Optimierung und Konstruktion eines Ölausgleichsbehälters

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Das Angebot der M.TEC Ingenieurgesellschaft für kunststofftechnische Produktentwicklung mbH  konzentriert sich auf Industriemärkte wie den Automobilbau, die Medizintechnik, Telekommunikation, Gebäudetechnik, Elektronikindustrie und Haushaltsgeräte. Dabei legt das Unternehmen seinen Schwerpunkt auf den Bereich der Kunststofftechnik und bietet mit seinen Dienstleistungen Lösungen bei Industriedesign, Konstruktion, Materialauswahl, Simulation & Berechnung, Prototypenentwicklung, Versuch & Erprobung, Werkzeugentwicklung, Qualitätssicherung und der Industrialisierung. Darüber hinaus verfügen die Experten von M.TEC über ein umfangreiches Know-how in der CFD-Simulation, Lichtentwicklung, Dynamik und Akustik.
M.TEC setzt für seine Dienstleistungen in den Bereichen Entwicklung und Simulation seit vielen Jahren erfolgreich die Tools der Altair HyperWorks CAE Suite ein. Mit anfänglichem Fokus auf HyperMesh, dem Pre-Prozessor der Suite, hat M.TEC die Nutzung im Laufe der Zeit auch auf Solver wie OptiStruct und RADIOSS und sogar auf Lösungen von Drittanbietern ausweiten können, die über die Altair Partner Alliance (APA) angeboten werden. Als Engineering-Dienstleister für viele verschiedene Industriemärkte und Anwendungsbereiche ist es für M.TEC besonders wichtig, flexibel und kosteneffizient auf möglichst viele Softwarewerkzeuge zugreifen zu können, um Kundenanfragen aus allen Branchen zu bearbeiten.

Der Anwendungsfall: Ölausgleichsbehälter

Die Simulation eines Kunststoffbehälters ist eine typische Aufgabe für die Ingenieure von M.TEC. Im hier beschriebenen Anwendungsfall wies ein bereits bestehender Ölausgleichsbehälter Fehler auf, die eine neue Konstruktion erforderlich machten. Die Originalkonstruktion wurde von einem dritten Unternehmen erstellt. Hier fand im Vorfeld eine FE-Simulation statt, die jedoch keine höheren Spannungen oder Lasten in den Bereichen zeigte, in denen das Versagen auftrat.
Nun war das Wissen der Experten von M.TEC gefragt: Um den Fehler zu finden, überprüften sie die Konstruktion des Ölausgleichsbehälters und führten weitere Simulationen durch. Anders als im ersten Ansatz des dritten Unternehmens, bei dem ein isotropes Materialverhalten zugrunde gelegt wurde, berücksichtigten die Ingenieure von M.TEC in der Simulation die Faserorientierung für das Material, das beim Behälter verwendet wurde. Das Ergebnis zeigte bei dieser Betrachtungsweise genau in den Bereichen höhere Spannungen, an denen es vorher zum Versagen kam.
Um die genaueren Ergebnisse zu erhalten, wurde von M.TEC zuerst eine Spritzgusssimulation durchgeführt und die Faserorientierung dann auf das FE-Modell übertragen. Dieser deutlich höhere Aufwand war notwendig, um den Grund für das Materialversagen nachvollziehen zu können. Denn entscheidend für die Auslegung in der Entwicklung ist es, die Materialeigenschaften des hier verwendeten anisotropen Materials zu berücksichtigen.
Im Detail sah der Entwicklungsprozess bei M.TEC wie folgt aus: Im ersten Schritt wurde zur Neukonstruktion im Analyseprozess mit OptiStruct eine Strukturoptimierung des Ölausgleichbehälters vorgenommen. Die erzielten Optimierungsergebnisse dienten dazu, ein neues CAD-Modell zu erstellen, mit dem die Ingenieure von M.TEC im nächsten Schritt eine Füllsimulation mit Moldex3D durchführten. Um das komplette Materialverhalten in der Simulation nachzubilden, wurden im Anschluss mit Digimat die Faserorientierung und die Materialdaten auf das Modell übertragen. Im nächsten Schritt erfolgte eine erneute FE-Simulation, bei der die anisotropen Materialeigenschaften berücksichtigt wurden. Das mit OptiStruct erstellte Konzept wies bessere Resultate auf als das ursprüngliche Design und kam mit weniger Material aus.
Wichtig war es in diesem Projekt, zunächst die ursprüngliche Konstruktion des Ölausgleichsbehälters zu simulieren; denn nur so ließ sich ermitteln, an welchen Stellen im Material Versagen auftrat. Bei der erneuten FE-Analyse konnte aufgezeigt werden, wo das Problem lag und die Konstruktion des Behälters konnte mit OptiStruct optimiert werden. Aufbauend auf dem neuen Design wurde der vorher angewendete Simulationsprozess noch einmal Schritt für Schritt wiederholt, das heißt, es kamen Moldex3D, nachfolgend Digimat und dann wiederum der FE-Solver zum Einsatz, um das neue Design auf seine Belastungen zu überprüfen. Dank dieses neuen Arbeitsablaufes konnten deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden als mit dem vorherigen Design.

