KONZEPTE FÜR GUSSBAUTEILE

Die gussgerechte Konstruktionsentwicklung umfasst den gesamten Prozess von der Ideenfindung bis hin zur detaillierten Ausarbeitung eines zu gießenden Bauteils. Unser Ziel ist es, ein funktionsfähiges und effizientes Design zu erstellen, das Ihren Anforderungen an das Bauteil entspricht. Dabei werden die Bedürfnisse, Funktionen, Materialien, Herstellungsverfahren und Kosten bereits in der Konzeptphase berücksichtigt.

In der Konstruktion wird das zuvor erarbeitete Konzept durch 3D-Modelle und technische Zeichnungen präzise ausgearbeitet. Dort kommt beispielsweise eine CAD-Software (Computer Aided Design) zum Einsatz, die es uns ermöglicht, das Bauteil mit allen Details zu entwerfen und sicherzustellen, dass es funktionsfähig und gegossen hergestellt werden kann.

Die Strukturanalyse mit FEM (Finite-Elemente-Methode) ist eine numerische Methode zur Berechnung von physikalischen Problemen, die auf komplexen Geometrien beruhen. Sie unterteilt ein Bauteil in viele kleine, endliche Elemente (Finite Elemente), um die Verformung, Belastung, Spannungsverteilung und andere mechanische Eigenschaften unter definierten Lastbedingungen zu analysieren.

Die Nutzung von FEM ermöglicht es uns, die mechanische Integrität eines Bauteils zu überprüfen, ohne dass physische Prototypen hergestellt werden müssen.

In der Strukturanalyse unterscheiden wir zwischen der statischen Strukturanalyse und der transienten Strukturanalyse zur Untersuchung der mechanischen Belastung und Verformung von Bauteilen. Beide verwenden die FEM, um das Verhalten von Strukturen unter bestimmten Bedingungen zu simulieren. Sie unterscheiden sich jedoch in ihrem Ansatz.

Die statische Strukturanalyse wird verwendet, um das Verhalten einer Struktur unter konstanten Lasten zu untersuchen. Sie analysiert, wie sich das Bauteil verformt und welche Spannungen und Dehnungen auftreten, wenn die Lasten über einen längeren Zeitraum auf das Bauteil wirken.

Merkmale der statischen Analyse:

• Zeitunabhängig: Die Lasten werden als unveränderlich angenommen, sodass die Analyse nicht von der Zeit abhängt.
• Konstante Belastungen: Die aufgebrachten Kräfte (z.B. Gewicht, Druck) sind fix und verändern sich nicht.
• Einsatzgebiete: Diese Methode wird häufig verwendet, um zu bestimmen, ob eine Struktur unter normalen Betriebsbedingungen stabil ist, z.B. bei der Berechnung der maximalen Belastbarkeit von Brücken, Gebäuden oder Maschinenbauteilen.

Beispiel:

Die statische Analyse könnte verwendet werden, um die Tragfähigkeit einer Brücke unter einer konstanten Last (wie das Eigengewicht oder das Gewicht eines Fahrzeugs) zu berechnen.

Die transiente oder dynamische Strukturanalyse untersucht das Verhalten einer Struktur unter zeitabhängigen, also variablen Belastungen.

Merkmale der transienten Analyse:

• Zeitabhängig: Die Lasten und die Reaktionen der Struktur ändern sich im Laufe der Zeit. Die Analyse berücksichtigt, wie sich die Struktur in jeder Zeiteinheit verhält.
• Dynamische Belastungen: Die Struktur wird dynamischen, sich ändernden Belastungen ausgesetzt, wie z.B. Stößen, Vibrationen, Erschütterungen oder plötzlichen Lastwechseln.
• Einsatzgebiete: Diese Analyse wird verwendet, um das Verhalten von Strukturen bei zeitlich veränderlichen Belastungen zu untersuchen, wie z.B. bei Erdbeben, Schwingungen in Maschinen oder aerodynamischen Kräften auf Flugzeuge.

Beispiel:

Ein Auto, das über eine Bodenwelle fährt, erzeugt zeitabhängige Belastungen auf das Fahrwerk. Eine transiente Strukturanalyse könnte verwendet werden, um zu berechnen, wie sich diese Belastungen im Laufe der Zeit auf das Fahrwerk auswirken.

Die Topologieoptimierung ist eine rechnergestützte Methode, um das Material innerhalb eines vorgegebenen Designraums zu verteilen und das optimale Bauteildesign zu ermitteln. Ziel ist es, Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften beizubehalten oder sogar zu verbessern.

In der Praxis bedeutet dies, dass wir Ihr Bauteil so gestalten, dass nur dort Material vorhanden ist, wo es für die Stabilität oder Funktion benötigt wird. Dies führt zu leichteren, kostengünstigeren und leistungsfähigeren Bauteilen, die dennoch die gleichen strukturellen Anforderungen erfüllen.

Die Modalanalyse ist eine Methode zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens eines Bauteils oder einer Struktur. Sie bestimmt die Eigenfrequenzen und die dazugehörigen Schwingungsmoden (Schwingungsformen). Diese Analyse ist wichtig, um sicherzustellen, dass Ihr Bauteil unter den Betriebsbedingungen keine Resonanzen entwickelt, die zu übermäßigen Schwingungen und möglichem Versagen führen können.

Modalanalysen werden typischerweise für Strukturen durchgeführt, die Vibrationen ausgesetzt sind. Dies ist zum Beispiel bei Maschinenbauteilen, Fahrzeugkomponenten, Gebäudestrukturen oder Luftfahrtteilen der Fall.

Die Simulation kann für ungespannte, eingespannte oder vorgespannte Systeme gleichermassen durchgeführt werden. Für die Betrachtung einer vorgespannten Struktur ist zunächst mit einer vorgelagerten statischen FEM-Analyse der Spannungszustand für die Einspannsituation zu ermitteln.

Warum sollte die Modalanalyse angewendet werden?

Es ist wichtig zu wissen, dass ein numerisches Modell der Modalanalyse das „echte“ Modell nur so gut approximieren kann, die Baugruppe präzise dargestellt ist.

Für die Firma Schneider haben wir eine Konstruktion mit einer Masse von 1500kg entwickelt. Zielsetzung des Projekts war die Anpassung der Form an die gießgerechte Konstruktion, die Reduktion des Gewichts und das Einhalten der Eigenformen über einen bestimmten Wert damit die durch einen Elektromotor induzierten Schwingungen weit von der Eigenfrequenz der Baugruppe bleiben. Durch die Optimierung und konstruktive Anpassung wurde das Gewicht des Maschinenbetts um 50% reduziert und die Eigenfrequenz der gesamten Baugruppe im sicheren Bereich gehalten.

Die Spannungsuntersuchung analysiert, wie Spannungen (z.B. durch Belastungen, Kräfte oder Druck) in einem Bauteil verteilt werden. Dabei wird untersucht, ob die auf das Bauteil einwirkenden Kräfte zu plastischen Verformungen oder zum Bruch führen können.

Die Kerboptimierung bezieht sich auf die Verbesserung von kritischen Stellen (Kerben) in Ihrem Bauteil, die oft Spannungskonzentrationen verursachen. Kerben sind geometrische Diskontinuitäten wie scharfe Kanten, Löcher oder Einschnitte, die zu lokalen Spannungsspitzen führen können. Durch die Optimierung (z.B. durch Abrundung von Ecken oder Änderungen der Geometrie) kann das Risiko von Materialversagen drastisch reduziert werden.

Thermisch induzierte Spannungen treten auf, wenn ein Bauteil Temperaturunterschieden ausgesetzt ist. Verschiedene Teile eines Bauteils können sich aufgrund der Wärmeausdehnung unterschiedlich stark ausdehnen oder zusammenziehen, was zu inneren Spannungen führen kann.

Die Untersuchung thermisch induzierter Spannungen analysiert diese Temperaturdifferenzen und deren Auswirkungen auf die Materialspannungen und -verformungen. Ziel ist es diese Spannungen zu eliminieren, um mögliche Schäden oder Risse Ihres Bauteils bei  Temperaturschwankungen auszuschließen.