CSI Entwicklungstechnik

Systematischer Leichtbau per Drag-and-Drop

| Autor / Redakteur: Peter Klingauf / Frauke Finus

Beim Leichtbau sollte das Gesamtsystem im Vordergrund stehen. Damit zählt das Gesamtergebnis: Anstrengungen zur Gewichtseinsparungen an einer Tür können kontraproduktiv sein, falls andere Teile der Karosserie dafür umso schwerer werden. Sie können aber genauso gut zusätzliche Gewichtseinsparungen an anderer Stelle nach sich ziehen. In seiner Doktorarbeit hat Tobias Lüdeke eine Systematik entwickelt, um solche Konsequenzen frühzeitig berechnen zu können.
Beim Leichtbau sollte das Gesamtsystem im Vordergrund stehen. Damit zählt das Gesamtergebnis: Anstrengungen zur Gewichtseinsparungen an einer Tür können kontraproduktiv sein, falls andere Teile der Karosserie dafür umso schwerer werden. Sie können aber genauso gut zusätzliche Gewichtseinsparungen an anderer Stelle nach sich ziehen. In seiner Doktorarbeit hat Tobias Lüdeke eine Systematik entwickelt, um solche Konsequenzen frühzeitig berechnen zu können. (Bild: pixelcaos - Fotolia / Adobe Stock)

Leichtbau zählt zu den wichtigsten Anforderungen in der Automobilentwicklung. Doch wieviel Gewicht tatsächlich eingespart wird, hängt stark von Erfahrung und Intuition der Entwickler und Konstrukteure ab. Geht der Mitarbeiter, geht ein Teil des Know-hows. Um das zu verhindern, entwickelt CSI Methoden, mit denen die Gewichtsreduzierung systematisch angegangen werden kann.

Leichtere Fahrzeuge zu bauen, ist eine der wichtigsten Möglichkeiten, um Energie zu sparen und die Umwelt zu schonen. Doch Leichtbau kann auch eine vertrackte Sache sein: Möglicherweise spart ein Türentwickler bei seinem Arbeitspaket 1 kg Gewicht ein – aber das Gesamtfahrzeug wird dadurch nicht leichter, sondern schwerer, weil die veränderte Tür die Stabilität beeinträchtigt und an anderer Stelle der Karosserie Verstärkungen nötig sind, die viel mehr wiegen, als an der Tür eingespart wurde. In der Realität wird ein solches Ergebnis kaum in Serie gehen, weil man solche Irrwege rechtzeitig bemerkt. Aber wenn sich die Erkenntnisse der Dissertation von Tobias Lüdeke, Ingeniuer bei der CSI Entwicklungstechnik GmbH in die Realität umsetzen lassen, dürfte die Entwicklung erst gar nicht mehr in solche Sackgassen führen. Man könnte sogar gezielt nach Leichtbauansätzen suchen, die sich gegenseitig verstärken und auch noch die Kosten berücksichtigen.

Bisher befassen sich Entwickler zu spät mit Leichtbau

Im Jahr 2010 begann der Mechatronik-Ingenieur an der Universität des Saarlands mit seiner Doktorarbeit. Neben seiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik von Prof. Dr.-Ing. Michael Vielhaber erforschte er aktuelle Entwicklungsprozesse, um sie am Schluss durch seine neue Systematik zu verbessern. Eine der ersten Erkenntnisse: Mit dem Leichtbau befassen sich Entwickler in der Regel erst dann, wenn ein physischer oder virtueller Prototyp vorhanden ist. Eindeutig zu spät, betont Lüdeke, „denn die größten Möglichkeiten, auf das Gewicht, aber auch auf Kosten und andere Aspekte Einfluss zu nehmen, haben die Entwickler ganz zu Beginn der Entwicklung, wenn auf Basis der Anforderungen das Produkt konzipiert wird, also lange bevor Prototypen existieren“.