Genauere Simulationen und ­flexibler Softwareeinsatz

Der neue Konstruktionsprozess von M.TEC ist nicht nur arbeitsaufwändiger, er macht auch den Einsatz einer ganzen Reihe an Softwarewerkzeugen erforderlich. Müssten Unternehmen wie M.TEC für jedes dieser Tools Lizenzen vorhalten, wären Entwicklungsprozesse wie der oben beschriebene eine teure Angelegenheit.
Eine gute Alternative zu einzelnen Softwarelizenzen bietet das Altair-HyperWorks-Lizenzsystem, über das mit der Altair Partner Alliance auch auf viele Werkzeuge von Drittanbietern zugegriffen werden kann. Dank der Teilnahme am APA-Programm konnten die Ingenieure von M.TEC ohne zusätzliche Investitionen auf fast alle in diesem Prozess benötigten Software-Tools zugreifen und das Projekt im gesteckten Zeit- und Kostenrahmen bearbeiten.
M.TEC nutzt HyperWorks bereits seit geraumer Zeit und gehörte 2008 mit zu den ersten Unternehmen, die Produkte der Altair Partner Alliance in ihre Entwicklungsprozesse integrierten. Den Anstoß zur Nutzung der HyperWorks Suite gab HyperMesh, das Vernetzungswerkzeug der Suite. In den folgenden Jahren begann das Unternehmen auch mit der Nutzung anderer Tools wie OptiStruct für Optimierungsaufgaben, RADIOSS für hochdynamische Simulationen wie Crash-Simulationen oder Falltests, FEKO für elektromagnetische Analysen, HyperForm für Umformsimulationen (zum Beispiel für die Faserorientierung) und HyperView für alle Post-Processing-Aufgaben.
Mit Einführung der APA bot es sich für M.TEC an, auch weitere Produkte mit den bereits vorhandenen HyperWorks-Lizenzen zu nutzen. Heute hat die Ingenieurgesellschaft für kunststofftechnische Produktentwicklungen ohne zusätzliche Kosten flexiblen Zugriff auf jedes der über die Partner Alliance angebotenen Werkzeuge. Dazu gehören neben den HyperWorks-Produkten unter anderem SC/Tetra von Software ­Cradle für CFD-Simulationen, Digimat zusammen mit RADIOSS und Moldex3D, um die Faserorientierung aus Füllsimulationen auf das FEA-Simulationsmodell zu übertragen, Moldex3D für Füll- und Spritzgusssimulationen, KEY to METALS für das Materialdatenmanagement und nCode DesignLife für Lebensdaueruntersuchungen.

Das Ergebnis: ein wachsendes Geschäft

Der große Vorteil der APA ist die enorme Flexibilität; denn mit nur einer Lizenz kann auf alle darüber angebotenen Werkzeuge zugegriffen werden. Engineering-Dienstleister wie M.TEC sind für ihre Kunden immer auf der Suche nach der technisch besten und wirtschaftlichsten Lösung und benötigen dafür eine Vielzahl an Software-Tools.
Da einige Tools jedoch nur selten gebraucht werden, ist die APA optimal, weil sie ohne zusätzliche Kosten den Zugriff auf eine große Anzahl an Werkzeugen ermöglicht. So können die Ingenieure auch so komplexe Aufgaben wie die Neukonstruktion des oben beschriebenen Anwendungsfalles wirtschaftlich bearbeiten und zu optimalen Ergebnissen kommen. (anm)


Autoren: Stefan Vogler, Teamleiter der CAE-Abteilung der M.TEC GmbH, und Mirko Bromberger, Director Marketing der Altair Engineering GmbH

  • Ursprüngliches FE-Modell; Darstellung der Materialbelastung.
  • Ergebnis der optimierten Struktur des Ölausgleichs­behälters.
  • Optimiertes Design: Darstellung der neuen Materialbelastung.
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