Blattfeder: Modellierungsprozess für verbessertes Design

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Wie ermöglicht eine Kombination aus Simulation Process and Data Management (SPDM), Business Process Management und Design-Optimierungstechnologie die beschleunigte Entwicklung einer Blattfederaufhängung aus Verbundwerkstoffen für Kraftfahrzeuge?

Die Karosserie macht etwa 25 Prozent des Gesamtgewichts aus. Sie ist außerdem für die wichtigsten Fahrzeugeigenschaften wie das Fahrverhalten und die passive Sicherheit verantwortlich. Die Verringerung des Karosseriegewichts ermöglicht die Verkleinerung anderer Systeme wie Motor und Bremsen. Ein leichteres Auto benötigt weniger Antriebskraft und erreicht einen geringeren Benzinverbrauch. Zudem sind kleinere und leichtere Bremsen erforderlich, um es zum Stillstand zu bringen. Aus diesem Grund haben die Erstausrüster (OEM) damit begonnen, in großem Umfang Verbundwerkstoffe in der Karosseriestruktur eines Fahrzeugs zu verwenden, um Gewicht zu sparen und die Energieeffizienz zu verbessern.

Blattfeder aus Faserverbund

Die Blattfeder (ein elastisches Element und Führungsmechanismus der Fahrzeugaufhängung) ist eine der Fahrzeugkomponenten mit hohem Verbesserungspotenzial. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen wie glas- und kohlenstoffverstärkten Polymeren in Blattfederaufhängungssystemen ermöglicht eine Gewichtseinsparung von 50 bis 70 Prozent im Vergleich zu einer Stahlblattfeder. Des Weiteren gewährleistet es gleichzeitig ein hervorragendes dynamisches Verhalten und mehr Sicherheit.

Herausforderungen beim Design

Beim Produktdesign besteht die größte Herausforderung darin, die technischen Anforderungen mit den Fertigungsaspekten in Einklang zu bringen. Das Ziel dabei ist, das Gewicht der Blattfeder zu minimieren, ohne ihre Tragfähigkeit und Steifigkeit zu verringern. Gleichzeitig gilt es, alle anderen technischen Parameter zu erfüllen: mechanische Leistung, Gewicht, Zeitzyklus, Verarbeitung, Materialeinsatz, Kosten und Lebenszyklus-Engineering. Bei der Großserienfertigung in der Automobilindustrie stellen die Materialkosten eines der Haupthindernisse für den Einsatz von Verbundwerkstoffen dar. 

Das Projekt zielte auf die Entwicklung eines Entscheidungs-Unterstützungs-Systems ab, das Materialmodellierung, Business Process Management (BPM)-Tools und multidisziplinäre Konstruktions-Optimierung in einen einzigen Arbeitsablauf integriert.

Die Herausforderung besteht darin, eine Gewichtsreduzierung bei vertretbaren Produktionskosten zu ermöglichen. Daher erfordert der Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Massenproduktion neue Ansätze: Design und Fertigungsprozesse beeinflussen sich gegenseitig. Die anfängliche Wahl des Materials und des Produktionsprozesses kann die möglichen Konstruktionsentscheidungen einschränken und die endgültigen Eigenschaften der Blattfederstruktur stark beeinflussen. Die Einschränkung der Entwurfsmöglichkeiten machen zu Beginn viele der möglichen optimalen Lösungen zunichte.

Darüber hinaus legt der Fertigungsprozess Produktionsbeschränkungen auf, die sich auf die Gesamtlösung des Entwurfsraums auswirken und das Potenzial für eine Gewichtsreduzierung einschränken.

Entwicklungsunterstützung auch durch EU-Projekt

Wie wäre es in diesem Zusammenhang möglich, den komplexen Entscheidungsprozess bei der Auswahl und Konstruktion von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen zu unterstützen? Diese Frage hat Esteco zusammen mit Forschungs- und Industriepartnern im Rahmen des Forschungsprojekts Composelector geklärt, das durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union finanziert wird.

Das Projekt zielte auf die Entwicklung eines Entscheidungsunterstützungssystems ab, das Materialmodellierung, Business-Process-Management-Tools (BPM) und multidisziplinäre Konstruktionsoptimierung in einen einzigen Arbeitsablauf integriert. Die Fallstudie, die im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekts durchgeführt wurde, lässt sich leicht auf die Volta-SPDM-Enterprise-Plattform von Esteco übertragen. Die BPM-Tools ermöglichen es Unternehmen, einen Geschäftsprozess abzubilden, auszuführen und zu überwachen. Das Ziel ist es, das beste Design der Blattfederaufhängung zu identifizieren, das den Kundenanforderungen entspricht. Schauen wir uns an, wie es funktioniert.

Blattfeder: Der unterstützte Modellierungsprozess

Der Volta Modeler bildet den Geschäftsprozess ab, der sich auf die Optimierung des Designs einer Blattfederaufhängung aus Verbundwerkstoff für die Automobilindustrie bezieht. Dieser umfasst eine Reihe von Aufgaben, die auszuführen sind. Von der Definition der Geschäftsanforderungen über die Materialauswahl bis hin zu den CAD-Basismodellen und der Simulationsanalyse. Die Abbildung all dieser Aktivitäten in einem BPMN-Workflow (BPMN für Business Process Modeling and Notation) bedeutet auch, dass die verschiedenen Unternehmensabteilungen bestehend aus Business-, Entwicklungs- und Simulationsebene miteinander verbunden werden und kommunizieren. Anschließend führt der Volta Process Manager den BPMN-Workflow aus und weist die Aufgaben dem funktionsübergreifenden Team zu:

• Der Business Manager hat die Aufgabe, die Spezifikation des Blattfederdesigns (Produktleistungen, Preisgestaltung, Zeitplan, Produktionsvolumen, Werkstoffe und Fertigungsprozesse) in Key-Performance-Indikatoren (KPI) wie Blattfedermasse, Steifigkeit, Zykluszeit und Anforderungen an Teilekosten, Werkstoffe und Fertigungsprozesse zu übersetzen. Die Konstruktions- und Simulationsabteilungen werten diese nun aus.

• Der CAD-Konstrukteur erhält die Liste der KPI und erstellt eine Baseline für das CAD-Modell, das für die Simulation benötigt wird.

• Der CAE-Ingenieur erhält die Simulationsanforderung zur Durchführung der Strukturanalyse. Zudem nutzt er den im Business Prozess enthaltenen Volta Service Task, um automatisch den in der Volta-Enterprise-SPDM-Plattform verfügbaren Simulationsworkflow aufzurufen. So führt er Studien zur Designoptimierung durch.

• Sobald die Simulationsergebnisse verfügbar sind, geht der Informationsfluss zurück zum CAD-Konstrukteur. Dieser wiederum interagiert mit dem Business Manager, um das richtige Design für die Blattfederaufhängung auszuwählen.

Fazit

Die Fallstudie zeigt, wie die verschiedenen Disziplinen (Business, Engineering und Simulation) in einem einzigen BPMN-Workflow koordiniert und ihre Aufgaben innerhalb der Volta-Enterprise-Plattform synchronisiert werden können. Außerdem wird das fehlende Bindeglied zwischen dem Geschäftsprozess und der Automatisierung der Simulation geliefert. Dies ist notwendig, um die Produktanforderungen zu bewerten und gleichzeitig eine vollständige Rückverfolgbarkeit in der Blattfederentwicklung zu gewährleisten.

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Die Autoren Alessandro Viola und Dr. Arnim Brüger sind Product Marketing Specialist bei Esteco s.p.a. und Director der Esteco Software GmbH.