Bionischer Leichtbau realisiert mit Applikationen an gängige FEM- Programme nach dem Vorbild der Natur

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1 Bionischer Leichtbau realisiert mit Applikationen an gängige FEM- Programme nach dem Vorbild der Natur Dipl.-Ing. Wolfgang Sachs, sachs engineering GmbH, Engen 1

2 Inhalt: Focusthema Materialeffizienz Vorstellung sachs engineering GmbH Naturbeobachtungen für Leichtbau und Kerbspannungsfreiheit Akademische Anschauungsbeispiele Industrielle Anwendungen 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 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

5 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%

6 1893 erste Arbeiten lastangepasste Stammverjüngung proportional zum windinduzierten Biegemoment 6

7 Kerbspannungsfreie Astgabel 7

8 8

9 Selektion durch Versuch und Irrtum Adaptives Wachstum und das Axiom konstanter Spannung 9

10 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 10

11 CAO-Zuglasche 11

12 Platte mit Loch 12

13 Shape Optimization CAO Mit freundlicher Genehmigung von: Ziel Kerbspannungsabbau, Spannungshomogenisierung Methode Biomechanik CAO nach Mattheck Software FormUp.Shape 13

14 Gestaltoptimierung CAO Ziel Kerbspannungsabbau, Spannungshomogenisierung Methode Biomechanik CAO nach Mattheck Software FormUp.Shape 14

15 SKO Beispiel - Kragträger Designraum 15

16 SKO Beispiel - Kragträger 16

17 SKO Beispiel - Kragträger Kragträger mit verschiedenen Referenzspannungen Werkstoff- und Beanspruchungsgerechtes Design 17

18 Topologie - Optimierung Mit freundlicher Genehmigung von: Ziel Leichtbau Methodik Biomechanik SKO nach Mattheck CAE-Tool FormUp.Topologie 18

19 Anwendungsbeispiel SKO Lenker B F 19

20 Lagerbock für Sattelkupplung Die leichte, 20 t Sattelkupplung Robust, erprobt und zuverlässig Gewichtsoptimiert bis 30 kg mehr Nutzlast Dauerhafte, wartungsfreie Lagerung Mit freundlicher Genehmigung von: Lagerbock Einfache und sichere Spielnachstellung Einfache Bedienung Option: Wartungsarmes Modell mit Kunststoffbelägen 20

21 Lagerbock Sattelkupplung FEM Ausgangsbasis Gewicht 15 kg FEM optimiert Gewicht: 11,6 kg 21

22 Beispiele Schwenklagerentwicklung 22

23 Beispiel Querlenkerentwicklung Gewicht: 7,8 Kg 23

24 Beispiele Radträgerentwicklung 24

25 Gewichtsoptimierung Motorlagerung 25

26 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]

27 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 27

28 Gestaltoptimierung Kerbspannungsabbau Spannungsausgleich Lebensdauersteigerung Biomechanik CAO-Methode FormUp-Shape s max 330MPa s max 128MPa s max 103MPa Bionik-Design s max 205MPa s max 168MPa s max 155MPa 28

29 -18% Gewicht Herstell/Prozesskosten: gleich Materialkosten -18% Energiekosten : Verbrauch/CO2 Reduktion -22% Gewicht Herstell/Prozesskosten: gleich Materialkosten -22% Energiekosten : Verbrauch/CO2 Reduktion Herstell/Prozesskosten: leicht höher Materialkosten -30% Energiekosten : Stromverbrauch ca. -20% -30% Gewicht 29

30 Danke für Ihre Aufmerksamkeit weitere Informationen: Tel