Metallsubstitution in Eisenbahnanwendungen mittels funktionsgesteuerter gekoppelter Analyse

Erstellt von Tamás Schmidt | | Technischer Artikel

Nutzung der Möglichkeiten von Altair und der PART Engineering Software für die kundenspezifische Simulation von Verbundwerkstoffen.

Dieser Beitrag führt durch den Prozess, wie X-Plast ein hochbelastetes Metallteil für eine Eisenbahnanwendung mit Hilfe von Altair und PART Engineering Software erfolgreich neu konstruiert hat.

X-Plast ist ein junges und agiles Design- und Ingenieurbüro mit Sitz in Ungarn, das sich auf die Entwicklung und Herstellung von Spritzgussprodukten aus Kunststoff spezialisiert hat. Als Entwicklungspartner vieler internationaler Organisationen, von Start-ups bis hin zu Großunternehmen, bietet X-Plast umfassende Lösungen vom ersten konzeptionellen Entwurf bis hin zur Endmontage hochwertiger Produkte. Da X-Plast den Großteil der Entwicklungsaufgaben im eigenen Haus löst, bietet das Unternehmen seinen Kunden den großen Vorteil, dass sie alles aus einer Hand erhalten.

X-Plast, das für seine innovativen Kunststoffprodukte bereits mehrfach international ausgezeichnet wurde, möchte seinen Kunden möglichst nachhaltige Kunststofflösungen anbieten. Um dieses Ziel zu erreichen, setzt das Unternehmen modernste Software ein, sorgt für fortschrittliches Design und erfüllt Entwicklungsanforderungen - und baut eine produktspezifische Entwicklungsstrategie auf. Diese umfasst das gesamte Spektrum hochkomplexer funktionsgesteuerter Designmethoden, die Nichtlinearität, Prozesssimulation und Anisotropie abdecken und einen vollständig gekoppelten Analyse-Workflow ermöglichen. In vielen Fällen ist es unerlässlich, neben der digitalen Validierung auch physische Komponententests durchzuführen, bevor man in die Serienproduktion geht. Daher hat X-Plast stark in das hauseigene 3D-Drucklabor investiert, um funktionale Prototypen und Kleinserien erstellen zu können. 

Seit 2019 setzt X-Plast Altair und PART Engineering Lösungen für Struktursimulationen ein, um den steigenden Kundenanforderungen und Trends gerecht zu werden. Einer der langjährigen Kunden ist Knorr-Bremse, ein führender Anbieter von sicherheitskritischen Systemen für den Schienenverkehr und andere Anwendungen. Um Kosten und Gewicht der Eisenbahnkomponenten zu reduzieren, begann eine mehrjährige Zusammenarbeit, um Metallteile durch Kunststoffteile zu ersetzen. Bis heute war X-Plast an der Entwicklung von mehr als 25 verschiedenen Strukturkomponenten für Knorr-Bremse beteiligt, wobei Metall durch einen leichteren Kunststoff ersetzt wurde. Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Eisenbahnkomponenten für mehr als 30 Jahre zu gewährleisten, müssen diese Teile stark und langlebig sein, um den vielen Anforderungen gerecht zu werden.

Sie müssen extremen Temperatur- und Klimabedingungen ebenso standhalten wie Vibrationen und hohen mechanischen Belastungen bis hin zu Steinschlägen.

In einem kürzlich durchgeführten Projekt beauftragte Knorr-Bremse X-Plast mit der Neukonstruktion eines Metallteils, das leichter sein und gleichzeitig die Leistungs- und Steifigkeitsanforderungen des Originalteils erfüllen sollte. Auf der Grundlage der hauseigenen Erfahrungen und Kenntnisse im Bereich der Finite-Elemente-Methoden und der Simulation entwickelte X-Plast einen simulationsgesteuerten integrierten Entwicklungsprozess, der es ermöglicht, die optimale Struktur zu finden. Die Ingenieure verwendeten die Geometrie des ursprünglichen Metallteils als Ausgangspunkt für die Topologieoptimierung in Altair®  Inspire™. In der intuitiven Inspire-Oberfläche lassen sich Fertigungshilfen, Designeinschränkungen und Restriktionen einfach auf das Modell anwenden, die zu einer vorläufigen Rippenstruktur führen. Um Designvarianten in sehr kurzer Zeit zu evaluieren, nutzte X-Plast Altair®  Simsolid®, ein leistungsstarkes Simulationswerkzeug der nächsten Generation.

Aufgrund der kurzen Kommunikationswege innerhalb des Unternehmens waren der Formenbauer und der Simulationsingenieur schnell in der Lage, eine machbare und herstellbare Lösung zu finden und gleichzeitig die Steifigkeit des endgültigen Teils weiter zu verbessern. Die Simulationsabteilung führte auch eine herkömmliche Finite-Elemente-Analyse durch, um die Struktur und die Geometrie des Einsatzes zu optimieren und die mechanische Festigkeit der Baugruppe zu überprüfen. Altair®  SimLab® und Altair®  OptiStruct® ermöglichten es dem Team, reale Bedingungen und Nichtlinearitäten zu berücksichtigen, wie z.B. Schließ- und Gleitkontakte, die Auswirkungen des Anziehens der Schrauben und unterschiedliche Betriebstemperaturen. Darüber hinaus ermöglichten diese Werkzeuge die Analyse kleiner Details wie der Spannungskonzentration in den Metalleinsätzen. Der letzte Schritt der isotropen Phase des integrierten Entwurfsprozesses, die stressbasierte Lebensdauerbewertung, wurde durchgeführt.

Integrative Simulation - die wahre Natur des Materials darstellen

Um die anisotropen Eigenschaften des Bauteils zu berücksichtigen, wandte sich X-Plast an PART Engineering, den Experten für Strukturmechanik und Entwickler der Softwarelösungen Converse und S-Life Plastics. Durch die Integration der Fähigkeiten von Converse in den Entwicklungsprozess von X-Plast war es möglich, die Lücke zwischen der Spritzgusssoftware und dem Finite-Elemente-Simulationsmodell zu schließen. S-Life Plastics ermöglicht es den Ingenieuren, eine auf Materialdaten basierende Festigkeitsbewertung durchzuführen, um eine hohe Simulationsgenauigkeit zu erreichen und eine zuverlässigere Vorhersage der Lebensdauer von Teilen zu ermöglichen.

Die Spritzgusssimulation ist ein wesentlicher Input für den Teile- und Werkzeugkonstrukteur. Schwindungs- und Verzugseffekte können erkannt und korrigiert werden. Es gibt eine Reihe von prozessrelevanten Faktoren, die das physikalische und mechanische Verhalten der Teile beeinflussen. Um die Faserorientierungen für die komplexe anisotrope Analyse zu erhalten, können verschiedene Spritzgießsimulationsprogramme verwendet werden, X-Plast setzt jedoch auf den Industriestandard Autodesk Moldflow Insight. 

Converse hilft durch Mapping und Export der Faserorientierung und anderer ausgewählter Spritzgießergebnisse dabei, das homogene isotrope Finite-Elemente-Modell in ein eigenständiges und einsatzbereites anisotropes umzuwandeln. Zusätzlich zu einer elementbezogenen Orientierung wird auch ein orientierungsabhängiges Materialmodell benötigt. Dieses manuell aus Literaturdaten zu definieren, ist ohne MatScape® nahezu unmöglich. MatScape® ist der integrierte Materialmodellierer und die Datenbank, welches mit jeder PART Engineering Software mitgeliefert wird. In Kombination mit Converse erstellt MatScape® ein anisotropes Materialmodell aus einer einfachen Spannungs-Dehnungs-Kurve.

Nach dem Mapping kann die anisotrope Analyse durchgeführt werden. S-Life Plastics bietet auch eine vollautomatische Festigkeitsbewertung, die alle Einflussfaktoren berücksichtigt, eine auf der Faserorientierung basierende Lebensdauervorhersage ermöglicht und den Kreis des integrierten Designprozesses schließt. Am Ende des Projekts war das X-Plast-Designteam in der Lage, das mechanische Verhalten des Teils unter verschiedenen Temperaturbedingungen zu verifizieren, um die gewünschte Lebensdauer zu gewährleisten.

Nachhaltiger und kostengünstiger als zuvor

Mit Hilfe von technischem Fachwissen und modernsten Softwarelösungen richtete X-Plast einen integrierten Entwicklungsprozess ein, um ein hochentwickeltes, langlebiges und nachhaltiges Kunststoffprodukt zu schaffen, das sowohl die Betriebs- und Fertigungsanforderungen als auch die hohen Qualitätsstandards erfüllt. Das umfassende Angebot von PART Engineering, Altair und Autodesk ermöglicht ein ganzheitliches, integriertes Produktdesign, das Nachhaltigkeit ermöglicht und Auswirkungen auf das Endergebnis hat. X-Plast war in der Lage, das mechanische Verhalten des Teils unter verschiedenen Temperaturbedingungen zu verifizieren und die gewünschte Lebensdauer zu gewährleisten. X-Plast erreichte die Serienproduktion innerhalb von acht Monaten, sparte 35 % der Produktkosten und reduzierte das Gewicht um 25 %, während gleichzeitig eine Lebensdauer von 30 Jahren gewährleistet wurde.

Beste Ergebnisse und noch mehr in der Zukunft

Die Digitalisierung hat sich zu einem wichtigen Innovationstreiber im Bahnsektor entwickelt und bietet großartige Möglichkeiten, die Zuverlässigkeit von Komponenten zu verbessern und gleichzeitig die Umweltbelastung durch Nachhaltigkeit zu reduzieren. Durch den Einsatz der Lösungen von PART Engineering und Altair konnte X-Plast die Gewichtsziele des Knorr-Bremse Bauteils erreichen und gleichzeitig alle anderen Leistungsziele erfüllen. Während Nachhaltigkeitsziele in der Regel mit einem höheren Aufwand verbunden sind, um alle Anforderungen zu erfüllen, ist das hochentwickelte Kunststoffdesign von X-Plast sogar kostengünstiger als das traditionelle Metallteil. Nach diesem erfolgreichen Beispiel müssen Unternehmen, die Nachhaltigkeit anstreben, nicht zweimal überlegen, ob sie sich der Herausforderung stellen, Metallteile durch Kunststoffteile zu ersetzen. Mit den richtigen Werkzeugen und dem Know-how von Experten wie X-Plast können sie vielleicht ihre Kapitalrendite steigern und gleichzeitig ihre Nachhaltigkeitsziele erreichen.

Autor: Tamás Schmidt, FEA Spezialist, X-Plast, Székesfehérvár, Ungarn

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