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Leichtbau mit Bionik - sachs engineering GmbH
Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 1 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Innovative Leichtbaukonzepte in der
Automatisierungs- und Handhabungstechnik
mit bionischen Optimierungsmethoden
Dipl.-Ing. Wolfgang Sachs,
sachs engineering GmbH, Engen
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Leichtbau mit Bionik - sachs engineering GmbH
Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 2 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Inhalt:
Focusthema Leichtbau und Materialeffizienz
Vorstellung sachs engineering GmbH
Naturbeobachtungen für Leichtbau und
Kerbspannungsfreiheit – bionische Methoden
der Optimierung
Akademische Anschauungsbeispiele
Industrielle Anwendungen
Focus Teilepreis Gewicht
Focus Energiekosten Gewicht
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 3 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Sitz in Engen/Bodensee
gegründet 1998 - Rechtsform GmbH
40 Mitarbeiter
Sachbearbeiter Ingenieure und Techniker aus dem Fahrzeugbau, Maschinenbau und Bauwesen
Schwerpunkte:
FEM-Berechnung
CAD-Konstruktion
Optimierungsverfahren
Das Unternehmen
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 4 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Leistungsspektrum
Projektstudien
Pflichtenheftdefinition
Entwürfe
Konstruktion
Varianten
Detaillierung
Prototypenbau
Musterserie
Serienbegleitung
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 5 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Leistungsspektrum
Statik
Dynamik
Thermomechanik
Prozesssimulation
Vernetzung
Strömungssimulation
Mehrkörpersimulation
Programmierung
Festigkeitsnachweis
Betriebsfestigkeit
Topologieoptimierung
Gestaltoptimierung
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Materialkosten sind der größte Kostenblock
Materialeffizienz
Einsparpotenzial: ca. 100 Mrd. €
Sonstiges 12,9%
Mieten, Pacht 1,3%
Dienstleistungen 1,6%
Lohnarbeiten 2,2%
Abschreibungen 2,6%
Kostensteuern 3,1%
Handelsware 11,0%
Energie 2,1% Personal 17,8%
Material 45,4%
Die Zahlen beziehen sich auf die Kostenstruktur in 2008 Quelle: Statistisches Bundesamt 2010
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Materialeffizienz: Kostenstruktur in der Produktion Der Materialkostenanteil ist in den letzten Jahren kontinuierlich gewachsen
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
An
teil d
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Bru
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Sonstiges
Handelsware
Personal
Energie
Material
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 8 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
1893 erste Arbeiten
lastangepasste
Stammverjüngung
proportional zum
windinduzierten
Biegemoment
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 9 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Kerbspannungsfreie
Astgabel
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 10 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 11 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
• Selektion
durch Versuch
und Irrtum
• Adaptives
Wachstum und das
Axiom konstanter Spannung
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Prof. Mattheck´s Methoden Forschungszentrum Karlsruhe
CAO Computer Aided Optimization
SKO Soft-Kill-Option
FormUp.Shape
Gestaltoptimierung Topologieoptimierung
FormUp.Topologie FormUp.Topographie
Optimierung der Dauerfestigkeit Leichtbau
FormUp Applikation für MSC.MARC und MSC.NASTRAN
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CAO-Zuglasche
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Platte mit Loch
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 15 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Shape Optimization CAO
Ziel Kerbspannungsabbau, Spannungshomogenisierung
Methode Biomechanik CAO nach Mattheck
Software FormUp.Shape
Mit freundlicher
Genehmigung von:
http://www.iveco.com/cgi-bin/iveco.dll/iveco/home.jsp?BV_SessionID=@@@@1624991900.1068825145@@@@&BV_EngineID=cccdadcjljkglkfcfjfcemmdgfndfli.0
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SKO Beispiel - Kragträger
Designraum
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
SKO Beispiel - Kragträger
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik © sachs engineering GmbH 18 Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
SKO Beispiel - Kragträger
Kragträger mit verschiedenen Referenzspannungen Werkstoff- und Beanspruchungs- gerechtes Design
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Gewichtsoptimierung Motorlagerung
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Beispiele Schwenklagerentwicklung
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Kipphebel Radträger
Schwenklager
Querlenker
Motorhalter
LKW-Radnabe
Pleul Kurbelwelle Querlenker Kipphebel Schwenklager Motorhalter Radträger Radnabe
Gewichtsreduktion 6 % 13 % 10,5% 35% 17% 22% 12,4% 39%
Stückzahl 160.000.000 40.000.000 80.000.000 320.000.000 80.000.000 80.000.000 80.000.000 9.000.000
Kostenersparnis [Mio. Euro] 48 260 160 103,2 150 130 96 247,5
Co2 Reduktion [t Co2/Jahr] 72.000 390.000 240.000 155.000 225.000 195.000 144.000 371.000
Kurbelwelle Pleul
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Design for casted and forged parts
Step 1: Topology- SKO
Final Part Design
Step 4 CAO
Step 3 :FE-Analysis
Step 2: Umsetzung in CAD
Way of development using SKO and CAO
Target: Lightweight-Proposal
Target: First Design which represents all loads
Target: Showing all stresses and in all loadcases
Target: Finetuning, Reducing Stress-Spots
Lightweight design and high durability
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Herstell/Prozesskosten: leicht höher
Materialkosten -30%
Energiekosten : Stromverbrauch ca. -20%
Beispiel Schweißzange Rohbaufertigung
Anbau an Roboter
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Bauraum Läufer V = 3.824E6 mm3
m = 10.3 kg
Bauraum
Wippe V = 4.897e5 mm3
m= 1.322 kg
Beispiel Die-Bonding Einheit
Fertigungselement für die Halbleiterherstellung
Bewegungseinheit mit sehr hoher Dynamik
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Beispiel Die-Bonding Einheit
Optimierter Läufer V = 1.47e5 mm3
M = 0.3969 kg
Bauraum Läufer V = 3.824E6 mm3
m = 10.3 kg
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Optimierte Wippe V = 5.15e4 mm3
M = 0.139 kg
Bauraum
Wippe V = 4.897e5 mm3
m= 1.322 kg
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Läufer Wippe
Beispiel Die-Bonding Einheit
Optimierte Baugruppe
Durchgängiger Leichtbau
Gewichtreduktion optimierte Baugruppen 34%
Gewichtreduktion Baugruppe kpl. 24%
reduzierte dynamische Massen:
kleiner Motoren und Antriebe
filigranere Verbindungen/Streben
kleinere Verbindungselemente/Schrauben
besseres dynamisches Verhalten, Eigenfrequenzen, Übertragungsfunktion,
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Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
Zusammenfassung
Leichtbau gewinnt auch in der Automatisierungstechnik und im Betriebsmittelbau
mehr und mehr an Bedeutung
Motivation ist sind weniger die Herstellungskosten/Materialkostenersparnis. Viel
entscheidender ist:
Einsparung von Energiekosten durch geringere bewegte Massen
höhere Dynamik höhere Taktzahlen schnellere Fertigungsprozesse
höhere Entwicklungskosten/Fertigungskosten zahlen sich häufig durch geringere
Investitionen in Motoren/Antriebe/Roboter aus
Leichtbau ist nicht nur Materialsubstitution. Strukturleichtbau ist für intelligenten
Leichtbau unverzichtbar. Hier sind bionische optimierungsverfahren ein geeignetes
Werkzeug
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Leichtbau mit Bionik - sachs engineering GmbH
Produktentwicklung CAD-Konstruktion FEM-Simulation Leichtbau Bionik
weitere Informationen: www.sachs-engineering.de [email protected]
Tel. +49 7733 503 99 -10
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
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