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SAXSIM Saxon Simulation Meeting
Programm 2019

Programm 2019

11. Anwendertreffen SAXSIM (SAXon SImulation Meeting)

Termin: 26. März 2019

Ort: TU Chemnitz, Zentrales Hörsaalgebäude, Reichenhainer Straße 90, 09126 Chemnitz

Es erwarten Sie mehr als30 Fachvorträge.

Neben der 3-zügige Veranstaltung bietet die Firma NET AG system integration außerdem den beliebten Mathcad Hands-On-Workshop an. Die Anmeldung zum Workshop erfolgt per E-Mail oder per Vermerk im Anmeldeformular. Bitte beachten Sie, dass die Teilnehmerzahl für den Workshop begrenzt ist - wir bitten um rechtzeitige Anmeldung.

Erstmals präsentiert die Firma CADFEM GmbH einen ANSYS-Workshop: "Topologieoptimierung für den 3D-Druck". Auch hier bitten wir um Anmeldung per E-Mail oder per Vermerk im Anmeldeformular. Bitte beachten Sie, dass auch hier die Teilnehmerzahl begrenzt ist.

Der Programmablauf steht als PDF Überblick zum Download bereit.
(Änderungen jederzeit vorbehalten)

(Sie können mit dem Mauszeiger über den jeweiligen Vortrag fahren, um nähere Informationen zu erhalten.)

 

08:00 – 09:00
Ankunft und Anmeldung der Teilnehmer
Foyer Zentrales Härsaalgebäude der TU Chemnitz (Reichenhainer Str. 90)
Zeit RAUM N012 (Hörsaal Mitte)
09:00 – 09:10
Eröffnung des 11. Sächsischen Anwendertreffens Simulation
Prof. Dr.-Ing. Maik Berger (Technische Universität Chemnitz – Montage- und Handhabungstechnik)
SESSION I – Leitung: Dr.-Ing. Roland Jakel
09:15 – 09:45

Creo Simulation Live – A Design Revolution

    This presentation will introduce users to Creo Simulation Live powered by Ansys. This new offering makes it possible for designers and engineers to analyze their product real-time while they design to help gain early insight into the products overall quality. During the presentation, PTC will cover the strategic partnership with Ansys, an overview and demonstration of Creo Simulation Live and roadmap for new simulation offerings coming in the future.

Creo Simulation Live – A Design Revolution
Mark Fischer (PTC Inc.)
09:45 – 10:15

Altair SimSolid™ – schnelle konstruktionsnahe Berechnung ohne Vernetzung

    Schon seit längerer Zeit wird versucht, Konstruktion und Berechnung zu verschmelzen. Ein Hindernis ist dabei oft, dass Berechnungsexpertise erforderlich ist, um aussagefähige Modelle zu erstellen. Da meistens die Finite Elemente Analyse verwendet wird, sind Geometrievereinfachungen und Vernetzung erforderlich. Beides braucht Expertise und vor allem Zeit. Obwohl es schon Software gibt, die diese Prozesse automatisiert, gibt es immer wieder Limitationen. Mit SimSolid gibt es nun eine Software, die keine Geometrievereinfachung und -vernetzung erfordert und damit einige Hindernisse für die konstruktionsnahe Berechnung aus dem Weg schafft.

    In SimSolid ist eine vernetzungsfreie Finite Elemente Methode implementiert. Sie basiert auf der Anwendung der Ritz-Galerkin Methode. Der Vortrag gibt eine kurze Übersicht über die mathematischen Grundlagen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Software kann CAD-Geometrie direkt und ohne Vereinfachung verarbeiten. Bauteilgruppen und Produkte können als Ganzes geladen und simuliert werden. Die gegenwärtige Implementation erlaubt lineare und nichtlineare Statik, stationäre thermische, Eigenfrequenz- sowie modale dynamische Berechnungen. Weiterhin verwendet der Lösungsalgorithmus adaptive Verfeinerungen der Formfunktionen. Dies geschieht automatisch in mehreren Lösungsschritten. Lokale Anreicherungen des Funktionsraumes sind auch möglich, um zum Beispiel genauere Spannungsaussagen zu bekommen. Kontakt und nichtlineare Materialien sind verfügbar.

    Altair SimSolid wird die konstruktionsnahe Berechnung verändern. Es können nun neben einfacher linearer Statik auch komplexere Phänomene im Konstruktionsstadium schnell analysiert werden. Natürlich muss der Konstrukteur beim Aufsetzen der Berechnungen über geeignete Material- und Lastdaten verfügen, wobei sich aber durch die Betrachtung von ganzen Baugruppen die Definition von Rand- und Lagerbedingungen dramatisch vereinfacht. Insgesamt wird SimSolid auch durch seine einfache Handhabung bald als Konstruktionswerkzeug nicht mehr wegzudenken sein.

Altair SimSolid™ – schnelle konstruktionsnahe Berechnung ohne Vernetzung
Dr. Uwe Schramm (Altair Engineering Inc.)
10:15 – 10:45

Entwurf eines Elastomer-Feder-/Dämpferelementes mit einstellbarer Federsteifigkeit für einen frequenzjustierbaren Resonator

  1. Vorstellung des existierenden Elementes mit vorgegebener Federsteifigkeit
  2. Vorstellung des neuen Entwurfes mit einstellbarer Federsteifigkeit
  3. Beschreibung der geometrisch nichtlinearen Berechnungsmodelle in Creo Simulate zur Steifigkeitsabschätzung
  4. Erwartetes Kennlinienfeld
  5. Ausblick auf zukünftige Entwicklungsschritte
Entwurf eines Elastomer-Feder-/Dämpferelementes mit einstellbarer Federsteifigkeit für einen frequenzjustierbaren Resonator
Dr.-Ing. Roland Jakel (Altran S.A.S. & Co KG)
10:45 – 11:15
Kaffeepause
SESSION II – Leitung: Dr.-Ing. Roland Jakel
11:15 – 11:45

Festigkeitsnachweiß mit "FKM inside Ansys"

    Die FKM-Richtlinie dient dem Festigkeitsnachweis im Maschinenbau und verwandten Bereichen. Ihre Anwendung kann immer dann vereinbart werden, wenn keine spezielle Norm anzuwenden ist. Sie beschreibt die Nachweisführung für statische und zyklische Lasten an Bauteilen aus Stahl und Aluminiumwerkstoffen.
    Der Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie läuft stets nach dem gleichen Schema ab:

  1. Ermittlung der Werkstoffkennwerte
  2. Festlegung der Sicherheitsfaktoren
  3. Ermittlung der Beanspruchung
  4. Ermittlung des Auslastungsgrades


  5. Mit "FKM inside ANSYS" steht dem ANSYS-Anwender ein Werkzeug zur Verfügung, das bei der richtlinienkonformen Nachweisführung unterstützt. Dabei erfolgt der Nachweis nicht geschweißter Volumenbauteile mit örtlichen Spannungen und der Nachweis geschweißter Volumenbauteile nach dem Strukturspannungskonzept.
    Insbesondere für zyklische Belastungen ist das Auffinden der Nachweisstellen – also der maximal beanspruchten Positionen – nicht immer trivial. Hier hilft "FKM inside ANSYS", durch vollflächige Visualisierung des Auslastungsgrades auf den zu untersuchenden Bauteilen diese Positionen sicher zu bestimmen und zu bewerten.

