Demonstrationszentrum SIMTOP: Numerische Simulationstechniken zur Verfahrens- und Bauteiloptimierung


Ausgangssituation

Die heutige industrielle Entwicklung ist durch eine hohe Dynamik geprägt, die eine Verkürzung der Zeitspanne von der Idee bis zum fertigen Produkt sowie eine schnelle Optimierung bestehender Produkte erfordert. Hierbei spielt der Einsatz numerischer Simulationstechniken eine Schlüsselrolle. Noch bevor das gewünschte Produkt, zum Beispiel ein neu entwickeltes Maschinenbauteil, tatsächlich gefertigt wird, kann der gesamte Entstehungsprozess vom Herstellungsverfahren bis zum fertigen Bauelement vollständig am Computer simuliert und so kostengünstig und schnell optimiert werden. Hier liegt für Industrie-Unternehmen ein enormes Potential zur Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit. Doch die insbesondere bei kleinen und mittleren Unternehmen immer noch bestehenden Akzeptanzprobleme gegenüber dem Einsatz von Simulationswerkzeugen machen den Bedarf an kompetenter Information und Beratung zu den Möglichkeiten der Computersimulation deutlich.


Aufgabe

Zur Überwindung von Akzeptanzproblemen gegenüber numerischen Simulationstechniken ist ein auf den Bedarf kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) spezialisiertes Marketing-Instrument erforderlich. Hierzu betreibt die Fraunhofer-Gesellschaft seit Oktober 1999 ein Informations- und Demonstrationszentrum für »Numerische Simulationstechniken zur Verfahrens- und Bauteiloptimierung (SIMTOP)«. Das Ziel der numerischen Bauteiloptimierung ist die Analyse der mechanischen Eigenschaften des Bauteils (vorwiegend mittels der Finite-Elemente-Methode) sowohl bei der Herstellung als auch unter Betriebsbelastung und die Formulierung von Entscheidungshilfen zur Optimierung des Werkstoffes, des Fertigungsverfahrens und der Bauteilgestalt.

Das Dienstleistungsangebot von SIMTOP umfasst die Beratung und Information über numerische Simulationstechniken, die Erarbeitung spezifischer Simulationslösungen und die Vermittlung von Simulationsdienstleistungen der beteiligen Fraunhofer-Institute und ihrer Partner. Die Zielgruppe sind insbesondere KMU, die mechanische Bauteile prüfen, entwickeln oder herstellen. SIMTOP berät zudem bei der Einführung von Simulationslösungen in den Betrieben und führt Mitarbeiterschulungen durch. Bundesweit werden flächendeckend vier Demonstrationszentren an den Standorten Bremen (FhI für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM), Chemnitz (FhI für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU), Darmstadt (FhI für Betriebsfestigkeit LBF) und Freiburg (FhI für Werkstoffmechanik IWM) betrieben. So wird ein Netz von Anlaufstellen aufgespannt, in denen KMU geeignete numerische Verfahren kennen lernen, einsetzen und deren Potential und Effizienz abschätzen können. Der Verbund der vier Fraunhofer-Institute und ihrer Partner ermöglicht dabei den Zugriff auf eines der umfangreichsten Angebote an Simulationslösungen in Deutschland.


Die Simulationskompetenzen des Demonstrationszentrums decken folgende Bereiche ab:

(A) Simulation von Fertigungsverfahren, (Beispiel, Abb. 1):
  • Umformtechnik
  • Pulvertechnik
  • Gießereitechnik
  • Fügetechnik


Abb. 1: Simulationslösung zur Innenhochdruck-Umformung eines Abgasteils mit dem Ziel u.a. einer Verminderung der Wanddickenunterschiede (durchgeführt am IWU, Chemnitz). Dargestellt sind die Wanddicken in Millimeter (Thickness) während des Umformvorgangs.

(B) Simulation des Betriebsverhaltens von Bauteilen, (Beispiel, Abb. 2):
  • Topologie- und Gestaltoptimierung
  • Schwingfestigkeitsanalyse
  • Analyse von Schweiß- und Klebverbindungen
  • Systemverhalten und Belastungskollektive


Abb. 2: Simulationslösung zur Topologieoptimierung eines Robotergreifers mit dem Ziel einer Gewichtsminimierung (durchgeführt am IFAM, Bremen, in Zusammenarbeit mit FE-Design, Karlsruhe). Der dargestellte Designentwurf weist bei vorgegebener Steifigkeit und ausreichender Festigkeit ein minimales Gewicht auf.