Das Problem: Es gibt kaum Erkenntnisse dazu, welchen Einfluss Änderungen am Produkt in dieser frühen Phase am Schluss auf das Gewicht und beispielsweise die Kosten haben werden. Daher konzipierte Lüdeke in mühevoller Detailarbeit dafür eine Systematik mit vielen Formeln. Sie erlauben es, durchzurechnen, welche Konsequenzen eine veränderte Konstruktion auf verschiedene Eigenschaften des Endprodukts haben wird. Dass die Formeln funktionieren, hat Lüdeke nachgewiesen. Allerdings geben sie bislang erst eine grobe Auskunft: Macht meine Konstruktionsänderung das Produkt leichter oder schwerer? Um genauere Angaben machen zu können sind noch weitere Forschungen und Entwicklungsschritte erforderlich.

Deutlich näher an der Umsetzung liegt der zweite Teil von Lüdekes Dissertation, die er im Juni mit dem Kolloquium abgeschlossen hat. Darin hat er die „sekundären Gewichtseinsparungen“ untersucht. Ein bekanntes Beispiel: Es gelingt, den Motor zehn Kilogramm leichter zu konstruieren, dann ergeben sich daraus weitere, eben sekundäre Einsparungen, weil die Motoraufhängung weniger robust sein muss und sogar die Bremsen ein wenig kleiner dimensioniert sein können. „Dafür habe ich ein Systemmodell entwickelt, das auf Basis mathematischer Formeln solche sekundären Effekte erfasst“, erläutert Lüdeke. „Ich kann also gewissermaßen simulieren, welche Auswirkung eine lokale Gewichtseinsparung auf das Gesamtgewicht des Systems oder Fahrzeugs hat.“ Weiterentwicklungen der Systematik würden es letztlich ermöglichen, die Auswirkungen der Maßnahmen beispielsweise auf Kosten und Recycling zu berechnen – und zwar im Konstruktionsstadium, wenn also Optimierungen noch einfach realisierbar sind.

Konfiguration einfach schnell am Bildschirm ausführen

Inzwischen treibt das Innovationsteam von CSI, in dem auch Tobias Lüdeke seit Mai 2015 tätig ist, das Thema des systematischen Leichtbaus in gemeinsamer Forschungsarbeit mit Prof. Vielhaber weiter voran. Auch hier gilt es, durch Praxisuntersuchungen und mit Hilfe des Erfahrungsschatzes der Mitarbeiter von CSI viele Parameter zu ermitteln, um die Formeln an die reale Entwicklungsarbeit anzupassen. „Ich kann zwar keinen Zahlenwert nennen, aber ich bin recht sicher, dass auf diese Weise noch recht große Gewichtsreduzierungen möglich sind“, betont Lüdeke. Er zitiert Studien, die davon ausgehen, dass pro kg Primäreinsparung etwa 0,5 bis 1,0 kg zusätzliche Sekundäreinsparungen möglich sind. Dieses Potenzial nutzbar zu machen, wäre schon eine Menge. Doch Lüdekes Vision reicht noch weiter. „Im Idealfall könnte ich mir vorstellen, dass auf Basis meines Ansatzes und aus Daten sowie Erkenntnissen der Hersteller eine Art Fahrzeug-Konfigurator entsteht. Dieser wäre natürlich nicht im klassischen Sinne für Endkunden gedacht, die ihr Wunschfahrzeug zusammenstellen. Vielmehr könnte er in der frühen Phase des Produktentstehungsprozesses eingesetzt werden und hier einen echten Meilenstein in der Entwicklung bedeuten.“

Konkret hieße das: Die Konfiguration oder Änderung von Merkmalen (zum Beispiel Abmaße, Radstand) und Eigenschaften (wie Fahrzeugklasse, Art der Antriebstechnik, Zielmarkt) ließe sich einfach und schnell per Drag-and-Drop am Bildschirm ausführen. So würden sich in kürzester Zeit grobe Aussagen zu Gewicht, Schwerpunkt, Kosten, Verbrauch, Reichweite und vielen weiteren Merkmalen treffen lassen – und das nicht nur vor dem ersten physischen sondern sogar vor dem ersten virtuellen Prototyp.

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