    Es ergeben sich gegenüber einem manuellen Nachweis folgende Vorteile:

  6. Schnelle und einfache Definition der Nachweisparameter
  7. Schnelle Durchführung von Parameterstudien
  8. Schnelles und sicheres Auffinden der maximal beanspruchten Stellen
  9. Erleichterte Ergebnisinterpretation durch Visualisierung des Auslastungsgrades
  10. Automatische Berichterstellung an den Nachweispositionen
Festigkeitsnachweiß mit "FKM inside Ansys"
Dr. Heiko Schüler (CADFEM GmbH)
11:45 – 12:15

Die Schnittstelle zwischen PTC Creo und ANSYS – mehr übergeben, als nur Geometrie

  1. Zusammenarbeit von PTC Creo und ANSYS
  2. Bidirektionale Schnittstelle zwischen Creo und ANSYS
  3. Übergabe der Geometrie, Parametern und Named Selections
Die Schnittstelle zwischen PTC Creo und ANSYS – mehr übergeben, als nur Geometrie
Axel Waidmann (INNEO Solutions GmbH)
12:15 – 12:45

Prozess- und Struktursimulation von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Karosseriebauteilen

  1. Experimentelle Ermittlung von Kennwerten für die Simulation des Thermoformenprozesses
  2. Umformsimulation von Karosseriebauteilen (bspw. Dachspriegel BMW 7er oder Batterieträger R8 e-tron) aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten
  3. Vergleich zwischen den Umformsimulationsprogrammen HyperForm und PAM-FORM
  4. Übertragung der Faserorientierung aus der Umformsimulation in die Struktursimulation (ANSYS) zur Bauteildimensionierung und -optimierung
Prozess- und Struktursimulation von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Karosseriebauteilen
Norbert Schramm (LSE GmbH)
12:45 – 13:45
Mittagspause
13:45 – 14:30
Prämierung 11. Studentenwettbewerb mit Kurzvorträgen der Platzierten 1 bis 3
Rahlf Percy (NET AG system integration) und Prof. Dr.-Ing. Maik Berger (Technische Universität Chemnitz – Montage- und Handhabungstechnik)
SESSION III – Leitung: Prof. Dr.-Ing. Maik Berger
14:30 – 15:00

AutoCrear v2.0: automatische Luft- und Kriechstrecken Analyse auf 3D-CAD-Daten

    Elektrische Baugruppen enthalten Netze mit unterschiedlichen Spannungen. Strenge Sicherheitsnormen definieren Mindestabstände für Luft- und Kriechstrecken, um Kurzschlüsse zu verhindern.


    AutoCrear bietet eine robuste und effiziente softwarebasierte Analyse aller Luft- und Kriechstrecken innerhalb elektrischer Baugruppen.

    AutoCrear ist eine Standalone-Lösung, die den kompletten Workflow einer Luft- und Kriechstreckenanalyse in einem einzigen Programm vereint:

  1. Anwendbar für alle gängigen CAD Systeme
  2. Keine spezielle Vorbereitung der Daten notwendig
  3. Integrierter leistungsfähiger 3D Viewer
  4. Bequemer Workflow und Ergebnisverwaltung
  5. Automatische Generierung eines Analysereports


  6. Inkl. 20 min LIVE-Demo!!!

AutoCrear v2.0: automatische Luft- und Kriechstrecken Analyse auf 3D-CAD-Daten
Urs Simmler (GIA Informatik AG)
15:00 – 15:30

Statistische Tolerierung mit der Multiziel-Konstruktionsstudie und flexiblen parametrischen Komponenten im CAD-System Creo

  1. Einführung Toleranzmanagement
  2. Erstellung flexibler Komponenten mit Creo Simulate
  3. Aufbau eines Toleranzmodells mit flexiblen Komponenten
  4. Auswertung eines parametrischen Toleranzmodells mit der Multiziel-Konstruktionsstudie
  5. Vergleich der statistischen Konstruktionsstudie mit Programmen der Toleranzsimulation wie Cetol von Sigmetrix


  6. Bei der Fertigung mechatronischer Produkte aus einer Vielfalt von Industriebranchen, wie der Medizintechnik, dem Maschinen- und Automobilbau etc., bestehen stets erhöhte Qualitätsansprüche, um Funktionalität, Herstellbarkeit, Kosten und weitere produktbedingte Aspekte zu gewährleisten.
    Infolgedessen hat das Toleranzmanagement erheblich an Bedeutung gewonnen.
    Die Art und Weise der Toleranzfestlegung im Entwicklungsprozess eines Produktes stellt einen wesentlichen Bestandteil der Produktbeschreibung dar und hat eine signifikante Auswirkung auf die Optimierung der Funktion, der Kosten oder der Herstellprozesse.
    Die Funktion der mechatronischen Produkte stützt sich auf mechanische, thermische oder auch z. B. elektromagnetische Eigenschaften. Somit sollen diese physikalischen Abhängigkeiten neben der rein geometrischen Toleranzanalyse mitberücksichtigt und untersucht werden.
    Ein Toleranzmodell für die funktionelle nichtlineare Maßkette wird anhand der Identifikation der wesentlichen Produktmerkmale aufgestellt und erfasst die wichtigsten Beitragsleister.
    Dabei handelt es sich um eine physikalische Maßkette, die auch Materialeigenschaften wie z. B. Reibwerte, E-Modul und Temperaturlängenausdehnungskoeffizienten berücksichtigen kann. Auf Basis der Ergebnisse von finiten Elemente Analysen (FEA) in Creo Simulate können flexible Bauteile erstellt werden, die zur Aufstellung eines parametrischen Toleranzmodells verwendet werden können. Die Multiziel-Konstruktionsstudie, die Creo anbietet, ist dann in der Lage, die festgelegten Parameter je nach Anforderung statistisch zu variieren, wobei das jeweilige Modell sich dank seiner Definition anhand der flexiblen Bauteile analog zu den FEA – Ergebnissen verformt. Auf diese Weise kann die funktionelle Maßkette bestimmt und dementsprechend die Produktbeschreibung optimiert werden. Anschließend soll die statistische Konstruktionsstudie in dem CAD-System Creo mit weiteren Toleranzsimulationsprogrammen wie z. B. Cetol von Sigmetrix verglichen und validiert werden.
    Das entwickelte Methodische Tolerieren kann in der CAD-integrierten modellbasierten Prozesskette in der virtuellen Produktentwicklung verwendet werden. Damit ist eine effiziente Kommunikationsschnittstelle zwischen den Abteilungen der Konstruktion und der Simulation geschaffen.

Statistische Tolerierung mit der Multiziel-Konstruktionsstudie und flexiblen parametrischen Komponenten im CAD-System Creo
Prof. Dr.-Ing. Karsten Pietsch (Beuth Hochschule Berlin – Fachbereich Mechatronik )
15:30 – 16:00
Kaffeepause
SESSION IV – Leitung: Prof. Dr.-Ing. Maik Berger
16:00 – 16:30

Aufbereitung von 3D-Scandaten zur additiven Fertigung von orthopädischen Helmschalen mit Fusion 360 und Geomagic FreeForm

  1. Vorstellung des Forschungsprojektes 3D-HRD
  2. Scan eines Patientenschädel mittels 3D-Handscanner
  3. Übertragung in die Konstruktionssoftware (Fusion 360 / Geomagic FreeForm)
  4. Modellierung der Helmschale und Slicen der stl. Daten mit Autodesk Dynamo Studios
Aufbereitung von 3D-Scandaten zur additiven Fertigung von orthopädischen Helmschalen mit Fusion 360 und Geomagic FreeForm
Prof. Dr.-Ing. Jörg Matthes (Hochschule Mittweida – Professur Maschinenelemente)
16:30 – 17:00

Kurzvorträge

    (I) Wirkungsgrad am Hypogear
    weitere Informationen in Kürze

    (II) Kennwertorientierte Synthese taktzeitoptimierter Bewegungsgesetze zur effizienten Prozessoptimierung
    Der zunehmende Trend zur Flexibilisierung in engem Zusammenhang mit Industrie 4.0 gewinnt im industriellen Umfeld immer stärker an Bedeutung. Um dem Konkurrenzdruck in diesem Bereich standhalten zu können, sind Unternehmen gezwungen, sich durch innovative Ansätze vom Wettbewerb abzuheben. In diesem Vortrag wird eine neue Methodik zur effektiven Optimierung von Bewegungsprofilen vorgestellt. Dazu wird die Auswahl bzw. Synthese von Bewegungsfunktionen unterstützt, die das komplette Leistungsvermögen der Maschine ausnutzen, um Taktzeiten zu reduzieren und folglich die Ausbringungsmenge zu erhöhen. Zudem bietet der Ansatz die Möglichkeit zur softwareseitigen Implementierung in eine SPS, um online produkt- oder prozessspezifische Bewegungsprofile zu optimieren.

