entwicklung 2.0 vernetzung von produkt und prozeß · knuckle redesigned cvc knuckle weight -22%...
TRANSCRIPT
KSM Castings Gruppe
Entwicklung 2.0 Vernetzung von Produkt und Prozeß
Dr. K. Greven, Th. Buschjohann KSM Castings GmbH
2 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Motiviation
Der Entwicklungablauf
Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung
Beispiel Radträger
Beispiel Hybridkomponenten
Aluminium / Stahl
Aluminium / Kunststoff
Zusammenfassung
Inhalt
3 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Entwicklung des Fahrzeuggewichts Beispiel VW Golf (Gewicht in kg)
Aluminium Anteil in PKW (kg aluminium pro Fahrzeug)
167153 148
132 130
95
70
90
110
130
150
170
190
Mercedes VW
Group
GM Toyota EU
Target 2012
EU
Target 2015
CO2 Flotten Emission vs. Zielen des Gesetzgebers (g CO2 pro km)
790890
9601,050
1,155 1,217
0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
Golf I Golf II Golf III Golf IV Golf V Golf VI
+427 kg / +54%
KY
0
40
80
120
160
200
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Quelle: Roland Berger
Motivation
4 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
powertrain
60%
chassis
38%
body
2%
body 39%
chassis
24%
powertrain
16%
equipment 15%
electrical
system
6%
Typische Massenverteilung Aluminium Anteil nach Anwendung
Motivation
5 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Motiviation
Der Entwicklungablauf
Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung
Beispiel Radträger
Beispiel Hybridkomponenten
Aluminium / Stahl
Aluminium / Kunststoff
Zusammenfassung
Inhalt
6 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Designvorschlag
Bauraum
CPC
CVC
Bauteildesign
Entwicklungsablauf
Topologieoptimierung
KG
• Lastfälle • Steifigkeits-
anforderungen
7 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Bauraum
Designvorschlag
CPC
CVC
Bauteildesign
Topologieoptimierung
KG
• Lastfälle • Steifigkeits-
anforderungen
Verfahrens-entwicklung
Werkstoff-entwicklung
Entwicklungsablauf
8 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Motiviation
Der Entwicklungablauf
Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung
Beispiel Radträger
Beispiel Hybridkomponenten
Aluminium / Stahl
Aluminium / Kunststoff
Zusammenfassung
Inhalt
9 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Beispiel: Radträger
KSM Castings Gruppe
Bauraum Topologieoptimierung Verfahren
10 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Werkzeug-technologie
Wärme-behandlung
KSM-Kolben Vakuum-
steuerung
Prozeß-überwachung
Keine Ventile im Druckgießwerkzeug
Ständige Prozesskontrolle des Restdrucks
Kein „Vorziehen“ des Metalls
Keine negativen Auswirkungen auf Verfügbarkeit
Auf alle Werkstoffe anwendbar
Zweistufige Wärmebehandlung möglich
Keine Bearbeitung oder Vorbehandlung der Schweißanbindung nötig
Controlled Vacuum Casting
11 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Vacural
Vakuum DG
Poro
sität
[%]
CVC vs. Vakuum DG und Vacural
CVC Vakuum DG Vacural
CVC Prozeßentwicklung CVC
12 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Legierung: EN AC-43500 (AlSi10MnMg)
Wärmebehandlung: T6, T7
Prozeßentwicklung CVC
13 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Produktentwicklung CVC-Radträger
Steifigkeitsberechnung Spannungsberechnung Gußteil
14 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
29.12.2010 28.02.2011 30.04.2011
elo
ng
ati
on
rate
[%
]
yie
ld s
tren
gth
, te
nsile
str
en
gth
[M
Pa]
tensile strength
yield strength
elongation rate
Prozeßentwicklung CPC
KSM Castings Gruppe
15 KSM Castings Group / Simultaneous & Technological Engineering June, 2011
Ziel: Herstellung komplexer und dünnwandiger Bauteile im hochbelasteten Fahrwerksbereich
Radträger MQB Front
Temperierung der Kokille über Heiz-/Kühlmedium
Prozesssicherer Einsatz von Schiebern im Druckkessel
Anwendung von Speisern im CPC Verfahren
Prozeßentwicklung CPC
16 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Produktentwicklung CPC-Radträger
Steifigkeitsberechnung Spannungsberechnung Gußteil
17 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Cast aluminum knuckle
Redesigned CVC knuckle
Weight -22%
Redesigned CPC knuckle
Cast aluminum knuckle
Weight -31%
Vergleich CPC vs. CVC
18 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
100
150
200
250
300
350
0 5 10 15
Str
eckgre
nze (
MPa)
Bruchdehnung (%) nie
dri
g
Hoch
niedrig Hoch
Druckguss
Kokillen- guss CVC
Gew
ichts
ein
sparp
ote
nzia
ll
Crash-Relevanz
CPC
Legierungsentwicklung CPC
19 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
…
Legierungsentwicklung CPC
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
