Entwicklung eines Lagerbediengerätes aus Composites

 

Extremleichtbau ist mehr als die Substitution herkömmlicher Materialien durch Faserverbundstoffe. Und gelingt nur, wenn das Bauteil unter dem Gesichtspunkt „Composites“ völlig neu konstruiert wird.

 

Eine Herausforderung, der sich die Hochschule Osnabrück und das Unternehmen ONYX Composites derzeit stellen. Sie entwickeln gemeinsam und weltweit erstmalig eine Lagerbediengerät-Maststruktur zu ca. 80 Gewichtsprozent aus Composites. Dafür nutzen sie die entsprechende PLM Lösung von Dassault Systèmes.

Die anvisierte Gewichtsreduktion auf das Gesamtsystem ist enorm. Um die 1000 kg, ca. ein Drittel des Gesamtgewichts eines herkömmlichen Lagerbediengerätes, wollen die Experten um Prof. Dr. Ansgar Wahle, Leiter des Fachbereichs Konstruktion, CAD und Maschinenelemente der Hochschule (HS) Osnabrück , durch die Leichtbauweise einsparen. Der wirtschaftliche Nutzen einer solchen Gewichtsreduktion liegt auf der Hand. Zukünftige Betreiber dieser Composite-Geräte dürften, ausgehend von den errechneten Gewichtseinsparungen, ihre Energiekosten um ca. 30 Prozent senken. Und da Regalbediengeräte üblicherweise das ganze Jahr über 24 Stunden im Einsatz sind, würde sich so auch der CO2-Ausstoß drastisch reduzieren. Für den Maschinen- und Anlagenbau, der bisher eher verhalten die Möglichkeiten des neuen Werkstoffs nutzt, dürfte dieses Projekt der HS Osnabrück daher wegweisend sein.

 

Die HS Osnabrück und das auf die Entwicklung von Composites spezialisierte Unternehmen ONYX Composites arbeiten seit Frühjahr 2011 zusammen, um dieses weltweit einmalige, hauptsächlich aus Faserverbundmaterialien bestehende Regalbediengerät zu entwickeln. Konstruktion und Fertigung des über 10 Meter hohen Gerätes aus Composites sind dabei alles andere als trivial. Denn es geht bei diesem Projekt nicht um eine singuläre Substitution einzelner Bauteile durch Composites. Vielmehr soll das gesamte Gewichtsreduktionspotential der Faserverbundtechnologie genutzt werden. In jedem Stadium der Produktentwicklung bis hin zur Fertigung wurde daher alles auf Composites ausgerichtet. Mit anderen Worten: Alles wurde neu gedacht, konstruiert und simuliert. Das bis Ende 2012 angelegte Projekt wird von der EU aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert und von verschiedenen Unternehmen, so auch von Dassault Systèmes, unterstützt. Neben der Fertigung einer Testanlage wird es 2012 auch um die Darstellung der Serienfertigung und um die Erarbeitung eines Recyclingkonzepts gehen. Zur Halbzeit der Förderung, Ende 2011, liefen umfangreiche Simulationen zu ...

Lagerbediengerät von Onyx Composites
Lagerbediengerät von Onyx Composites

Engineering ohne Medienbrüche

 

Von der Konstruktion über die Simulation bis hin zur Fertigungsplanung wird bei dem Projekt ausschließlich mit der 3D-Software von Dassault Systèmes gearbeitet. Ganz konkret sind … im Einsatz. Dieses umfassende Portfolio prozessorientierter Lösungen ermöglicht es, Composites-Strukturen auf einer einzigen virtuellen Plattform zu konstruieren, zu simulieren und zu fertigen. Damit decken diese Tools die virtuelle Produktentwicklung vollständig ab. Aus mehreren Kundenprojekten geht hervor, dass der Einsatz derart aufeinander abgestimmter Software die Entwicklungszeit um ca. 50 Prozent reduziert. Ein wesentlicher Punkt für die wirtschaftliche Durchführbarkeit derart komplexer Projekte. Zudem werden so die gewaltige Datenmenge, die große Zahl der Spezifikationen und die Vielzahl der erzeugten Lagen von der Konstruktion bis zur Fertigung durchgängig verwaltet, was wesentlich dazu beiträgt, Fehler zu vermeiden.

Composites Design und Simulation

 

Mit Faserverbundwerkstoffen muss anders konstruiert werden als mit Metallen. Denn aufgrund ihres anisotropen Werkstoffverhaltens ist die Bauteilauslegung erschwert. D.h., es können sehr vielschichtige Versagensmechanismen auftreten – je nachdem, ob die Kräfte längs oder quer zur Faser wirken, ob die Fasern über eine Bauteilkante laufen oder ob es sich um mehrere Faserlagen handelt. Hochwertige Bauteile erfordern daher digitale Auslegungswerkzeuge, welche die gewünschten Eigenschaften vom Entwurf bis zur Fertigung permanent kontrollieren. Simulation wird daher im Extremleichtbau auch extrem großgeschrieben. Die HS Osnabrück holte sich deshalb mit ONYX ein sehr erfahrenes Unternehmen in das Projekt. ONYX unterstützt die Konstruktions-und Simulationstätigkeiten der HS- Mitarbeiter und gibt wesentlichen Input in Richtung der Material- und Fertigungsfragen.

 

Viel Zeit wird bei der Simulation mittlerweile gespart, weil die eingesetzte Software alle relevanten Materialparameter wie Fasertyp, Lagenstärke-und Ausrichtung sowie Drapiermöglichkeit in Hinblick auf die zu erreichenden Eigenschaften auswerten kann. Denn noch vor wenigen Jahren war es üblich, viele Prototypen zu bauen, um das Belastungsverhalten zu testen. Aber die Composite-Software von Dassault Systèmes prüft nicht nur, ob die Konstruktion die notwendige Steifigkeit und Festigkeit erreicht. Simuliert wird auch, ob sich das Teil mit dem konstruierten Lagenaufbau fertigen und montieren lässt. Um Zeitfenster optimal zu nutzen, wird dabei iterativ vorgegangen. D.h., in verschiedenen Austauschschleifen zwischen Konstruktion und Simulation wird der Ursprungsentwurf des Konstrukteurs schrittweise optimiert. Und zwar an einem eindeutigen Datenmodell. Paralleles Arbeiten inklusive.

Ausblick

 

Die ersten Zwischenergebnisse lagen Ende 2011 vor und übertrafen die Erwartungen der Beteiligten. Das Gewicht konnte noch stärker reduziert werden als angenommen. Nicolas Meyer, Geschäftsführer von ONYX, ist daher optimistisch, dass sich Hersteller von Regalbediengeräten für dieses stark gewichtsreduzierte Gerät interessieren werden. Und da das Projekt seiner Meinung nach zudem belegt, dass sich mit einer durchgängigen PLM-Lösung für Composites selbst so komplexe Aufgaben wie die Neukonstruktion einer Anlage aus Faserverbundstoffen zeitlich und auch finanziell tragbar lösen lassen, hofft er auf eine positive Resonanz der gesamten Branche.