Kurzvortrag I: Wirkungsgrad am Hypogear
Kurzvortrag II: Kennwertorientierte Synthese taktzeitoptimierter Bewegungsgesetze zu effizienten Prozessoptimierung
Florian Eigner (I) (Technische Universität Chemnitz – Montage- und Handhabungstechnik),
Thorsten Speicher (II) (Technische Universität Chemnitz – Montage- und Handhabungstechnik)

17:05 – 17:15

Verabschiedung und Ausblick auf das 12. SAXSIM 2019
Prof. Dr.-Ing. Maik Berger (Technische Universität Chemnitz – Montage- und Handhabungstechnik)
Zeit Raum N010 (Hörsaal rechts)
SESSION V – Leitung: Prof. Dr. sc. ETH Alexander Hasse
09:15 – 09:45

Prädiktive Bruchkraftprognose von gebondeten Partikelquadern

    Die Zerkleinerung von Material/ -strömen ist Grundlage zahlreicher Prozesse in der Verfahrenstechnik. Die Anforderungen an die Zerkleinerungsmaschine hängen dabei stark vom Aufgabematerial ab. Insbesondere im Bereich des Tagebaus werden Brechersysteme auftragsspezifisch, meist für einen speziellen Gesteinstyp und Einsatzort entwickelt oder modifiziert. Eine aussagekräftige Prognose der Lasten, die aus dem Zerkleinerungsprozess entstehen, ist essentieller Bestandteil im Entwicklungsprozess.
    In der Praxis etabliert sind vor allem vereinfachte analytische Materialmodelle basierend auf Punktlastannahmen und Kontinuummodellen, die jedoch keine transiente Beurteilung der räumlichen Lasten, die aus dem brecherspezifischen Werkzeugeingriff entstehen, erlauben. Ein Ansatz, um das Materialverhalten detaillierter zu erfassen, ist die numerische Materialsimulation mit Hilfe der Diskreten-Elemente-Methode (DEM).
    Der zu brechende Festkörper wird hierfür aus einem Verbund diskreter Elemente, definierter Größe und Geometrie, zusammengesetzt, welcher, je nach Modellierung, unbesetzte Räume aufweist. Der Vorteil der DEM liegt in der Möglichkeit, unter der transienten Einwirkung äußerer Lasten den Partikelverbund analog dem Brechen zu lösen, wobei gelöste Partikel als Bruchkorn erneut in Kontakt zu weiteren Bruchkörnern oder dem Brecher treten können. Das erlaubt sowohl die Beschreibung des Materialverhaltens im Verbund vor dem Bruch wie auch das Verhalten als Einzelkorn nach dem Bruch.
    Wesentlicher Schwerpunkt der Forschung ist die komplexe Parametrierung der gewählten Ersatzmodelle, die sich grundsätzlich in die Kontaktmodelle zur Erfassung des Einzelkornverhaltenes und in die Bondmodelle, die das Festkörperverhalten im Partikelverbund erzeugen, unterscheiden. Insbesondere in der Parametrierung der Bondmodelle besteht der aktuelle Lösungsweg aus zahlreichen Parameterstudien, um beispielsweise die Bruchkraft an empirisch ermittelte Messwerte anzugleichen. Mit einem Blick auf die Aufgabekorngröße im Tagebau wird jedoch schnell deutlich, dass eine empirische Erfassung der Bruchkraft im Werkzeugeingriff, wenn über-haupt möglich, mit sehr hohem Aufwand verbunden ist, der sich wirtschaftlich nicht immer rechtfertigen lässt.
    Um dieser Problematik zu begegnen, wurde ein begründetes Vorgehen entwickelt, das ohne Parameterstudien die Parametrierung anhand realer, meist bereits vorliegender, Kenngrößen ermöglicht. In Kombination mit einem realistischen dreidimensionalen Maschinemodell werden die derartig generierten Partikelprüfkörper realer Aufgabekorngröße zur prädiktiven Prognose der im Zerkleinerungsprozess entstehenden Lasten ver-wendet. Im Vergleich der Simulation mit den empirisch ermittelten Lasten zeigt die Prognose die sehr gute übereinstimmung mit den Messungen.

Prädiktive Bruchkraftprognose von gebondeten Partikelquadern
Erik Frenzel (TU Dresden – Stiftungsprofessur Baumaschinen)
09:45 – 10:15

Topologieoptimierung mittels Deep Learning

    Die Topologieoptimierung ist die Suche einer optimalen Bauteilgeometrie in Abhängigkeit des Einsatzfalls. Für komplexe Probleme kann die Topologieoptimierung aufgrund eines hohen Detailgrades viel Zeit- und Rechenkapazität erfordern. Diese Nachteile der Topologieoptimierung sollen mittels Deep Learning reduziert werden, so dass eine Topologieoptimierung dem Konstrukteur als sekundenschnelle Hilfe dient. Das Deep Learning ist die Erweiterung künstlicher neuronaler Netzwerke, mit denen Muster oder Verhaltensregeln erlernt werden können. Heute schon werden die Echtzeit-Objekterkennung (1), und das autonome Fahren (2), bis hin zum Gewinnen gegen die weltbesten Spieler in dem Spiel GO (3), sowie zahlreiche weitere komplexe Anwendungen mittels Deep Learning gelöst. Damit gehört das maschinelle Lernen zu dem Gebiet "..., das die interessantesten Aspekte zusammenbringt, nämlich Informatik, Mathematik und Anwendungen, die sehr vielfältig sind.", sagt Jörg Frochte in (4).

    Dieser Beschreibung folgend will die Professur MP die Bereiche Informatik und Mathematik mit dem Maschinenbau - Bereich Konstruktion - verknüpfen. So soll die bislang numerisch berechnete Topologieoptimierung mit dem Deep Learning Ansatz gelöst werden. Hierzu werden Ansätze, Berechnungsschema und erste Schlussfolgerungen vorgestellt und diskutiert.

    Verweise:

  1. Redmon, Joseph, et al. You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection. University of Washington, Allen Institute for AI : s.n., 2016
  2. Wie Autos das Denken lernen. [Online] [Zitat vom: 10. 01 2019.] https://www.springerprofessional.de/automatisiertes-fahren/car-to-x/wie-autos-das-denken-lernen/10915232.
  3. Deepmind. The story of AlphaGo so far. [Online] Deepmind. [Zitat vom: 05. 01 2019.] https://deepmind.com/research/alphago/
  4. Frochte, Jörg. Maschinelles Lernen - Grundlagen und Algorithmen in Python. München : Hanser, 2018. ISBN 9783446452916
Topologieoptimierung mittels Deep Learning
Alex Halle (Technische Universität Chemnitz – Maschinenelemente und Produktentwicklung)
10:15 – 10:45

Validierung des konvektiven Wärmeübergangs der Freeware Z88Aurora® mithilfe analytischer Beispiele