0 2 4 6 7 8
Bru
ch
deh
nu
ng
[%
]
Zu
gfe
sti
gkeit
, S
treckg
ren
ze [
MP
a]
Auslagerungsdauer [h]
Rm
Rp0.2
Bruchdehnung
Legierungsvariante 1: AlSiMg
Auslagerungstemperatur: 170°C
20 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Motiviation
Der Entwicklungablauf
Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung
Beispiel Radträger
Beispiel Hybridkomponenten
Aluminium / Stahl
Aluminium / Kunststoff
Zusammenfassung
Inhalt
21 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Potential application: Premium cars, light commercial vehicles, electric cars
Target: Weight reduction of 20% - 40%
Aluminium / Stahl Hybridradlager
22 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Aluminium / Stahl Hybridradlager
T6-A T6-B
Rm 313 304
Rp0,2 272 243
A5 1,9 3,7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
50
100
150
200
250
300
350
Bru
ch
deh
nu
ng
[%
]
Str
eckg
ren
ze, Z
ug
festi
gkeit
[M
Pa]
Fe
Al
23 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Beispiel VarioStruct
Leichtbaupotenzial durch sehr hohe Strukturleistungen
Querschnittsstabilisierung durch die Rippen einer Hybridstruktur
konventionelle Blechstruktur (B)
Fmax
Hybridstruktur (H)
n Fmax
Aktivierung von Tragreserven oberhalb der Beulspannungen
maxB
kritB
Druckspannung maxH
kritH
krit = kritische Beulspannung
max = maximale Beulspannung
b b
b = Plattenbreite in einem Profil
Rippen Rippen
24 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Technologische Grundlagen
Untersuchungen an verschiedenen Grundlagenkörpern im Spannungsfeld
zwischen FEM und Prototypen
Beispiel VarioStruct
Formschlussprobe Grenzschubprobe
Grundlagenprofil
Entwicklung Demonstrator
Auslegung, Fertigung und Prüfung des Verbundguss-Dachquerträgers
Dachquerträger
25 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Beispiel VarioStruct
Kra
ft
Weg
Zentrische 3-Punkt-Biegung
Test VarioStruct
Test Original
117% 135%
72%
100% 100% 100%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
Fmax Energie
Absorption
Masse
VarioStruct Original
26 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
4,7 kg
3,4 kg
Beispiel VarioStruct
Steigerung des Verformungswiderstands und der Energieaufnahme bei biegebelasteten Trägern im Crash
Gewichtsreduzierung 30 % (bei weiterer Optimierung >30 % darstellbar)
deutliche Querschnittsreduzierung (ca. 20 %)
hohes Strukturintegrationspotenzial (Multi-Material-Body)
hohes Umgebungsintegrationspotenzial
deutliche Reduzierung der Fügeoperationen
Interessante Kostenreduzierungspotentiale
Weitere Potenziale und Produktionsumsetzung zur Zeit in Untersuchung
Original: Differenzialbauweise
Verbundguss: Integralbauweise
27 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Untersuchung zu Kunststoff-Aluminium Verbunden
Kunststoff
Aluminium
Øaußen=10mm
Øinnen=5.5mm
Kraft
Fixierung
Prüfkörper mit Wandstärken von 3 - 4,5 mm
und einer Breite von: 35,5 mm +/- 0,2 35,0 mm +/- 0,2 34,5 mm +/- 0,2
28 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Untersuchung zu Kunststoff-Aluminium Verbunden
Hybrid Aluguss-Kunststoff
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Deformation [mm]
Kra
ft [
N]
Hybridteile_AL-Kunststoff_11
Hybridteile_AL-Kunststoff_10
Hybridteile_AL-Kunststoff_9
Hybridteile_AL-Kunststoff_8
Hybridteile_AL-Kunststoff_7
Hybridteile_AL-Kunststoff_6
Hybridteile_AL-Kunststoff_5
Hybridteile_AL-Kunststoff_4
Hybridteile_AL-Kunststoff_3
Hybridteile_AL-Kunststoff_2
Hybridteile_AL-Kunststoff_1
Maßtoleranzen im Hybrid wirken sich minimal auf die Maximalkraft aus und beeinflussen im geringen Maß die Deformationen
29 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Untersuchung zu Kunststoff-Aluminium Verbunden
Vergleich Versuch-CAE
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20
Deformation [mm]
Kra
ft [
kN
]
Versuch
Berechnung
30 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Motiviation
Der Entwicklungablauf
Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung
Beispiel Radträger
Beispiel Hybridkomponenten
Aluminium / Stahl
Aluminium / Kunststoff
Zusammenfassung
Inhalt
31 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß
KSM Castings Gruppe
Zusammenfassung
Design
Verfahren
Werkstoff
Gewichtseinsparung durch Werkstoff-substitution oft bereits umgesetzt
Weitere Gewichtseinsparung nur durch optimales Zusammenspiel von Werkstoff, Verfahren und Design
Topologieoptimierung zur Ermittlung des theoretisch möglichen Gewichtsminimum
Stetige Weiterentwicklung der Verfahren und Werkstoffe um dieser Lösung möglichst nahe zu kommen
Kombination verschiedener Werkstoffe in einer Komponente falls notwendig