aufbau einer Intranet-Lösung.

Stahldat SX bietet eine breite Wissensbasis für Stahl im Internet – frei konfigurierbare Suchmasken und Werkstoffvergleiche unterstützen die Anwender bei der Bewertung von Werkstoff- und Prozessalternativen.

Veränderung von Werkstoffeigenschaften simulieren

Dennoch fehlen in der Praxis für Aufgaben wie die Optimierung von Umform- und Wärmebehandlungsprozessen mittels FEM-Tools oft konsistente Werkstoffdaten. Denn die Ermittlung spezieller Werkstoffdaten ist mit klassischen Prüfmethoden sehr aufwändig. Einen Ausweg bietet hier die Werkstoffdatensimulationssoftware JMATPRO, mit der zum Beispiel Veränderungen der Werkstoffeigenschaften über die Prozesskette nachvollzogen werden können. So liefert die Software für Legierungssysteme wie Stähle, Nickel-, Aluminium- und Titan-Legierungen Werkstoffdaten in Abhängigkeit von chemischer Zusammensetzung, Temperatur und Wärmebehandlung. Über entsprechende Schnittstellen werden diese Informationen schließlich den CAE-Werkzeugen wie Simufact, Ansys, Deform, Forge oder Magmasoft zur Verfügung gestellt.

Ergonomie und Praxistauglichkeit als Erfolgsfaktor

Die Wirkleistung eines IT-Systems hängt entscheidend von der Nutzerakzeptanz ab. Auch Gelegenheitsnutzer müssen das System als Werkzeug nutzen können. Wie auch bei CAE-Systemen wurden in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Ergonomie der Werkstoffdatensysteme deutliche Fortschritte gemacht. Die Werkstoffdatensimulationssoftware ist ein Beispiel dafür, dass komplexe Berechnungen jetzt auch für Praktiker ohne werkstoffwissenschaftliche Ausbildung zugänglich sind. So können zum Beispiel mit den Eingangsdaten eines Werkszeugnisses für einen Stahl die wesentlichen Werkstoffdaten für eine FEM-Simulation ergonomisch und mit minimaler Einarbeitung berechnet werden. Dies bezieht auch Eigenschaftsänderungen in Folge von Wärmebehandlungen mit ein. In allen Bereichen – vom Legierungsdesign in der Stahlindustrie bis zur Produktentwicklung etwa in der Automobilbranche – ist Geschwindigkeit und Kostensenkung, auch durch Reduktion von Prüfaufwänden, die Motivation.

Daten konsequent in der Praxis nutzen

Die Ergebnisse aus Simulation und Werkstoffprüfung sollten aber nicht in Archiven verschwinden, sondern müssen für Mitarbeiter auch anderer Arbeitsgruppen unter Beachtung von Berechtigungssystemen zur Verfügung gestellt werden. Freigegebene, CAE-neutrale Werkstoffmodelle sind demnach ein konsequenter Schritt und Bestandteil moderner Werkstoffdatensysteme.