    Die Finite Elemente Analyse hat sich in vielen industriellen Anwendungsgebieten zu einem elementaren Werkzeug für den Produktentwicklungsprozess entwickelt. Zu diesen Anwendungsbereichen zählen u. a. der Fahrzeugbau, die Medizintechnik und der Sondermaschinenbau. Neben Strömungssimulationen und der numerischen Berechnung von elastomechanischen Strukturen sind auch thermomechanische Analysen mithilfe der FEA durchführbar. Kleine und mittelständische Unternehmen können jedoch nicht immer auf einen wirtschaftlichen Einsatz von kommerziellen FEA-Tools zurückgreifen und sind folglich auf Freeware Programme wie Z88Aurora® angewiesen.
    Die häufig für den Entwickler interessierende stationäre Wärmeleitung und die aus dem Temperaturunterschied resultierende thermische Dehnung von Bauteilkomponenten gehören längst zum Tagesgeschäft. Für eine realitätsnahe Auslegung von beispielsweise Kühlkörpern oder Rippen muss zusätzlich die konvektive Wärmeübertragung berücksichtigt werden. Hierbei wird der Wärmetransport zwischen einer Bauteiloberfläche und dem Umgebungsmedium, wie z. B. Luft oder Kühlwasser, untersucht. Diese erweiterte Abbildung der Temperaturanalyse definiert als Randbedingung eine Wärmestromdichte auf einer Bauteiloberfläche, welche proportional zur Temperaturdifferenz beider Systemkomponenten ermittelt wird. Zudem gehen nichtlineare Einflüsse aus den Materialeigenschaften des Fluids und aus dem entstehenden Strömungsverhalten über den sog. Wärmeübergangskoeffizienten in die Simulation ein. Aufgrund dieser Komplexität kann über empirisch ermittelte Korrelationsgleichungen die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden.
    Diese Erweiterung des Thermomoduls wird in der neuen Version von Z88Aurora®V5 dem Anwender zur Produktentwicklung angeboten. Eine für den industriellen Einsatz essentielle Validierung der Berechnungsergebnisse wird über analytische Vergleichsrechnungen am Beispiel einer Kühlrippe nachgewiesen.

Validierung des konvektiven Wärmeübergangs der Freeware Z88Aurora® mithilfe analytischer Beispiele
Johannes Wittmann (Universität Bayreuth – Lehrstuhl Konstruktionslehre und CAD)
10:45 – 11:15
Kaffeepause
SESSION VI – Gleitlager – Leitung: Prof. Dr. sc. ETH Alexander Hasse
11:15 – 11:45

Nachgiebige Gleitlager

    Wirtschaftliche und ökologische Rahmenbedingungen zwingen die Forschung immer weiter die Betriebseigenschaften von Maschinenelementen zu verbessern. Für hydrodynamische Gleitlager wird die Abweichung der zylindrischen Form untersucht um gezielt Betriebsparameter zu begünstigen. Untersuchungen mit ALP3T dienen der Ermittlung lastfallabhängiger Vorzugsgeometrien. Weiterführende Simulationsuntersuchungen mit PTC Simulate ermöglichen im Anschluss die praxisnahe Formgenerierung. Eine überführung der Ergebnisse zwischen den beiden Programmen liefert die lastfall- und formabhängigen Betriebsparameter des Gleitlagers. Mit Hilfe der Kopplung kann in iterativen Simulationsschritten Fehler reduziert werden und somit lastfallspezifische Lagergeometrien präsentiert werden. Ferner lässt sich für das Gleitlager ein Demonstrator konzipieren, der diese Lagergeometrien aufbringt.

Nachgiebige Gleitlager
Lars Friedrich (Technische Universität Chemnitz – Maschinenelemente und Produktentwicklung)
11:45 – 12:15

Beanspruchungsminierumg keramischer Gleitlager mit Hilfe der FEM

    Gleitlager agieren oft im Vorborgenen und deren Funktionsfähigkeit wird als Selbstverständlichkeit angesehen. Dabei übertagen Gleitlager enorme Kräfte und ermöglichen verschiedenste Bewegungsabläufe in mobilen und stationären Maschinen. Neben ökonomischen Aspekten sind sie überall im Einsatz, wo Wälzlager an ihre Grenzen stoßen sowie sehr langsame oder sehr hohe Gleitgeschwindigkeiten auftreten. Darüber hinaus werden Stoßbelastungen gut ertragen.
    Die im Einsatz befindlichen Gleitlagerwerkstoffe reichen von einfachen Stahlbuchsen über Sinter- bis hin zu Verbundgleitlager, die meist einen Stahl- oder Bronzerücken aufweisen und eine Gleitschicht, bspw. aus PTFE, besitzen. Zur Erweiterung der Einsatzgrenzen sowie zur Erzielung einer Parität zwischen Gleitlager- und Maschinenlebensdauer und vor allem einer Wartungsfreiheit wird auf die Werkstoffklasse der Hochleistungskeramik zurückgegriffen. Ein hoher Verschleißwiderstand und eine hohe Härte zeichnen die keramischen Werkstoffe aus. Demgegenüber stehen eine geringe Bruchzähigkeit und Zugfestigkeit bzw. Biegebruchfestigkeit.
    Zur Realisierung des neuartigen und keramischen Gleitlagers unter den Einsatzbedingungen hoher und stoßartiger Belastungen wird auf die Finite-Elemente-Methode (Ansys) zurückgegriffen, um ein keramikgerechtes Design abzuleiten. Unter Einbeziehung der umgebenden Strukturen, wie der Einbettung und dem Bolzen, werden mit Hilfe der FEM konstruktive und werkstoffliche Parameterstudien durchgeführt. Als Basis der Untersuchungen dienen typische Arm- und Koppelstangenverbindungen aus dem Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen. Oberstes Ziel der Studien ist die Minimierung der Zugbeanspruchungen im keramischen Werkstoff unter Last nach dem Kriterium des "Spannungsminimums". Daneben werden optimierte Einbettungsbauformen untersucht, die eine geringe Zugbeanspruchung garantieren und gleichzeitig einen geringen Massebedarf aufweisen. Aufbauend auf den Ergebnissen der Parameterstudien ist eine analytische Berechnungsvorschrift abgeleitet sowie die statische und dynamische Tragfähigkeit des keramischen Gleitlagers experimentell nachgewiesen worden.
    Im Ergebnis der Forschungsarbeit steht die mechanische Einsatzfähigkeit des keramischen Gleit-lagers auf Basis von Siliziumnitrid (Si3N4). Sowohl die statische als auch die dynamische Tragfähigkeit konnte bis zu einer Flächenpressung von mindestens 150 N/mm² und bei einer Lastfrequenz von 12,5 Hz nachgewiesen werden.

Beanspruchungsminierumg keramischer Gleitlager mit Hilfe der FEM
Christian Stentzel (TU Dresden, Stiftungsprofessur für Baumaschinen)
12:15 – 12:45

Verbesserung der Betriebseigenschaften von hydrodynamischen Gleitlagern durch Formadaption

    Die Betriebseigenschaften hydrodynamischer Gleitlager, wie die minimale Schmierspalthöhe, die maximale Lagertemperatur, die Lagersteifigkeit und die Lagerdämpfung werden signifikant von deren Geometrie bestimmt. Vorhergehende Untersuchungen zeigten, dass bereits fertigungsbedingte Rundheitsabweichungen der Lauffläche im Mikrometerbereich einen großen Einfluss auf die Betriebseigenschaften eines Lagers haben können.
    Aufgrund der komplexen Abhängigkeiten existiert für jeden Betriebspunkt eine andere optimale Lagergeometrie. In allen anderen Betriebspunkten zeigt sich eine Verschlechterung der Betriebseigenschaften. Dieser Betriebspunkt wird im Allgemeinen durch die angreifende Lagerlast sowie die Relativdrehzahl bestimmt.
    Daraus folgt die Aufgabe, die optimale Lagergeometrie für jeden praktischen Betriebsfall zu finden. Durch diese Untersuchung sollen die möglichen Potenziale durch Formadaption zur Verbesserung der Betriebseigenschaften eines hydrodynamischen Gleitlagers aufgezeigt werden.
    Die Formadaption kann durch die Methode der Topologieoptimierung zur Synthese von Mechanismen mit selektiver Nachgiebigkeit nach HASSE und CAMPANILE realisiert werden. Diese ermöglicht die kontinuierliche Deformation eines Systems von einer Anfangsform in eine gewünschte Endform. Als Grundlage für die Synthese muss die benötigte Endform ermittelt werden. Dafür wurden hydrodynamische Simulationen mit ALP3T durchgeführt.
    Als Ausgangsform des Lagers dient hier die ideale Kreisform. Die Untersuchung der Betriebsparameter des Lagers abhängig von möglichen Endformen beschränkt sich auf Linearkombinationen von drei Ellipsenformen. Die Ellipsenformen stellen die ersten drei Eigenformen des Ausgangssystems dar. Erfahrungsgemäß sind die gewählten Formen durch die genannte Methodik der Synthese von Mechanismen mit selektiver Nachgiebigkeit gut darstellbar. Für jede Form wurden abhängig von ihrer Skalierung, Drehzahl und Lagerlast verschiedene Parameter berechnet.
    Die Auswertung erfolgte primär hinsichtlich der minimalen Schmierspalthöhe, da diese für einen reibungsarmen und störungsfreien Betrieb des Lagers wichtig ist. Dafür wurden aus den Simulationsdaten mögliche Formen und ihre notwendige Skalierung über alle Betriebspunkte ermittelt. Die vorgestellte Simulations- und Auswerteroutine kann für verschiedene zu optimierende Betriebsparameter und Lagerabmessungen angewendet werden.
    Mit der Untersuchung wurde gezeigt, dass die Formadaption für das Erreichen eines konstanten Schmierspaltes über einen definierten Betriebsbereich sehr gut geeignet ist.

