Materialsubstitution: So lassen sich Gewicht und Kosten reduzieren

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Schienenfahrzeugkomponenten müssen über einen Zeitraum von oft mehr als 30 Jahren zuverlässig funktionieren und dabei zahlreiche Sicherheitsanforderungen erfüllen. Über ihre gesamte Lebensdauer müssen sie extremen Temperatur- und Klimabedingungen sowie mechanischen Belastungen standhalten. Ein Simulationswerkzeug von Altair ermöglicht jetzt Verbesserungen eines Strukturbauteils bei Knorr-Bremse Rail Systems.

In der Entwicklung von Eisenbahnkomponenten war jahrzehntelang Metall das Material der Wahl. Im Streben nach einer höheren Energieeffizienz, aber auch vor dem Hintergrund der zunehmenden Leistungsfähigkeit von technischen Kunststoffen, wird Metall zunehmend durch zugeschnittene neue Materialien und Materialsubstitution ersetzt. Beschleunigt wird dies durch den Einsatz von neuen Entwicklungswerkzeugen, wie etwa moderne Simulationssoftware.

Simulationsgetriebene Entwicklung

X-Plast ist ein junges Design- und Engineering-Unternehmen mit Sitz in Ungarn, das sich auf die Entwicklung und Herstellung von Kunststoff-Spritzgussprodukten spezialisiert hat. Als Entwicklungspartner zahlreicher internationaler Organisationen bietet X-Plast Komplett-Lösungen vom ersten Entwurf bis zur Endmontage hochwertiger Produkte.

Um alle Entwicklungsanforderungen ihrer nachhaltigen Designs zu erfüllen, setzt das Unternehmen auf moderne, ausgereifte Software. Mit dem hauseigenen simulationsgetriebenen, integrierten Entwicklungsprozess können Nichtlinearität, Prozesssimulation und Anisotropie berücksichtigt werden. So entsteht eine vollständig gekoppelte Analyse.

Materialsubstitution: Kunststoff statt Metall reduziert Gewicht und Kosten

Knorr-Bremse ist ein führender Anbieter von sicherheitskritischen Systemen für den Schienenverkehr. In einer mehrjährigen Kooperation arbeiten beide Firmen zusammen, um Metallbauteile durch Kunststoffkomponenten zu ersetzen, um Kosten einzudämmen und Gewicht zu reduzieren. Im Rahmen eines Pilotprojektes wurde ein Metallbauteil in kunststoffgerechter Weise neu konstruiert, wobei die Leistungs- und Steifigkeitsvorgaben des ursprünglichen Bauteils erfüllt, Gewicht und Kosten reduziert werden sollten.

Um die optimale Struktur zu finden, wurde eine Topologieoptimierung in Altair Inspire durchgeführt. Als Ausgangspunkt für diese verwendeten die Ingenieure ein Bauraummodell, welches das ursprüngliche Metallteil umfasste. In der intuitiven Inspire-Oberfläche lassen sich Fertigungshilfsmittel, Designeinschränkungen und Randbedingungen einfach auf das Modell anwenden, so wurde eine vorläufige Rippenstruktur ermittelt.

Werkzeuge ermöglichen die Analyse von Details

Um verschiedene Designvarianten in sehr kurzer Zeit zu evaluieren, nutzte X-Plast das Simulationswerkzeug Altair SimSolid. So konnte das Team schnell eine herstellbare Lösung finden und dabei gleichzeitig die Steifigkeit des Bauteils weiter erhöhen. Mithilfe einer klassischen FE-Analyse wurde die Geometrie des Einlegers optimiert und die mechanische Festigkeit der Baugruppe vorab isotrop ermittelt.

Mit Altair SimLab und Altair OptiStruct ließen sich zudem reale Bedingungen und Nichtlinearitäten, wie etwa Kontakte, Reibung sowie unterschiedliche Betriebstemperaturen berücksichtigen. Darüber hinaus ermöglichten diese Werkzeuge die Analyse von Details wie das Auftreten von Spannungskonzentrationen in den Metalleinlegern. Im letzten Schritt der isotropen Phase des integrierten Entwurfsprozesses erfolgte eine spannungsbasierte Lebensdauerbewertung.

Gute Balance zwischen Simulationszeit und Genauigkeit der Materialsubstitution

Um die anisotropen Eigenschaften des Bauteils zu berücksichtigen, wandte sich X-Plast an Part Engineering, einem Entwickler der Softwarelösungen Converse, und S-Life Plastics – beide erreichbar über die Altair Partner Alliance (APA). Mit Converse ist es möglich, die Lücke zwischen der Spritzgusssoftware und dem FE-Simulationsmodell zu schließen. S-Life Plastics ermöglicht es, eine auf Materialdaten basierende Festigkeitsbewertung und Lebensdauervorhersage durchzuführen. Die Aussagegüte der Simulation ist so deutlich höher gegenüber einer isotropen Betrachtung.

Die Spritzgießsimulation liefert dem Bauteil- und Werkzeugkonstrukteur wichtige Erkenntnisse wie Schwindungs- und Verzugseffekte. Diese können rechtzeitig identifiziert und entsprechend korrigiert werden. Die Faserorientierungen für die komplexe anisotrope Analyse können mit Spritzgießsimulationstools wie Altair Inspire Mold ermittelt werden.

Inspire bietet eine gute Balance zwischen Simulationszeit und Genauigkeit und ebnet so den Weg zu einem anisotropen Simulationsmodell. Converse hilft im nächsten Schritt durch Mapping und Export der Faserorientierung und anderer ausgewählter Spritzgießergebnisse, das homogene, isotrope FE-Modell in ein eigenständiges anisotropes OptiStruct Modell zu überführen. Neben einer elementbezogenen Orientierung wird auch ein anisotropes Materialmodell für die richtige Materialsubstitution benötigt, das mit dem in Converse integrierten MatScape innerhalb weniger Minuten erzeugt werden kann.

Nachhaltigere und kosteneffizientere Serienproduktion

Nach dem Mapping folgt die anisotrope Analyse. S-Life Plastics bietet nachfolgend eine vollautomatische, auf der Faserorientierung basierende Lebensdauervorhersage, die verschiedene Einflussfaktoren berücksichtigt und den Kreislauf des integrierten Designprozesses schließt. Dank integriertem Entwicklungsprozess, Erfahrung und dem Einsatz moderner Softwarelösungen ist X-Plast in der Lage, technisch anspruchsvolle, langlebige und nachhaltige Kunststoffprodukte zu schaffen, welche den hohen Qualitätsstandards gerecht werden und die Betriebs- und Fertigungsanforderungen erfüllen.

Mit diesem ganzheitlichen integrierten Produktdesign konnte X-Plast das mechanische Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Temperaturbedingungen verifizieren und die gewünschte Lebensdauer gewährleisten. Das Unternehmen erreichte die Serienproduktion innerhalb von acht Monaten, sparte 35 Prozent der Produktkosten und reduzierte das Gewicht um 25 Prozent, während gleichzeitig eine Lebensdauer von 30 Jahren gewährleistet wurde.

ROI steigern und Nachhaltigkeitsziele erreichen

Als wichtiger Innovationstreiber bietet die Digitalisierung dem Bahnsektor exzellente Möglichkeiten, die Zuverlässigkeit von Komponenten zu verbessern und gleichzeitig die Umweltbelastung zu reduzieren. Durch den Einsatz der Altair Lösungen konnte X-Plast sowohl die Gewichtsziele für das Kunststoffbauteil erreichen als auch alle anderen Leistungsziele erfüllen. Während Nachhaltigkeit normalerweise mit einem höheren Aufwand verbunden ist, um allen Anforderungen zu genügen, ist das Kunststoffdesign von X-Plast sogar kostengünstiger als das ursprüngliche Metallbauteil. Mit den richtigen Werkzeugen und dem Know-how von Experten wie X-Plast können Unternehmen ihren ROI steigern und gleichzeitig ihre Nachhaltigkeitsziele erreichen.

Die Autoren sind Mirko Bromberger, Director Marketing Dach-Benelux, Altair, und Viktor Seres, CEO bei X-Plast.

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