Nachricht vom 28.11.2013 
TIME bietet FEM-Analyse für kleinere Untenehmen
Bessere Wettbewerbsfähigkeit dank optimierter Konstruktionen und weniger Materialeinsatz – das Technologie-Institut für Metall und Engineering (TIME) bietet FEM-Analysen für kleine und mittelständische Unternehmen an.
Wissen. Kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) scheuen meist die hohen Investitionen in eigene Software zur Strukturanalyse mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM). Deshalb optimieren sie ihre Produkte in Sachen Materialeinsatz und Konstruktion aus ihrer Erfahrung heraus nur überschlägig oder mittels Prototypenschleifen, was entweder nicht dem Optimum entspricht oder teuer werden kann und sich in der Regel weniger positiv auf ihre Wettbewerbsfähigkeit auswirkt. Das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) in Wissen/Sieg bietet einen umfassenden FEM-Service für KMUs und unterstützt immer mehr Unternehmen bei der Optimierung von Konstruktionen und Produkten.
Im Zuge zunehmenden Wettbewerbs müssen Unternehmen zum Beispiel bei ihren Produkten möglichst effizient mit dem Materialeinsatz umgehen. Denn etwa 45 Prozent der Bauteilkosten sind auf den Materialanteil zurückzuführen. Weniger Materialeinsatz bedeutet also im Normalfall weniger Bauteilkosten und mehr Rentabilität. „Lange Zeit wurden Bauteile überschlägig mit größeren Sicherheitsaufschlägen konstruiert. Diese Vorgehensweise ist wegen vorhandenem Kostendruck nicht mehr zeitgemäß“, weiß TIME-Geschäftsführer Dr. Ralf Polzin. Um kleine und mittelständische Unternehmen im Dreiländereck Rheinland-Pfalz/NRW/Hessen bei Forschung und Entwicklung zu unterstützen, wurde das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) in Wissen vom Land Rheinland-Pfalz, dem Kreis Altenkirchen, der Universität Siegen sowie der Handwerkskammer Koblenz gegründet. Unter anderem gehört zum Leistungsspektrum des TIME die strukturmechanische Simulation mittels der High-End-Software ANSYS. „Die Investition in solche Programme ist für kleine Unternehmen wegen mangelnder Auslastung zu kostenintensiv“, sagt Polzin, „Deshalb stellen wir Simulationskapazitäten zur Verfügung und können mittlerweile auf dutzende erfolgreiche Projekte verweisen.“
Die Erfolgsbeispiele der realisierten TIME-Projekte können sich sehen lassen: So wurde durch Optimierung einer bestehenden Bauteil-Blechkonstruktion 27 Prozent Material eingespart. Bei der Neukonstruktion einer bestehenden Anlage werden heute dank der Simulation 18 Prozent weniger Material verbaut. Und die Optimierung einer Bauteilgruppe erreichte eine 15 Prozent höhere Belastbarkeit bei gleicher Baugröße.
Produkte aus Metall, Keramik und Kunststoff unter der Lupe
Im Metallbereich unterstützt TIME Unternehmen in der Hauptsache bei Stahl- und Aluminium-Produkten. Durch das „Innovationscluster Metall-Keramik-Kunststoff“ (IMKK), zu dem das Technologie-Institut gehört, werden vermehrt auch Teile aus technischer Keramik und Kunststoff unter mechanischen Lasten sowie Temperaturlasten untersucht. „Dabei erstellen wir Verformungsanalysen und Festigkeitsnachweise und geben Hilfestellungen zur Optimierung der untersuchten Bauteile“, erklärt Diplom-Ingenieur Matthias Baszczok, Projektleiter Simulation/Konstruktion, „Die Untersuchungen zielen in jedem Fall in Richtung maximaler Ausnutzung des vorhandenen Materials bzw. Materialeinsparung.“
Verformungsanalysen zeigen Schwachpunkte und Überdimensionierungen
Die gängige Untersuchung ist die Verformungsanalyse. Sie wird verwendet, wenn bekannt ist, dass die innerhalb der Konstruktion auftretenden Spannungen unkritisch sind. Hierbei erreiche man mit der FEM-Berechnung laut Baszczok schon mit einer relativ groben Vernetzung schnell eine konvergente Lösung. Bei ausschließlicher Betrachtung der Verformungen können konstruktive Merkmale von Anlagen oder Bauteilen so abgeändert werden, dass mit möglichst wenig Material bei Wanddicke oder geometrischer Verteilung eine sehr gute Steifigkeit herbeiführt werden kann. „Wir haben beispielsweise mehrfach Maschinengestelle auf ihre Verformung hin untersucht, um die Vorgabe der Toleranzgrenzen zu überprüfen“, so der TIME-Geschäftsführer.
