Virtual Prototyping: Auf dem Weg in die digitale Karosseriefabrik

Virtual Prototyping: Angesichts der Notwendigkeit, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, sowie des anhaltenden Trends zur E-Mobilität arbeiten Automobilhersteller und Zulieferer an der Entwicklung von leichten, individuellen und nachhaltigen Produkten, die sich in „Losgröße 1“ herstellen lassen.

Virtual Prototyping: Eine Frage der Kosten

Die Leichtbauweise hat sich im Karosserie- und Fahrwerksdesign zum neuen Maßstab entwickelt. Der Trend geht weg von Karosserie- und Fahrwerksteilen aus 100 Prozent Stahl und hin zu Multi-Material-Strategien, wobei hauptsächlich Stahl mit Aluminium und Verbundwerkstoffen kombiniert wird.

Fragestellungen wie die Suche nach dem richtigen Materialmix, die Anwendung des richtigen Materials an der richtigen Stelle, die Optimierung von Geometrien und Dicken sowie die Auswahl der optimalen Fügetechnologien müssen frühzeitig geklärt werden – und zwar sowohl in Bezug auf ihre Festigkeit als auch auf ihre Herstellbarkeit und Kosten. Dabei ist das Vertrauen in die Zuverlässigkeit der Prognosen die Grundlage, um die zunehmende Komplexität bei der Herstellung dieser hochmodernen Baugruppen effizient beherrschen und die Gewichtsvorgaben für das Fahrzeug erfüllen zu können.

Darüber hinaus sind die Multi-Material-Baugruppen der Schlüssel zur Herstellung von Fahrzeugkarosserien mit dem besten Kosten-Gewicht-Verhältnis und zur Steigerung der Energieeffizienz bei der Produktion. Allerdings gehen erhöhte Investitionen in den Fahrzeugantrieb zu Lasten von ­Karosserie- und Fahrwerkbudgets. Dadurch erhöht sich der Druck, bei der Entwicklung und Herstellung dieser Fahrzeuge eine bessere Kosteneffizienz zu erzielen.

Auf dem Weg zum virtuellen End-to-End-Prototyping

In den letzten Jahrzehnten war die numerische Simulation ein wichtiges Instrument für OEMs zur Einschätzung der Herstellbarkeit und Validierung der Designleistung. Jedoch werden Entscheidungen in Bezug auf die Fertigung des Rohbaus und der Karosserie erst relativ spät im Prozess getroffen, nämlich nach dem Design Freeze. Dabei verlassen sich OEMs immer noch stark auf physische Tests. Verformungen an Baugruppen werden von den Ingenieuren oftmals zu spät im Prozessablauf erkannt. Späte Änderungen im Design und Iterationsschleifen führen aber zu zusätzlichen Kosten und Verzögerungen beim Produktionsbeginn.

Das Bestreben, Fertigungsentscheidungen nach vorn zu verlagern, ist dabei nicht neu. Doch der Design-to-Cost-Ansatz erhöht zusätzlich den Druck. Bewährte Verfahren ermöglichen, so früh wie möglich in der Planungsphase mit hochgradig zuverlässigen Prognosen ein optimales Design zu entwickeln und dieses dann zu validieren. Damit lassen sich kostspielige Prototypen und späte Designänderungen bei der Validierung in der Vorproduktion vermeiden.

Fluider Workflow bis zur Serienproduktion

Solch ein optimales Design durch einen rein digitalen Ansatz zu erreichen, ist anspruchsvoll. Zwei Hauptaspekte stellen einen fluiden Workflow bis zur Serienproduktion sicher (siehe Grafik):

• Einzelteilfertigung: Die detaillierte Simu­lation der Einzelteilfertigung hat sich seit vielen Jahren in der Branche etabliert. Allerdings erfolgt sie erst spät im Workflow, da die Ingenieure zuerst verschiedene Werkzeugumgebungen festlegen müssen. Durch das Aufkommen moderner, gemischter Materialien benötigen die Auto­mobilhersteller frühzeitig Vertrauen in die Entscheidung, welches Material an welcher Stelle am besten funktioniert. Umso wichtiger ist es deshalb, die Herstellbarkeit von Anfang an abschätzen zu können, sobald die ersten CAD-Daten und Material­listen existieren. Mit virtuellem Prototyping können Ingenieure all diese Informationen in frühen Entwicklungsphasen berücksichtigen und damit die Vorhersagbarkeit der Funktions- und Leistungsvalidierung sowie des Montageprozess verbessern – lange bevor man Prozesswerkzeuge und Formen definiert.

• Fügeverfahren: Die Möglichkeiten zur Verbindung von Multi-Material-Baugruppen sind äußerst vielfältig. Um die perfekte Kombination aus Material und Verfahren zu finden, kommt es darauf an, das Fügeverfahren genau zu modellieren und zu simulieren, damit sich die Verbindungsstärke auf die Crash- und Lebensdaueroptimierung übertragen lässt. Darüber hinaus müssen die Ingenieure die Auswirkungen des Fügeverfahrens auf die Geometrie und Toleranzen der Komponenten berücksichtigen, um eine Prognose zur Qualität der Baugruppen treffen zu können. Das Ziel ist dabei stets, so früh wie möglich die sicherste Vorhersage mit minimaler Rechenzeit zu treffen.

Keine kostspielige Logistik dank Virtual Prototyping

In der späteren Validierungsphase der Vorproduktion werden erste physische Teile von verschiedenen Zulieferern und Standorten an die Montagewerke des OEMs gesendet, um die endgültigen Montage­toleranzen und die Qualität zu überprüfen. Anstelle dieser kostspieligen Logistik sind Ingenieure dank virtuellem Prototyping nun in der Lage, mittels 3D-Scans der Einzelteile die Auswirkungen des Fügeverfahrens als Input für ihre Montagesimulation zu berücksichtigen, Toleranzabweichungen an Teilen und Baugruppen abzuschätzen und kostspielige Versuch-Fehler-­Phasen zu vermeiden.

Diese 3D-Scans kann man sogar durch digitale Ergebnisse von Fertigungsverfahren wie dem Stanzen ersetzen. Dadurch lassen sich Verformungen und Toleranzen an Rohbau und Fahrwerk sowie die optische Anmutung der Karosserie (Class-A-Flächen) bereits in einem frühen Entwicklungsstadium analysieren und vorhersagen. So entstehen Endprodukte mit höchsten Qualitätsstandards, die sich innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs produzieren und montieren lassen.

Auf dem Weg zum „Zero Real Prototyp“

Virtuelles Prototyping ist ein ganzheitlicher Ansatz zur frühzeitigen Validierung von Material- und Konstruktionsentscheidungen sowie von Fertigungs- und Montageverfahrensstrategien. Dabei haben die Entscheidungen stets einen Bezug zur Funktions- und Leistungsvalidierung. Diese ­robuste Grundlage schafft Vertrauen in frühe Entscheidungen und ebnet den Weg für eine digitale Karosseriefabrik, in der Automobilhersteller den Ansatz des „Zero Real Prototyps“ vorantreiben können. Der gesamte Produktentwicklungszyklus lässt sich letztendlich verkürzen sowie die Kosten und die Zeit bis zum Produktionsstart (SOP) minimieren.

Nissan: Weniger Entwicklungszeit für neues Leichtbaumaterial

Der japanische Automobilhersteller Nissan untersuchte mittels Virtual Prototyping die Verwendung von Mischmaterialien (Aluminium, Stahl und Verbundwerkstoffe), um seine Ziele bei der Gewichtsreduzierung im Rahmen des Nissan Green Programms zu erreichen. Ende 2020 gab das Unternehmen den Durchbruch bei der Produktion von Karbonfaserteilen bekannt. Die Herstellung eines karbonfaserverstärkten Bauteils dauerte bisher zwei Stunden und konnte auf zwei Minuten reduziert werden, wodurch man die Produktionszeit für ein einzelnes Formteil um 80 Prozent senken konnte.

Dank dieser technologischen Agilität kann Nissan nun auch komplexe Teileformen produzieren, was eine durchschnittliche Gewichtsreduzierung von 80 Kilogramm pro Fahrzeug bedeutet. Dieser Erfolg wurde nicht zuletzt durch die zuverlässige Entscheidungsfindung und frühzeitige Optimierung sowie durch den synchronisierten Arbeitsablauf in der Konstruktion und Fertigungstechnik für Umform-, Wärmebehandlungs-, Füge- und Montageverfahren möglich.

Der Autor Matthieu Niess ist Industry Program Leader bei der ESI Group.

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