Ergebnis

Der Aufbau der Geschäftsstelle am IFAM und der lokalen Demonstrationszentren an den vier beteiligten Fraunhofer-Instituten wurde abgeschlossen. Es wurde ein laufend zu erweiternder Musterlösungskatalog erarbeitet und im Internet zur Verfügung gestellt (http://www.simtop.fhg.de). Das Informations- und Demonstrationszentrum SIMTOP konnte planungsgemäß zum 1. Oktober 1999 eröffnet und eine entsprechende Pressemitteilung über den Mediendienst (Nr. 11-1999) der FhG-Zentrale verbreitet werden. Im Januar 2000 wird das Dienstleistungsangebot von SIMTOP im Rahmen einer Direktmarketing-Kampagne, bei der rund 6000 KMU gezielt angeschrieben werden, bundesweit bekannt gemacht.


Projektbeschreibung

Das Vorhaben gliedert sich auf in die Implementierungsphase (1. bis 3. Projektjahr) und die Betriebsphase (ab 4. Projektjahr). Es begann am 01. Oktober 1998 und befindet sich derzeit im 2. Projektjahr der Implementierungsphase. Folgende Arbeitspakete wurden planungsgemäß abgeschlossen:
  • Aufbau einer Geschäfts- und Marketingstelle (am IFAM).
  • Aufbau der 4 lokalen Demonstrationszentren, jeweils ausgestattet mit einer Workstation.
  • Entwicklung und Implementierung eines Musterlösungskatalogs incl. eines Systems zur Visualisierung und Animation der Musterlösungen. Hierzu wurden exemplarisch Simulationslösungen zu den Themenbereichen Leichtbau, Umformen, Werkstoffmechanik und Betriebsfestigkeit von den beteiligten Instituten entsprechend aufbereitet und im Internet bereitgestellt.
Folgende Arbeitspakete sind bis zum Abschluss der Implementierungsphase (30.09.2001) noch durchzuführen:
  • Implementierung eines Teleschulungssystems zur Durchführung von Informations-, Beratungs- und Schulungsveranstaltungen.
  • Entwicklung und Implementierung eines Auftragsmanagementsystems zur Erfassung und Vermittlung der Simulationsdienstleistungen.
  • Implementierung einer sog. Konverterdrehscheibe, über die ein Fernzugriff auf CAE-Programme mit Konvertierungsmöglichkeiten für alle Demonstrationszentren realisiert werden soll.
  • Implementierung einer Werkstoffdatenbank mit den für die verschiedenen Simulationssysteme relevanten Werkstoffdaten für die Mitarbeiter der Demonstrationszentren.


Auftraggeber

Fraunhofer-Gesellschaft, München


Projektpartner des IFAM

  • BETEK Bergbau- und Hartmetalltechnik, Aichhalden
  • CeBeNetwork GmbH, Bremen
  • DeTeBerkom GmbH, Berlin
  • FE-Design GmbH, Karlsruhe
  • Industrie- und Handelskammer Südwestsachsen, Chemnitz
  • Ingenieurbüro Dr.-Ing. Dietrich Meyer, Freiburg
  • KUKA Werkzeugbau Schwarzenberg GmbH, Schwarzenberg
  • Referat für Mittelstands- und Technologieförderung; Senator für Wirtschaft, Mittelstand, Technologie und Europaangelegenheiten, Bremen
  • Technische Universität Chemnitz, Institut für Mechanik, Chemnitz
  • Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Numerische Berechnungsverfahren im Maschinenbau, Darmstadt
  • Universität-Gesamthochschule Siegen, Institut für Konstruktion, FB Maschinenelemente und Leichtbaukonstruktion, Siegen
  • Verlag für Technik und Wirtschaft "Der Konstrukteur", Mainz


Projektdurchführung

A. Burblies
K. Lorenz
G. Grecksch
Tel.: 0421-22 46-1 82


Institute

  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bereich "Endformnahe Fertigungstechnologien", Bremen
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
  • Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit LBF, Darmstadt
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg