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Donnerstag, 14. Dezember 2017

Werkstoffe

Leichtbausysteme sind schwer zu simulieren

Von Manfred Schulze | 16. März 2017 | Ausgabe 11

Neu entwickelte Sandwichstrukturen müssen aufwendigen Praxistests unterzogen werden. Für die Simulation fehlen oft verlässliche Daten.

BU Leichtbau Verbindung
Foto: TUD/ILK

Berechnet: Der Leichtbauschwenkmechanismus eines Schubumkehrers in der Mehrkörpersimulation.

Leichtbaustrukturen im Multi-Material-Design werden immer komplexer. Und sie müssen in der Praxis immer höheren Belastungen standhalten. Im Zuge dieser Entwicklung sollte auch die Simulation stetig ausgefeilter werden. Es ist nämlich teuer und zeitaufwendig, jede kleine Neuentwicklung im Fahrzeug- oder Turbinenbau vielen Praxistests zu unterziehen.

Moritz Kuhtz vom Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden kennt dieses Dilemma. Auf einem Messestand der Maschinenbaumesse Intec in Leipzig zeigt er ein paar zukunftsweisende Bauteile: Ein mehrfach gebogenes etwa 20 cm x 20 cm großes „Blech“, auf dem praktisch nahtlos ein Magnesiumkörper in ein Segment aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) übergeht. Und eine längliche Konstruktion aus einem Metall-Faser-Mischgewebe. Es ist so leicht wie Kunststoff, zeigt unter Dauerbelastung aber Eigenschaften, die weder CFK noch Aluminium allein bieten könnten.

Gleich hinter ihm steht eine Aluminiumkarosserie von BMW. An ihren Holmen ist sie mit zahlreichen CFK-Elementen verstärkt. Damit demonstriert sie einen Zwischenschritt im Fahrzeugbau. Denn bereits in wenigen Jahren werden übergangsfreie Materialverbindungen und auch dünnwandige Sandwichkonstruktionen erneut eine Revolution bei den Bauteilgewichten ermöglichen, ist Kuhtz überzeugt.

Das Problem dabei ist, dass die Eigenschaften der neuen Materialverbindungen sehr flexibel einstellbar sind. Denn das CFK-Gewebe kann in unzählige Richtungen ausgelegt werden. Außerdem kann die Schichtstruktur der einzelnen Werkstoffe in beinahe unendlich vielen Varianten ausgeführt werden. Wenn im Hinblick auf eine Gewichtsoptimierung Strukturdicken oder Formen verändert werden, gelten die Berechnungen für Zug- und Druckfestigkeit der einfachen CFK-Gewebe nicht mehr.

Noch dramatischer verändern die Fertigungsprozesse und das Anbringen von Strukturverbindungsstellen die Eigenschaften. Damit müsste eigentlich jedes Bauteil empirisch getestet werden, bevor es als sicherheitsrelevantes Element verbaut werden kann. Das ist heute gängige Praxis.

Mirko Sachse vom Institut für Materialforschung und Anwendungstechnik (IMA) verweist auf die siebenstufige Testpyramide. Vom einzelnen Ausgangsmaterial bis hin zum fertigen Endprodukt wird demnach alles geprüft.

Das IMA ist maßgeblich beteiligt an Untersuchungen für Airbus. Es prüft einzelne Materialkomponenten bis hin zu kompletten Rumpfteilen und Tragflächen. „Der Aufwand steigt dabei von Stufe zu Stufe enorm an“, so Sachse. Flexibel einsetzbare Testvorrichtungen könnten nur in den unteren Testebenen verwendet werden. Spätestens wenn z. B. einfache Sandwichstrukturen geprüft werden sollen, gibt es keine Kennwerte mehr. Jedes neu konstruierte Material muss daher zeit- und kostenaufwendig real geprüft werden. Das gilt umso mehr für ganze Baugruppen.

Hier setzen die Experten des Leichtbauinstituts an, die inzwischen ein ganzes System von Berechnungsmethoden für eine weitreichende Simulation der Eigenschaften entwickelt haben. „Im Prinzip haben wir den hierarchischen Gedanken von Leichtbaukonstruktionen aufgegriffen und ausgehend von den Mikrostrukturen bis über das Gewebe und die Materialkonstruktionen kompatible Simulationsmodelle gesetzt“, sagt Kuhtz.

Die leistungsfähige Rechentechnik erlaube es heute, Modellierungs-, Diskretisierungs- und Berechnungsverfahren über die einzelnen Skalen hinweg synergetisch zu verknüpfen. „Damit wird eine Berechnung der sehr komplexen Struktur-Eigenschafts-Beziehung entlang der gesamten Prozesskette möglich, wobei natürlich zunächst ständige Validierungen begleitend erfolgen müssen“, sagt der Wissenschaftler.

Zurückgegriffen werden kann dabei auf bereits vorhandene Daten und Normen der unteren Strukturebene. Auf diese werden dann mögliche Detailänderungen in Konstruktion und/oder im Prozess aufgesetzt. „Bei den Simulationen der einfachen Ebenen erreichen wir im Vergleich zu den Validierungsmessungen bereits heute Werte, die dicht bei 100 % liegen“, so Kuhtz.

Aus solchen Modellrechnungen lassen sich also noch keine sicheren Lösungen für komplexe Bauteile, aber Wahrscheinlichkeiten für nachfolgende Optimierungen ableiten. Gegenwärtig werden vor allem auf der Basis einer virtuellen Struktursimulation frühzeitig die Auswirkungen unterschiedlicher Fertigungsprozesse berechnet. Dabei werden auch Energieverbräuche und Wechselwirkungen berücksichtigt. So kann z. B. simuliert werden, wie sich das Bindungsmuster im Fasergewebe verändert, wenn die Bauteile umgeformt werden. Aber auch das Verhalten von Komponenten in einem Gesamtsystem lässt sich berechnen: Umhüllungen von Flugzeugturbinen werden am Computer so auslegen, dass sich der Schaden in Grenzen hält, wenn eine Schaufel zu Bruch geht.

Schrittweise halten solche Prozesse in der Industrie Einzug. Die IMA simuliert beispielsweise, wie sich Kabinensegmente von Flugzeugen verhalten, wenn der Innendruck variiert oder bestimmte Flugmanöver geflogen werden.

An den bis zu 5,7 m langen Segmenten werden die Materialveränderungen allerdings zunächst auf dem Prüfstand mittels angebrachter Sensoren ermittelt. Anhand der gemessenen Daten kann dann die Simulationsberechnung nach und nach an das reale Verhalten angepasst werden. Bis zur vollständigen virtuellen Entwicklung eines neuen Flugzeugmodells wird es daher noch einige Jahre dauern.

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