Verbesserung der Betriebseigenschaften von hydrodynamischen Gleitlagern durch Formadaption
Stephanie Kirmse (Technische Universität Chemnitz – Maschinenelemente und Produktentwicklung)
12:45 – 13:45
Mittagspause
13:45 – 14:30
Versuchfeldführung "Merge"
Rainer Wallasch (Technische Universität Chemnitz – Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung)
SESSION VII – Leichtbau – Leitung: Dr.-Ing. Sebastian Härtel
14:30 – 15:00

Spritzgießsimulation mit der kommerziellen Simulations-Software Cadmould

  1. Spritzgießsimulation
  2. Optimierung von Fertigungsprozessen
  3. Schwindungs- und Verzugsanalyse
  4. Füllanalyse
Spritzgießsimulation mit der kommerziellen Simulations-Software Cadmould
Markus Baum (TH Köln – Technische Mechanik und Strömungslehre)
15:00 – 15:30

Methode zur Gestaltung anwendungsabhängiger Mitnehmerverbindungen: Leichtbau und Steigerung der Tragfähigkeit durch dünnwandige Profilwellen

  1. Leichtbau durch dünnwandige Profilwellen
  2. Methodisches Vorgehen zur Auslegung von neuen Profilformen
  3. Anwendung von Creo (CAD), und ANSYS WB
  4. Mit Versuchen abgesicherte FEM-Modelle
Methode zur Gestaltung anwendungsabhängiger Mitnehmerverbindungen: Leichtbau und Steigerung der Tragfähigkeit durch dünnwandige Profilwellen
Marius Jakob (Technische Universität Clausthal – Institut für Maschinenwesen)
15:30 – 16:00
Kaffeepause
SESSION VIII – Leichbau – Leitung: Dr.-Ing. Sebastian Härtel<
16:00 – 16:30

Vibro-akustische Beurteilung dünnwandiger Strukturen mittels Schallleistung und Strukturintensität

    Dünnwandige Bauteile mit geringer Dichte und hoher spezifischer Steifigkeit zeigen eine erhöhte Sensitivität zur Schallabstrahlung. Die vibro-akustische Bewertung ist daher ein wichtiges Auslegungskriterium für dünnwandige dynamische belastete Strukturen.

    Die Beurteilung der Abstrahlung von Bauteilen erfolgt üblicherweise mit Hilfe der Schallleistung im Frequenzbereich und erfordert auch eine Betrachtung der fluiden Umgebung. Für die numerische Ermittlung der Schallleistung existieren jedoch verschiedene vereinfachte Ansätze basierend auf den Oberflächengeschwindigkeiten der Strukturen. Somit können reine Struktur-FEM-Simulationen im Frequenzbereich zur Leistungsbestimmung herangezogen werden. Speziell modal superpositionierte Frequenzgangrechnungen ermöglichen eine Reduzierung der Rechenzeiten. Aus den frequenzabhängigen Leistungsbewertungen lassen sich ferner skalare Größen zur Implementierung in Optimierungsprozesse ableiten. Basierend auf der spektralen Leistungsdichte wird ein Ansatz zur Bewertung der Gesamtleistung im betrachteten Frequenzbereich vorgestellt. Die Ermittlung erfolgt unabhängig von der Anzahl der Moden und ermöglicht damit den Vergleich verschiedener Bauteile oder Werkstoffvarianten. Weiterhin eröffnet dieses Verfahren einen schnellen Zugang zu Optimierungsverfahren mit der Gesamtleistung als Zielfunktion.

    Die Reduktion der Schallabstrahlung in technischen Strukturen erfolgt durch systematische Beeinflussung des Körperschalls. Für gezielte konstruktive Maßnahmen ist erforderlich, den Weg der Körperschallenergie in der Struktur genau zu kennen. Durch die Berechnung der Strukturintensität (STI) ist es möglich, den Fluss der Körperschallenergie, von der Erregung bis zur schallabstrahlenden Oberfläche der Struktur, zu charakterisieren und zu visualisieren. Dazu existieren Formulierungen zur Berechnung sowohl für Schalenmodelle aus den Elementschnittkräften und Knotengeschwindigkeiten als auch für Volumenmodelle aus den Elementspannungen und Knotengeschwindigkeiten.

    Sowohl für die Schallleistung als auch die Strukturintensität wurden eigene Post-Processing-Routinen geschaffen, um auf der Basis effizienter Strukturdynamik-Simulationen eine vibro-akustische Beurteilung und Optimierung zu ermöglichen. Die Ergebnisse werden anhand von Beispielen vorgestellt.

Vibro-akustische Beurteilung dünnwandiger Strukturen mittels Schallleistung und Strukturintensität
Matthias Klärner (Technische Universität Chemnitz – Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung)

16:30 – 17:00

Berechnung und Auslegung faserverstärkter Umlenkrollen für die Aufzugstechnik

    Informationen in Kürze

Berechnung und Auslegung faserverstärkter Umlenkrollen für die Aufzugstechnik
Mikolaj Katkowski (Technische Universität Chemnitz – Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung)
Zeit Raum N013 (Hörsaal links)
SESSION IX – MKS und Systemsimulation – Leitung: Dr.-Ing. Stefan Heinrich
09:15 – 09:45

Mehrkörpersimulation integriert in die Co-Simulation: Wie geht das? Wo führt das hin?

    In der Entwicklung der numerischen Simulation im Laufe der letzten Jahre ist ein deutlicher Trend zur Konsolidierung zu beobachten. Neben der wirtschaftlichen Konsolidierung der Anbieter – letztendlich immer weniger Anbieter, die immer mehr anbieten – gibt es noch die technische Konsolidierung der Softwarelösungen. Das Stichwort ist Integration mit der Motivation, verschiedene Solver-Disziplinen unter einem gemeinsamen Dach zu vereinigen. Der Nutzer soll wenn möglich nur noch ein Tool benutzen, das alles kann.

    Das ist ein ambitioniertes Ziel und technisch in nächster Zeit nicht umsetzbar, da die Unterschiede in den Lösungsansätzen unterschiedliche Datenmodelle verlangen. Daher ist als übergangslösung die Co-Simulation das Mittel der Wahl. Damit sind verschiedene Solver gemeint, die über entsprechende Schnittstellen reibungslos und vor allem ohne Nutzerinteraktion miteinander kommunizieren, um so ihre volle Leistung zu entfalten. Auf diesem Gebiet wurden in den letzten Jahren deutliche Fortschritte erzielt.

