Leichtbau mit Bionik - sachs engineering GmbH

Transkript

1 Innovative Leichtbaukonzepte in der Automatisierungs- und Handhabungstechnik mit bionischen Optimierungsmethoden Dipl.-Ing. Wolfgang Sachs, sachs engineering GmbH, Engen 1

2 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 2

3 Das Unternehmen Sitz in Engen/Bodensee gegründet Rechtsform GmbH 40 Mitarbeiter Sachbearbeiter Ingenieure und Techniker aus dem Fahrzeugbau, Maschinenbau und Bauwesen Schwerpunkte: FEM-Berechnung CAD-Konstruktion Optimierungsverfahren 3

4 Leistungsspektrum Projektstudien Pflichtenheftdefinition Entwürfe Konstruktion Varianten Detaillierung Prototypenbau Musterserie Serienbegleitung 4

5 Leistungsspektrum Statik Dynamik Thermomechanik Prozesssimulation Vernetzung Strömungssimulation Mehrkörpersimulation Programmierung Festigkeitsnachweis Betriebsfestigkeit Topologieoptimierung Gestaltoptimierung 5

6 Materialkosten sind der größte Kostenblock Sonstiges 12,9% Materialeffizienz Mieten, Pacht 1,3% Dienstleistungen 1,6% Lohnarbeiten 2,2% Abschreibungen 2,6% Kostensteuern 3,1% Material 45,4% Handelsware 11,0% Einsparpotenzial: ca. 100 Mrd. Personal 17,8% Energie 2,1% Die Zahlen beziehen sich auf die Kostenstruktur in 2008 Quelle: Statistisches Bundesamt

7 Anteil der Kosten am Bruttoproduktionswert Leichtbau mit Bionik - sachs engineering GmbH Materialeffizienz: Der Materialkostenanteil Kostenstruktur ist in den in letzten der Produktion Jahren kontinuierlich gewachsen 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Sonstiges Handelsware Personal Energie Material 20% 10% 0%

8 1893 erste Arbeiten lastangepasste Stammverjüngung proportional zum windinduzierten Biegemoment 8

9 Kerbspannungsfreie Astgabel 9

10 10

11 Selektion durch Versuch und Irrtum Adaptives Wachstum und das Axiom konstanter Spannung 11

12 Prof. Mattheck s Methoden Forschungszentrum Karlsruhe CAO Computer Aided Optimization SKO Soft-Kill-Option Gestaltoptimierung Topologieoptimierung FormUp.Shape FormUp.Topographie Optimierung der Dauerfestigkeit FormUp.Topologie Leichtbau FormUp Applikation für MSC.MARC und MSC.NASTRAN 12

13 CAO-Zuglasche 13

14 Platte mit Loch 14

15 Shape Optimization CAO Mit freundlicher Genehmigung von: Ziel Kerbspannungsabbau, Spannungshomogenisierung Methode Biomechanik CAO nach Mattheck Software FormUp.Shape 15

16 SKO Beispiel - Kragträger Designraum 16

17 SKO Beispiel - Kragträger 17

18 SKO Beispiel - Kragträger Kragträger mit verschiedenen Referenzspannungen Werkstoff- und Beanspruchungsgerechtes Design 18

19 Gewichtsoptimierung Motorlagerung 19

20 Beispiele Schwenklagerentwicklung 20

21 Kurbelwelle Pleul LKW-Radnabe Querlenker Schwenklager Kipphebel Motorhalter Radträger Pleul Kurbelwelle Querlenker Kipphebel Schwenklager Motorhalter Radträger Radnabe Gewichtsreduktion 6 % 13 % 10,5% 35% 17% 22% 12,4% 39% Stückzahl Kostenersparnis [Mio. Euro] , ,5 Co 2 Reduktion [t Co 2 /Jahr]

22 Design for casted and forged parts Way of development using SKO and CAO Step 1: Topology- SKO Target: Lightweight-Proposal Step 2: Umsetzung in CAD Target: First Design which represents all loads Step 3 :FE-Analysis Target: Showing all stresses and in all loadcases Step 4 CAO Target: Finetuning, Reducing Stress-Spots Final Part Design Lightweight design and high durability 22

23 Beispiel Schweißzange Rohbaufertigung Anbau an Roboter Herstell/Prozesskosten: leicht höher Materialkosten -30% Energiekosten : Stromverbrauch ca. -20% 23

24 Beispiel Die-Bonding Einheit Fertigungselement für die Halbleiterherstellung Bewegungseinheit mit sehr hoher Dynamik Bauraum Läufer V = 3.824E6 mm3 m = 10.3 kg Bauraum Wippe V = 4.897e5 mm3 m= kg 24

25 Beispiel Die-Bonding Einheit Bauraum Läufer V = 3.824E6 mm3 m = 10.3 kg Optimierter Läufer V = 1.47e5 mm3 M = kg 25

26 Bauraum Wippe V = 4.897e5 mm3 m= kg Optimierte Wippe V = 5.15e4 mm3 M = kg 26

27 Beispiel Die-Bonding Einheit Optimierte Baugruppe Durchgängiger Leichtbau Läufer Wippe 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, 27

28 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 28

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit weitere Informationen: Tel