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Über dieses Buch

Das Buch zeigt alle notwendigen Schritte zur Realisierung eines digitalen Prototyps auf und erläutert im Detail die Forschungsergebnisse der Disziplinen virtuelle Materialmodellierung, Prozesssimulation, Datenstrukturen und digitale Auslegung mit dem Fokus auf der Multi-Skalen-Simulation von faserverstärkten Bauteilen.Der digitale Prototyp stellt das Bindeglied zwischen klassischen Ingenieurstätigkeiten und der Industrie 4.0 dar. Bauteilauslegungen und Prozesssimulationen werden vor der realen Fertigung durchgeführt und optimiert. Dies führt zu kürzeren Entwicklungszeiten und schont Ressourcen. Eine integrierte CAM-Schnittstelle ermöglicht den Datenübertrag an ausführende Produktionseinheiten wie Roboter, Flechtmaschinen oder Injektionspressen. Zusätzlich dient der digitale Prototyp als Fertigungsprotokoll in dem alle anfallenden Daten erhoben und für spätere Optimierungsschleifen oder QSM abgespeichert werden.Die CAM-Schnittstelle und das HDF5-Format dienen als Aufsetzer für das Projekt "Digitaler Fingerabdruck" der 2. Förderphase des Forschungscampus ARENA2036. Hier wurde das Potenzial erkannt und für neue Fertigungstechnologien erweitert. Im Bereich der Flechtprozessoptimierung bietet der elektronische Klöppel ein riesiges Potenzial. Mit diesem System ist es möglich komplexere Bauteile herzustellen und neue Faserarchitekturen im Umflechtprozess zu modellieren, wodurch neue Anwendungsfelder bedient werden und die Umflechtprozesstechnik für neue Unternehmen interessant wird.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Der Forschungscampus ARENA2036

Zusammenfassung
Der Forschungscampus ARENA2036 ist ein neuer, langfristiger Projektansatz, der vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF; Forschungscampus ARENA2036) finanziert wird. Er ist einer der neun großen wissenschaftlichen Campi in Deutschland und ist der einzige, der direkt in die Hauptphase (Phase 1) gestartet ist. Die ARENA2036 befindet sich in Baden-Württemberg (Deutschland), ist seit 2013 Teil der Universität Stuttgart und besitzt seit Dezember 2016 sein eigenes Gebäude auf dem Universitätscampus. ARENA2036 ist ein Akronym für „Active Research Environment for the Next Generation of Automobiles“ und die Datierung 2036 entspricht dem 150. Jahrestag des Automobils. Die ARENA2036 startete 2013 mit vier öffentlich geförderten Startprojekten und hat mittlerweile ca. 90 unterschiedliche – sowohl öffentlich gefördert, als auch drittmittelfinanziert – Projekte initiiert, über 30 unterschiedliche Partner aus Industrie und Forschung und mehr als 100 Mitarbeiter unter ihrem Dach. Das große Ziel der Forschungscampi ist es, die Industrie und die wissenschaftlichen Institute zum gemeinsamen Forschen zu animieren. Forschung soll in einem Gebäude und unter einem Dach praktiziert werden.
Jörg Dittmann, Peter Middendorf

2. Der Digitale Prototyp

Zusammenfassung
Das Projekt DigitPro – „Ganzheitlicher digitaler Prototyp im Leichtbau für die Großserienproduktion“ wurde im Rahmen der ARENA2036 als eines der ersten Startprojekte des neuen Forschungscampus ins Leben gerufen. Das Projekt startete im Juli 2013 und endete im Juni 2018.
Jörg Dittmann, Peter Middendorf

3. Materialmodellierung und virtuelles Testen

Zusammenfassung
Textilbasierte Verbundwerkstoffe wie Gewebe oder Geflechte zeichnen sich durch ihre komplexe Faserbündelarchitektur aus und erfordern für die Materialcharakterisierung einen hohen experimentellen Aufwand. Die Fertigungsrandbedingungen spielen dabei eine maßgebende Rolle und beeinflussen direkt die Faserarchitektur, welche eine Rückwirkung auf die Materialkennwerte hat. Zum Beispiel nehmen die Kennwerte außerhalb der Ebene bei erhöhter Faserwelligkeit auf Kosten von reduzierten intralaminaren Kennwerten zu. Ein Verständnis dieser komplexen Zusammenhänge kann insofern hauptsächlich durch numerische Untersuchungen gewonnen werden. In DigitPro wird ein numerischer Ansatz zur virtuellen Ermittlung der Materialeigenschaften auf mesoskopischer Ebene entwickelt, auf welchem die Textilarchitektur detailliert abgebildet und mit Finite-Elemente-Methoden simuliert wird. Anhand von Beispielen werden die Vorteile solcher Simulationsmethodiken in den nächsten Abschnitten erläutert.
Mathieu Vinot, Martin Holzapfel, Nathalie Toso

4. Integration der Prozesssimulation in den Digitalen Prototyp

Zusammenfassung
Für die Digitalisierung der Fertigungstechnologien und die Anknüpfung an die Industrie 4.0 ist eine korrekte Abbildung der Prozesssimulationen mit zugehöriger CAM-Schnittstelle unumgänglich. Hierbei ist es wichtig, das reale Verhalten der Werkstoffe und der Maschinen abzubilden, da der nahtlose Übergang von der Simulation zu den Produktionsmaschinen das Ziel zukünftigen Fabriken sein wird (Digitalisierung). Eine schlechte Abbildung der Realität würde zu schlechter Bauteilqualität oder Beschädigungen an den Produktionsstätten führen. Im Projekt DigitPro wurde der Fokus auf die Verbesserung der Vorhersagequalität von vier Prozessschritten gelegt. Hierbei stellten der Umflechtprozess und der Drapierprozess die Preformingroute dar. Der Infiltrationsprozess baute auf diesen Preforming-Prozessen auf und erweiterte die Vorhersage der textilen Architektur hinsichtlich der Infiltrierbarkeit dieser Strukturen und Modelle.
Jörg Dittmann, Patrick Böhler, Florian Fritz, Andreas Pau, Norbert Dölle, Mathieu Imbert, Albrecht Dinkelmann, Hermann Finckh, Götz T. Gresser, Peter Middendorf

5. Mapping – Übertragung der Ergebnisse der Prozesssimulation auf die Struktursimulation

Zusammenfassung
Das Übertragen oder auch Mappen von Simulationsergebnissen von einem Prozessschritt auf den Nachfolgenden stellt einen zentralen Bestandteil des Digitalen Prototyps dar. Hierfür wurde das Tool envyo® verwendet und weiterentwickelt. Im Folgenden werden die entwickelten Übertragungsmethoden zwischen den verschiedenen Prozessschritten vorgestellt und diskutiert. Abb. 5.1 zeigt den Prozessablauf, wie er im Rahmen des Projektes für ein Flechtbauteil und ein mit der Open-Reed-Weaving (ORW) Technik hergestellten Bauteils betrachtet wurde.
Christian Liebold, André Haufe

6. Simulation von textilbasierten Faserverbundbauteilen unter statischer und dynamischer Beanspruchung

Zusammenfassung
In Abb. 6.1 ist die virtuelle Testpyramide für die Charakterisierung der untersuchten textilbasierten Verbundlaminate dargestellt. Ziel der Untersuchung ist der Vergleich zwischen den numerischen Ansätzen nach dem Stand der Technik und den im DigitPro entwickelten numerischen Ansätzen. An der Basis der Pyramide werden Flachproben unter Zug- und Druckbelastung numerisch untersucht. Die gefundenen numerischen Methoden werden in einer zweiten Stufe für die Simulation von Stauchrohren und Lochleibungsproben übertragen. Damit wird die Fähigkeit dieser Modelle zur Abbildung der Energieabsorptionsmechanismen geprüft. Letztendlich werden die Ansätze zur Struktursimulation von zwei komplexeren Zielbauteilen jeweils für den Web- und Flechtprozess angewendet.
Mathieu Vinot, Martin Holzapfel, Nathalie Toso, Andreas Pau, Norbert Dölle

7. Die CAM-Schnittstelle

Zusammenfassung
Wie bereits in der Einleitung des Buches beschrieben, verbindet die im Digitalen Prototyp integrierte CAM-Schnittstelle die Simulationen mit der realen Fertigung. Die Motivation für die Umsetzung einer CAM-Schnittstelle liegt neben der Reduzierung manueller Fertigungstätigkeiten vor allem auch in der Generierung gleicher Ausgangszustände für Simulation und Fertigung. Gerade bei sensitiven Fertigungsprozessen, wie dem Umflechtvorgang, können kleine Unterschiede in den Eingabeparametern (z. B. Flechtgeschwindigkeit, Vorschubwinkel, Rotationsgeschwindigkeit etc.) zu großen Veränderungen in der Abspannung des Textils bzw. zu unterschiedlichen Faserwinkelorientierungen im produzierten Bauteil führen. Dies hat direkten Einfluss auf die Qualität des Bauteils und die prognostizierten/realen Materialkennwerte.
Jörg Dittmann, Patrick Böhler, Joachim Greiner, Peter Middendorf

8. Ein Container zum Simulationsdatenaustausch – der Digitale Prototyp

Zusammenfassung
Im Folgenden soll der im Rahmen vom Digitalen Prototyp entwickelte Datenaustauschcontainer vorgestellt und erläutert werden. Die Entwicklung wird im Rahmen des Anschlussprojektes Digitaler Fingerabdruck fortgeführt, so dass die hier vorgestellte Lösung noch nicht als vollständig betrachtet werden kann vgl. Kommentar Christian.
Christian Liebold, André Haufe

9. Zusammenfassung und Ausblick in die Zukunft

Zusammenfassung
Zusammenfassend kann nach fünf Jahren Projektlaufzeit und dem erfolgreichen Abschließen der ersten Förderphase ein positives Resümee gezogen werden. Projektinhalte wurden umgesetzt, erfüllt und eine erste lauffähige Version des Digitalen Prototyp programmiert. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz eines Digitalen Prototyp und neuer Softwareprogramme die Entwicklungszeit um mindestens 50 % und gleichzeitig das Gewicht der zu optimierenden Zielbauteile um 10 % gesenkt wurde. Durch die Programmierung eines Parser-/Mappingprogramms konnten die Ergebnisse einfacher von Simulation zu Simulation weitergegeben und verwendet werden. Die Verwendung eines zugänglichen quelloffenen Datenformats ermöglicht den einfachen Zugang zu Ergebnissen und die nachträgliche Integration von zusätzlichen Materialien, neuen Prozessschritten sowie neuen Fertigungsmethoden und ist somit auch für die zweite Förderphase (Digitaler Fingerabdruck) von zentraler Bedeutung.
Jörg Dittmann, Peter Middendorf

Backmatter

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