    MSC Software bringt nun die Möglichkeiten technologisch auf ein neues Level. Der Vortrag zeigt den konzeptionellen Ansatz, den MSC verfolgt und schrittweise umsetzt. Gezeigt werden die Vorteile in der Anwendung für den Nutzer, aber auch die Limitationen, derer man sich immer bewusst sein muss. Mit konkreten Beispielen aus der Praxis werden die Vorteile der Co-Simulation untermauert.

    Der Fokus des Vortrages liegt auf den Möglichkeiten, die sich für dynamische Systeme aus der Co-Simulation ergeben und wie die traditionellen Grenzen der Mehrkörpersimulation überwunden werden können: Zum einen durch Kopplung mit nichtlinearer FEM aber auch mit CFD. Inhaltlich soll der Vortrag bestenfalls den Vorstellungshorizont der Zuhörer erweitern, in jedem Fall aber konkret belegen, wo die Co-Simulation bessere Ergebnisse erzielt als die herkömmliche, auf einen Solver beschränkte Vorgehensweise.

Mehrkörpersimulation integriert in die Co-Simulation: Wie geht das? Wo führt das hin?
Dr. Christof Rachor (MSC Software Corporation)
09:45 – 10:15

Neue Methoden und Analysen zur Bewertung von Modellen in der Mehrkörperdynamiksoftware alaska

    Das generelle Vorgehen beim Erstellen von Simulationsmodellen in Mehrkörperdynamik- Software besteht in der Abstraktion eines realen Systems, der Umsetzung in ein virtuelles Modell, der Validierung und eventuellem Einfügen in Toolketten. Mit diesen Modellen können nun Simulationen zur Auslegung und Zertifzierung des realen Objektes vorgenommen werden.

    Anhand zweier Beispiele werden Modifiationen und Erweiterungen von Standard-Analysen in der Mehrkörperdynamik-Software alaska erläutert, welche diese Prozesse erheblich erleichtern und verbessern:

  1. Freie Resultatkonfiguration in der Linearisierung zur Analyse und Auslegung von schwingfähigen Systemen – am Beispiel der Auslegung eines Tilgers einer Windkraftanlage,
  2. Berechnung schwerkraftinduzierter Lasten in transienter Analyse zur Reduktion von Lasten in der Zertifizierung – am Beispiel der Biegemomente in Rotorblättern von Windkraftanlagen.
Neue Methoden und Analysen zur Bewertung von Modellen in der Mehrkörperdynamiksoftware alaska
Carsten Schubert (Institut für Mechatronik e.V.)
10:15 – 10:45

Simulationsgestützte Maschinenentwicklung – Von der Antriebssimulation bis zur virtuellen Inbetriebnahme

    Die Systemsimulation stellt heutzutage einen wichtigen Baustein bei der Entwicklung moderner Maschinen und Anlagen dar. Die Einsatzmöglichkeiten von Systemsimulation sind dabei vielfältig und reichen von Fragestellungen bspw. aus den Bereichen Systemdynamik, Systemauslegung und Energiemanagement bis zur virtuellen Inbetriebnahme.

    Der vorliegende Beitrag gibt einen überblick zu möglichen Anwendungsbereichen von Systemsimulation bei der Maschinenentwicklung und stellt einige Beispiele und Ergebnisse aus diesen Bereichen vor. Ausgehend von einfachen Grundmodellen zeigt dieser Beitrag, wie mithilfe von Systemsimulation einzelne Antriebsachsen als auch gesamte Anlagenmodelle generiert werden können. In diesem Zusammenhang können anwendungsspezifische Besonderheiten des jeweiligen Maschinentyps berücksichtigt werden. Dazu zählen die Wechselwirkungen zwischen Prozess und Maschinenverhalten sowie die Anzahl und Ausprägung, bspw. mechanisch oder elektromechanisch, der aktiven Antriebsachsen.

    Ziel der Anwendung von Systemsimulation ist die Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Ausbringungsraten von Maschinen und die Verkürzung von deren Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten. Ein wichtiger Einflussfaktor stellt hierbei der Aufwand zur Modellierung und Parametrierung sowie die Wiederverwendbarkeit von Modellen dar.

Simulationsgestützte Maschinenentwicklung – Von der Antriebssimulation bis zur virtuellen Inbetriebnahme
Chris Penndorf (ESI ITI GmbH, Dresden)
10:45 – 11:15
Kaffeepause
SESSION X – Füge- und Schweißtechnik – Leitung: Dr.-Ing. Marcel Graf
11:15 – 11:45

Mechanisches Maschinenverhalten in der Punktschweißsimulation

    Widerstandspunktschweißen ist das dominante Fügeverfahren in der Karosserieherstellung. Der steigende Wunsch nach mehr Sicherheit und gleichzeitig nach einem möglichst leichten Fahrzeug, führt zur Verwendung hochfester Stähle. Mit der Festigkeit steigen die Anforderungen an die Prozesssteuerung und die Punktschweißzangen.

    Die Simulation des Punktschweißprozesses wird verwendet, um einen materialgerechten Schweißprozess zu entwickeln, sowie Zeit und Material für entsprechende Versuche einzusparen. In der Simulation können physikalische Größen ermittelt werden, welche am Schweißpunkt nicht messbar sind.

    Im Vortrag wird ein FEM-Modell vorgestellt, welches den Widerstandspunktschweißvorgang simuliert. Die erste Ausbaustufe des Modells umfasst die zu fügenden Bleche und das Elektrodenpaar der Punktschweißzange. Die Elektrodenkraft wird zu Beginn der Schweißsimulation auf die Elektrode aufgebracht und über den Prozesszyklus als konstant angenommen. Diese Annahme steht im Widerspruch zu in der Praxis gemessenen Elektrodenkraftverläufen. Diese weisen eine dynamische änderung über der Schweißzeit auf. Der Unterschied zwischen gemessener und in der Simulation vorgegebener konstanter Elektrodenkraft war die Motivation zur Erstellung eines mechanischen Maschinenmodells, welches im Vortrag präsentiert wird. Das Modell ist mit der Schweißprozesssimulation gekoppelt und ermöglicht die numerische Untersuchung der Wirkung mechanischer Maschinenparameter auf ein Punktschweißergebnis. Erste Ergebnisse der Schweißprozesssimulation unter Berücksichtigung des mechanischen Maschinenverhaltens werden vorgestellt und diskutiert.

Mechanisches Maschinenverhalten in der Punktschweißsimulation
Tillmann Ludwig (Technische Universität Chemnitz – Professur Schweißtechnik)
11:45 – 12:15

Additive Fertigung von beanspruchungsgerechten und komplexen Bauteilgeometrien mittels 3D Plasma-Auftragschweißen – ein simulativer Beitrag zur Bauteilcharakterisierung

    Die anspruchsvolle additive Fertigungstechnik zur Verarbeitung metallischer Werkstoffe mittels Auftragschweißen aus reiner großen Schweißgutvolumina setzt sich als ein neues Fertigungsverfahren durch. Die spezifischen Vorteile des formgebenden Auftragschweißens liegen in der stofflichen und geometrischen Flexibilität sowie in der Reduzierung der nachfolgenden notwendigen Fertigungsschritte und damit in der Senkung des Fertigungsaufwands. Es können damit komplexe Bauteile hergestellt werden, die mit den konventionellen Fertigungsverfahren nur schwer bzw. prozesstechnisch nicht realisierbar sind. Besonders die enormen geometrischen Freiheiten, die mit dieser Technologie verbunden sind, ermöglichen die Herstel-lung komplexer Bauteilgeometrien wie funktionsintegrierter Komponenten oder bionischer Leichtbauteile.

    Mit dem Plasma-Auftragschweißverfahren und dessen vielseitige Verfahrensvariante verbunden mit einer hohen Auftragsrate/Abschmelzleistung, einem draht- bzw. pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung metallischer Bauteile, können komplexe Bauteilkomponenten hergestellt werden, welche beispielsweise im Werkzeug- und Formenbau sowie in der Anlagentechnik zum Einsatz kommen. Mit dieser Mehrlagenprozesstechnik sind sehr hohe Abkühlgradienten der Schmelze zu verzeichnen, welche in makro- bzw. mikroskopischen elastischen und plastischen Verformungen auftreten können. Die Folgen davon wiederum sind hohe Eigenspannungen oder Bauteilverzug, welche die Qualität der additiv plasma-auftraggeschweißten Bauteile negativ beeinflussen können.

    In diesem Beitrag wird über die erzielten Ergebnisse aus den durchgeführten simulativ-experimentellen Untersuchungen zu den Plasmalichtbogen-Prozessabläufen und deren physikalische Effekte für technisch-konstruktive Optimierung der Verfahrens-Hardwaretechnik wie z. B. Schweißbrenner (Brennkopfkühlung, Schweißpulververteilung, -dosierung im Plasma-lichtbogenstrahl, Prozessgaszuführung etc.) berichtet. Anhand des aufgebauten strömungs-thermomechanischen/MHD-Modell war es möglich, die einzelnen physikalischen Prozesseffekte auf Prozessablauf, -verhalten und -stabilität zu erfassen und deren Wirkung auf die Brennerfunktion und -design zu charakterisieren. Die damit erzielten Ergebnisse wurden für die Vergegenständlichung eines prozessfehlerfreien und funktionssicheren Mikro-Plasmabrennerkopf genutzt. Dadurch war es möglich, die geforderten geometrischen und mechanisch-technologischen Eigenschaften bei Herstellung der Bauteilschweißkonturen zu realisieren.

    Anderer Seites wurde ein thermo-elastisch-plastisches Simulationsmodell zur Vorausbestimmung der auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen an additiv plasma-auftraggeschweißten Bauteilkonturen entwickelt. Bei dem formgebenden Auftragschweißen von Bauteilkonturen entstehen komplexe Schrumpf-, und Umwandlungsspannungen im Bereich des Schichtdesinges bzw. -aufbaus je nach verwendeter Werkstoffart und Prozesswärmeleistung. Zur Beeinflussung/Minimierung der schweißbedingten Eigenspannungen und Verzug wurden in diesem Beitrag werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen simulativ untersucht und daraus Kenntnisse gewonnen, die für die Herstellung von beanspruchungsgerechten Bauteilkonturgeometrien Werkzeug-Demonstrator mit vordefinierten Schichteigenschaften praxisnah umgesetzt wurden.

Additive Fertigung von beanspruchungsgerechten und komplexen Bauteilgeometrien mittels 3D Plasma-Auftragschweißen – ein simulativer Beitrag zur Bauteilcharakterisierung
PD Dr.-Ing. habil K. Alaluss (Technische Universität Chemnitz – Professur Schweißtechnik)
12:15 – 12:45

Methoden und Herausforderungen bei der numerischen Simulation des selektiven Laserschmelzens

    Additive Fertigungsverfahren stellen in den letzten Jahren einen Megatrend dar, da sich mit diesen Verfahren endkonturnahe Werkstücke mit hohem Materialausnutzungsgrad herstellen lassen. Die auch als 3D-Druck bekannt gewordenen additiven Fertigungsverfahren sind jedoch nicht auf die Prototypenfertigung aus Kunststoffen begrenzt. Beim selektiven Laserschmelzen werden metallische Werkstoffe im Pulverbettverfahren mittels Laserstrahl aufgeschmolzen und somit schichtweise aufgebaut. Das Verfahren findet bereits in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, aber auch in der Automobilindustrie und im Maschinenbau Anwendung für Prototypen, Einzelanfertigungen oder Kleinstserien. Des Weiteren ermöglicht es auch die Herstellung von Werkstücken mit besonders hoher Komplexität, die mit spanenden Verfahren nicht herstellbar sind, und bietet dadurch neue Gestaltungsmöglichkeiten bei der Konstruktion.

    Innerhalb des Vortrags werden nach der Vorstellung des Verfahrens verschiedene Methoden zur numerischen Simulation des selektiven Laserschmelzens von Edelstahl (1.4404) am Beispiel der kommerziellen Software Simufact Additive erläutert. Dazu werden der mechanische und thermo-mechanische Lösungsansatz betrachtet sowie die Methode zur Kalibrierung der Simulationen erläutert. Des Weiteren wird der Einfluss der Orientierung des Werkstücks im Herstellungsprozess auf resultierende Spannungen, Verzug sowie mechanische Eigenschaften analysiert und mit experimentellen Untersuchungen untersetzt.

Methoden und Herausforderungen bei der numerischen Simulation des selektiven Laserschmelzens
Stephan Lüder (Technische Universität Chemnitz – Proefessur Virtuelle Fertigungstechnik)
12:45 – 13:45
Mittagspause
13:45 – 14:30
Versuchfeldführung Professuren "Montage- & Handhabungstechnik" und "Maschinenelemente und Produktentwicklung"
n.n.
SESSION XI – CFD I – Leitung: Prof. Dr.-Ing. Denis Anders
14:30 – 15:00

CFD-Berechnung von Axialkolbenpumpen

    Axialkolbenpumpen bieten viele Vorteile, wie beispielsweise hohe Leistungsdichten und einfache Regelbarkeit. Auf der anderen Seite neigen sie zu Kavitation, mit der Gefahr der Beschädigung – die zum Ausfall führen kann – und erhöhter Geräuschbildung durch Druckpulsationen. Die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics = CFD) bietet die Möglichkeit, die transienten Prozesse innerhalb dieser Pumpen zu verstehen und Optimierungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

    Die komplexe Bewegung der Kolben erfordert bewegte Gitter, die translatorische und rotatorische Bewegungen sehr genau abbilden müssen. Die zu fördernde Hydraulikflüssigkeit muss als kompressibles Medium behandelt werden, insbesondere da sie zu bestimmten Zeiten (Kompressions- und Dekompressionsphase) in geschlossen Kammern einer Volumenänderung unterworfen ist, die eine Dichte- und Druckänderung mit sich bringt. Im Falle des Auftretens von Kavitation ist eine Modellierung der gasförmigen und flüssigen Phase notwendig.

    Der Vortrag zeigt auf, wie das vollständige transiente Verhalten von Axialkolbenpumpen simuliert werden kann. Dadurch ist es möglich, Steuerzeitenoptimierungen durchzuführen, die zu geringerer Kavitationsneigung und reduzierten Druckpulsationen führen.

CFD- Berechnung von Axialkolbenpumpen
Matthias Heinz (INNEO Solutions GmbH)
15:00 – 15:30

Simulation und experimentelle Untersuchung des Ladungswechsels am Beispiel eines Doppelkolbenmotors

    Aufgrund der CO2-Neutralität regenerativ erzeugter Kraftstoffe rücken diese vermehrt in den Fokus der Forschung. Einen Kraftstoff mit signifikanten Vorteilen stellt hierbei das Biogas dar. Ein bis zu 30 % geringerer CO2-Ausstoß im Vergleich zu langkettigen Kraftstoffen und ein höherer Wirkungsgrad sind hier zu nennen. Daneben besteht Biogas aus 50 % – 75 % Methan und hat dadurch einen um 45 % geringeren Heizwert als Ottokraftstoffe. Zusätzlich liegt es bereits gasförmig vor und kann somit nicht zur Innenkühlung des Motors beitragen. Dies zusammen führt zu einem signifikanten Leistungsverlust bei der Verwendung als Kraftstoff. Um diesem Leistungsverlust entgegenzuwirken, müssen großvolumige Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Dies steht aber nicht nur im Widerspruch zur ressourcenschonenden und energiesparenden Herstellung, sondern hat auch bezogen auf den mobilen Einsatz negative Auswirkungen auf die zu bewegende Masse und folglich auf das Emittierte CO2. Eine Vielzahl an Maßnahmen wurde bereits zur Steigerung der Leistung bei gleichbleibendem oder auch sinkendem Hubraum betrieben. Hier sind vor allem neue Einspritz- und Aufladesysteme zu nennen. Eine weitere Möglichkeit stellt die Reduzierung der Arbeitstakte dar. Ein Viertaktmotor benötigt für ein Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen, ein Zweitaktmotor hingegen eine. So können innerhalb der gleichen Zeit doppelt so viele Arbeitsspiele stattfinden und somit die Leistung deutlich gesteigert werden. Schnelllaufende Zweitaktmotoren haben aber bedingt durch das verbreitete Konzept der Umkehrspülung einen erhöhten Ausstoß an unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Diese werden zum einen während des offenen Ladungswechsels, wenn Ein- und Auslassschlitze im unteren Totpunkt geöffnet sind, und zum anderen, wenn der Einlass bereits verschlossen und der Auslass noch geöffnet, ist emittiert.

