Mehr Effizienz durch automatische FEM-Mittelflächen

Tecosim, Anbieter von Computer Aided Engineering (CAE), und die Hochschule RheinMain präsentierten vergangen Freitag die Ergebnisse des Forschungsprojekts „Automex – Automatische Extraktion von Mittelflächenbeschreibungen aus 3-D-CAD-Volumenmodellen“.

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Software, die bei der Simulation von komplexen, dünnwandigen Komponenten eine Lücke schließen soll. Denn bei fünf bis zehn Prozent aller Bauteile konnten bisher verfügbare Programme die so genannte Mittelfläche nicht berechnen. Bei diesen meist hochkomplexen Komponenten mussten Ingenieure die Mittelfläche manuell erzeugen. Der Aufwand für diese manuelle Bearbeitung lag jedoch bei 70 bis 90 Prozent der gesamten Vernetzungszeit.

Die neue Software Automex soll diese Arbeit deutlich verkürzen: Je nach Komplexität kann dies ein Einsparpotenzial von einigen Stunden bis Tagen bedeuten. Zu den Gästen der Abschlusspräsentation im CIM-Zentrum zählten Vertreter von Opel, der Hessen-Agentur, der Hochschule RheinMain und von Tecosim.

Ein Kühlergrill ist für einen Laien ein scheinbar einfaches Bauteil. Entwicklungsingenieure wissen jedoch, dass die dünnwandige, gerippte Struktur von Kunststoff- oder Metallgussteilen bei einer Crash-Simulation oder NVH-Analyse eine Herausforderung darstellt. Um den Aufwand bei der Berechnung solch komplexer Geometrien im Projektalltag gering zu halten, greift man auf so genannte Flächenmodelle zurück: Das Bauteil wird durch eine in der Mitte liegenden Fläche – die Mittelfläche – repräsentiert.

Diese wird als zweidimensionales Netz dargestellt, hier sind alle wesentlichen Bauteil- und Materialmerkmale enthalten. Doch auch die Erstellung der Mittelfläche hat ihre Tücken, denn bisher konnten bestehende kommerzielle Software-Lösungen nur für 90 bis 95 Prozent aller Bauteile eine Mittelfläche erzeugen. Die Berechnung der Mittelfläche für die restlichen fünf bis zehn Prozent – dies sind vor allem dünnwandige, stark strukturierte Komponenten – bedeutet für Ingenieure eine zeitintensive Arbeit: Sie kann mehrere Stunden, je nach Komplexität sogar Tage dauern. Die Software AUTOMEX setzt an dieser Stelle an und erstellt automatisch ein vollständiges Mittelflächenmodell.

Ein Knopfdruck statt fünf Schritte

Das Forschungsteam hatte sich zu Beginn des Projekts intensiv mit dem Stand der bestehenden kommerziellen Software-Lösungen auseinander gesetzt und die Schwachstellen identifiziert. Auf dieser Grundlage entwickelte das Team ein effizienteres Verfahren. Nach der Integration in die IT-Umgebung von Tecosim sollen fünf Schritte künftig automatisch mit AUTOMEX erfolgen: Ausgehend von der vorhandenen CAD-Geometrie erzeugt die Software eine Bauteiloberfläche mit Polygonnetz. Anschließend wird über eine Annäherung (Scale Axis) die so genannte mediale Achse berechnet, aus der sich die Mittelfläche bestimmen lässt. Im dritten Schritt folgt eine Glättung der Fläche, bei der vor allem Zerfaserungen an den Bauteilenden entfernt werden. Danach wird die gefilterte Fläche der eigentlichen Objektgeometrie angepasst. Im letzten Schritt wird die Fläche neu vernetzt und damit eine technische Mittelfläche erzeugt, die eine für die FEM-Simulation (Finite Element Methode) gewünschte Qualität besitzt.

Entlastung und Wettbewerbsvorteil

„Der Einsatz der Software entlastet die Ingenieure von Tecosim besonders in den Fällen, in denen sie bisher die Mittelfläche manuell nachbearbeitet mussten“, erklärt Professor Christian Glockner von der Hochschule RheinMain. „Wir erwarten von der Automatisierung der Mittelflächenerzeugung wichtige Wettbewerbsvorteile, da wir Aufträge schneller bearbeiten können und das mögliche Fehlerpotential durch manuellen Eingriff sinkt“, ergänzt Udo Jankowski, Vorstand der Tecosim Gruppe. Die Software wird ab März bei Tecosim in die bestehende IT-Umgebung und Prozessabläufe integriert. Im Laufe des ersten Halbjahres 2014 soll sie dann erstmals im Projektgeschäft zum Einsatz kommen.

Wertvolle Synergien

Das Projekt (HA-Projekt Nr. 300/11-45) wurde im Rahmen der „Hessen Modellprojekte“ aus Mitteln der LOEWE Landesoffensive zur Entwicklung wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert und ging Anfang 2012 mit einer Laufzeit von 24 Monaten an den Start. Das Projektbudget betrug insgesamt 500.000 Euro, daran hat sich Tecosim mit eigenen finanziellen Mitteln in Höhe von 38 Prozent beteiligt. Das Forschungsteam setzte sich aus Mitarbeitern von Tecosim und den Studienbereichen Maschinenbau und Informatik der Hochschule RheinMain zusammen. Aus dem intensiven Austausch ergaben sich wertvolle Synergien: Die bestehenden Verfahren und Algorithmen wurden gemeinsam geprüft, verschiedene wissenschaftliche Ansätze zur Mittelflächen-Berechnung anhand der Erfahrungen aus dem Praxisalltag bewertet und weiterentwickelt. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Studienbereich Informatik schließlich ermöglichte, die gemeinsam entwickelten Verfahren nach dem neuesten Stand der Technik in eine Software zu überführen.