Kommt es besonders auf niedriges Gewicht einer Baugruppe an, so bietet sich die Topologie-Optimierung an. „Hierbei kann bei vorgegebenem Bauraum und festgelegten Lasteinleitungspunkten das Programm sehr einfach Elemente des vernetzten Bauteils entfernen, die am wenigsten zur Steifigkeit des Bauteils beitragen“, erklärt Projektleiter Matthias Baszczok. Vorgaben für die später ausgeführte Konstruktion seien damit schnell festgelegt.
FEM minimiert den Prototypen-Aufwand
Der Festigkeitsnachweis durch die FEM-Berechnung ist eine umfangreichere Untersuchung. Hinlänglich sichere Konstruktionen werden dabei auf ihre maximale Beanspruchung hin untersucht. „Dies könnte zwar auch an einem extra gebauten Prototyp erfolgen, jedoch besteht dabei die Gefahr, dass der Prototyp den Belastungen nicht genügt und versagt“, so Matthias Baszczok. Das gebe in der Regel keinen wirklichen Aufschluss über die Gründe für das Bauteilversagen. „Üblicherweise verhindert die FE-Analyse die kostenintensive Herstellung mehrerer Prototypen“, nennt der Projektleiter einen weiteren Vorteil.
Bei der FEM-Berechnung wird die Konstruktion zur Überprüfung des Modells und seiner Randbedingungen, wie Lagerungen und Lasten, zuerst relativ grob vernetzt und untersucht. Dabei ermittelt das Verfahren die kritischen Stellen des Bauteils. Diese werden dann so lange mit feineren Elementen vernetzt, bis die ermittelten Ergebnisse hinreichend genau sind. „Zeigt sich das konstruierte Bauteil dabei als nicht ausreichend dimensioniert, muss eine Umkonstruktion mit dem Ziel geringerer Beanspruchung erfolgen“, erklärt Baszczok. Seien alle konstruktiven Lösungen ausgeschöpft, oder möchte man die bestehende Konstruktion nicht abändern, besteht zudem die Möglichkeit, ein höherwertiges Material einzusetzen, das die auftretenden Beanspruchungen ertragen kann. „Der Festigkeitsnachweis kann deshalb indirekt auch als Mittel zur materialeffizienten Konstruktion angesehen werden“, so der Fachmann.
Optimierungspotenzial besteht fast immer
Bei der Optimierung von Bauteilen oder Anlagen berücksichtigt TIME natürlich die Randbedingungen wie verwendetes Material, zu verwendende Komponenten oder etwa die Ausführung als Blechkonstruktion. „Meistens besteht schon eine Konstruktion, die wettbewerbsfähiger gemacht werden soll“, weiß Dr. Polzin aus den realisierten Produkten. „Auch wenn sehr enge Rahmenbedingungen vorliegen, Optimierungspotenzial besteht in fast allen Fällen“, unterstreicht er. Durch konstruktive Verstärkung in Bereichen hoher Beanspruchung und Schwächung der nicht ausnutzenden Bereiche werde die Gesamtkonstruktion optimiert und Material eingespart. Iterative Schleifen von FEM-Analyse und konstruktiver Anpassung erfolgen so lange, bis das Ergebnis praxistauglich ist.
Besonders wichtig ist TIME der Abgleich von Theorie und Praxis. Daher verfügt die Einrichtung nicht nur über die erforderliche Software inklusiver eines FKM-Tools zum rechnergestützten Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, sondern auch über eine Zugprüfmaschine und einen mobilen Messwertverstärker zum Einsatz der Dehnungsmessstreifen (DMS)-Methode. „Mit Hilfe der DMS-Technik lassen sich Dehnungen an vorhandenen Bauteilen erfassen. Somit können Bauteile beanspruchungsgerecht für ihre Anwendung optimiert werden. „Nicht zuletzt deshalb erreichen unsere FEM-Berechnungen einen sehr hohen Zuverlässigkeitsgrad“, so Polzin. „Die sich so ergebenden Einsparungen beim Material rechnen sich durch den schonenden Umgang mit Ressourcen, durch reduzierten Schweißaufwand bei dünneren Bauteilen sowie durch die Möglichkeit, gewichtsoptimierte Bauteile mit höherer Dynamik und damit in kürzeren Fertigungszeiten herstellen zu können. All das führt schließlich zu optimierten Herstellkosten und besseren Endpreisen für die Kunden“, resümiert der TIME-Geschäftsführer. Damit bietet TIME allen interessierten Unternehmen die Möglichkeit sich durch die Nutzung der praxisbezogenen Simulation auf hohem technologischem Niveau zu marktüblichen Preisen weiter zu entwickeln.
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