    Der Vergleich verschiedener Motorkonzepte zeigt, dass der Doppelkolbenmotor arbeitend nach dem Zweitaktprinzip den Ausstoß an unverbrannten Kohlenwasserstoffen signifikant reduzieren könnte. Beim Doppelkolbenmotor teilen sich zwei vertikal angeordnete Zylinder einen Brennraum. Der eine Zylinder beinhaltet im unteren Totpunkt die Einlass- der andere die Auslassschlitze. Die jeweiligen Kolben werden über ein Zollerpleuel bestehend aus Haupt- und Nebenpleuel mit der Kurbelwelle verbunden. Dieser spezielle Pleuel ermöglicht das Vorrauseilen des Auslasskolbens und verhindert somit den für andere Konzepte typischen Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei bereits geschlossenen Einlass- und noch geöffneten Auslassschlitzen. Die Verluste während des offenen Ladungswechsels sollen durch die Trennwand der beiden Zylinder reduziert werden. Dieses Konzept wurde von Prof. Dr.-Ing Frank Rieg übernommen und in Form eines Prototyps umgesetzt. Mit modernster Motorregelung am Prüfstand auf der einen und Simulationssoftware auf der anderen Seite soll das Potential des Motorkonzeptes untersucht werden. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Abbildung und Optimierung des Ladungswechsels unter Zuhilfenahme eines numerischen Strömungssimulationsmodells. Ziel ist es, die Querschnittsflächen wie auch Anstellwinkel der Ein- und Auslassschlitze zu optimieren. Dabei sollen der Spüldruck sowie die Spülverluste möglichst klein und gleichzeitig die Zylinderfüllung mit Frischgas möglichst groß sein. Danach erfolgt der Vergleich der Simulationsergebnisse am Prototypen und die Gegenüberstellung mit einem Viertaktmotor der gleichen Hubraumklasse.

Simulation und experimentelle Untersuchung des Ladungswechsels am Beispiel eines Doppelkolbenmotors
Pascal Diwisch (Universität Bayreuth – Lehrstuhl Konstruktionslehre und CAD)
15:30 – 16:00
Kaffeepause
SESSION XII – CFD II – Leitung: Prof. Dr.-Ing. Denis Anders
16:00 – 16:30

Numerische Simulation und experimentelle Validierung statischer Mischelemente

  1. Numerische Simulation (CFD)
  2. experimentelle Validierung
  3. statische Mischelemente
Numerische Simulation und experimentelle Validierung statischer Mischelemente
Prof. Dr.-Ing. Denis Anders (TH Köln – Technische Mechanik und Strömungslehre)

16:30 – 17:00

Hybridfügen: Numerische Verfahrensentwicklung des Flach-Clinchklebens

    Eines der am häufigsten in der Automobilindustrie eingesetzten mechanischen Fügeverfahren ist das Clinchen, auch Durchsetzfügen genannt. Hierbei werden zwei oder mehr sich überlappende Bleche lokal umgeformt, sodass eine form- und kraftschlüssige Verbindung entsteht. Aufgrund der prozessbedingten matrizenseitigen überhöhung können konventionelle Clinch-Verbindungen nicht in Sicht- und Funktionsbereichen (z. B. Dicht- oder Gleitflächen) eingesetzt werden. Eine Sonderform des Clinchens ist das sogenannte Flach-Clinchen. Gegenüber dem Clinchen mit matrizenseitiger überhöhung besteht der Vorteil des Flach-Clinchens in der ambossseitigen Ebenheit der Verbindung. Daher kann dieses Verfahren auch im Bereich von Sicht- und Funktionsflächen eingesetzt werden.

    Eine weitere, häufig im Automobilbau für das Verbinden unterschiedlicher Werkstoffkombinationen eingesetzte Fügetechnologie ist das Kleben. Im Vergleich zu den mechanisch gefügten Verbindungen weisen Klebverbindungen eine höhere Belastbarkeit gegenüber schwingender und schlagartiger Beanspruchung sowie eine höhere Verbindungsfestigkeit unter quasistatischer Scherzugbeanspruchung auf. Nachteilig am Kleben ist jedoch, dass die Fügeteile bis zur vollständigen Aushärtung des Klebstoffs in ihrer Lage zueinander fixiert werden müssen. Dies führt bei der Herstellung der Produkte zu verlängerten Taktzeiten.

    Das an der Technischen Universität Chemnitz neu entwickelte Hybridfügeverfahren Flach-Clinchkleben beinhaltet die Kombination aus Flach-Clinchen und Kleben. Hierbei wird in einem ersten Prozessschritt eine konventionelle Klebverbindung hergestellt und diese anschließend in einem zweiten Schritt zusätzlich mittels Flach-Clinchens gefügt. Die mechanische Verbindung fixiert die Bauteile in ihrer Lage zueinander, sodass diese direkt weiterverarbeitet werden können. Die finale Verbindungsfestigkeit, auch Gebrauchsfestigkeit genannt, wird nach dem vollständigen Aushärten des Klebstoffs erzielt.

    Im Vortrag wird die numerische Verfahrensentwicklung des Flach-Clinchklebens präsentiert. Schwerpunkte bilden hierbei die Bestimmung der Materialdaten und die anschließende Implementierung in das Simulationsmodell sowie die Modellierung des Prozesses. Es wird auf numerische Besonderheiten, wie die Kontaktabbildung zwischen den Blechen und der Klebschicht sowie auf die Trennung der Klebschicht und die damit verbundene Bildung von Klebstofftaschen, eingegangen. Weiterhin werden verschiedene Ansätze vorgestellt, um die Hinterschnittausbildung zwischen den Blechen zu ermöglichen und hierdurch die Handhabungsfestigkeit der Hybridverbindung zu gewährleisten. Abschließend erfolgt die experimentelle Validierung ausgewählter Verfahrensparameter.

Hybridfügen: Numerische Verfahrensentwicklung des Flach-Clinchklebens
Dr.-Ing. Thoralf Gerstmann (Technische Universität Chemnitz – Professur Virtuelle Fertigungstechnik)
Zeit Mathcad Workshop (N001)
Ab 14:30
Mathcad Prime – Hands-On-Workshop
Jan Arndt (NET AG system integration)
Die Anmeldung erfolgt per E-Mail an: karsten.gerlach@... oder als Anmerkung im Anmeldeformular
Es gibt nur eine begrenzte Anzahl an Plätzen!
Zeit ANSYS Produktschulung(N002)
Ab 14:30
Andreas Veiz (CADFEM GmbH Chemnitz)
Die Anmeldung erfolgt per E-Mail an: karsten.gerlach@... oder als Anmerkung im Anmeldeformular
Es gibt nur eine begrenzte Anzahl an Plätzen!

Weiterhin besteht die Möglichkeit die neuesten Produkte unserer Aussteller zu testen bzw. konkrete Fragen zu Problemen an das geschulte Personal vor Ort zu richten.