innocat4_news_2013

InnoCaT4NEWS 11 Die exakte Geometrie der Automobilka- rosserie entsteht durch die Positionierung der Einzelteile in Vorrichtungsrahmen. Das bedeutet, dass die Genauigkeit der Karos- serie durch die Genauigkeit dieser Vorrich- tungsrahmen bestimmt wird – eine wieder- holgenaue Positionierung der zu fügenden Bauteile zueinander muss gewährleistet sein. Die bisher üblichen baukastenbasier- ten Konstruktionen sind flexibel und wirt- schaftlich herstellbar, werden jedoch nicht unter dem Aspekt der Gewichtsoptimierung bzw. der Energieeffizienz ausgelegt. Ein Teil der Vorrichtungen muss während des Pro- duktionsprozesses immer wieder bewegt werden, üblicherweise mittels Roboter. Je schwerer eine Vorrichtung ist, desto grö- ßer muss die Roboterklasse ausgewählt werden, was schließlich mit einer höheren Antriebsenergie verbunden ist. Im Um- kehrschluss bedeutet dies: Mit leichteren Vorrichtungen könnten kleinere Roboter- klassen eingesetzt und somit Energie und Kosten gespart werden. n Bionisch optimierte Gussstrukturen Eine Lösung bieten bionische Gussstruk- turen für Betriebsmittel. Ziel des For- schungsprojektes war es daher, durch die Anwendung des Dünnwand-Stahlguss- Verfahrens die Masse bewegter Schweiß- vorrichtungen im Karosseriebau um min- destens 20 % zu reduzieren. Damit sollte es möglich sein, die Belastung der Robo- terachsen spürbar zu senken und somit den Einsatz einer kleineren Roboterklasse zu ermöglichen. Die Auswahl der im Projekt zu optimieren- den Vorrichtung erfolgte durch die Projekt- partner Volkswagen AG und AUDI AG als Anwender.Ausgewählt wurde ein Spannrah- men, bei dem nach Ansicht der Projektpart- ner ein besonders hohes Optimierungspo- tenzial vorhanden ist. Zuerst wurden an der ausgewählten Baugruppe die konstruktiven Freiräume und die nicht zur Verfügung ste- henden Taburäume definiert. Anschließend wurde durch das Fraunhofer IWU die Bau- gruppe hinsichtlich ihrer Belastung analy- siert und durch Topologieoptimierung ein neuer Designvorschlag erstellt. Das Ergeb- nis der Topologieoptimierung ist die opti- male Materialanordnung für den Lastfall im Designraum. Unterschiedliche Lastfälle erge- ben dabei verschiedene Strukturen,die in der Konstruktion berücksichtigt werden müssen. Im Bild oben werden die unterschiedlichen Optimierungsstufen gezeigt, angefangen bei der Originalbaugruppe aus Standardbau- teilen (links), über den optimierten Design vorschlag (Mitte) bis hin zur optimierten Dünnwand-Stahlguss-Baugruppe (rechts). Der neue Designvorschlag bildete die Grund- lage für die Gussteilkonstruktion durch die Firma Stahl- und Hartgusswerk Bösdorf GmbH. Die optimierten Strukturen wurden in eine gießgerechte Form gebracht, ohne dass der Gewichtsvorteil verloren ging. Die Guss- teilgestaltung wurde durch Füll- und Erstar- rungssimulationen auf ihre Umsetzbarkeit hin überprüft. Da es sich um Einzelteile und Kleinstserien handelte, war ein konventionel- ler Formenbau unrentabel. Stattdessen wur- den die Formen prototypisch aus dem Form- stoff gefräst. Der Abguss der Teile erfolgte ebenfalls bei der Firma Stahl- und Hartguss- werk Bösdorf GmbH, die finale mechanische Bearbeitung bei der Firma Hager Sonderma- schinenbau GmbH. Die Komplettierung und Erprobung des Spannrahmens wird bei der Volkswagen AG in Wolfsburg stattfinden. n Einspareffekte Es konnte gezeigt werden, dass durch optimierte Strukturen mehr als 20 % der Masse des betrachteten Spannrahmens eingespart werden können. Eine wichtige Rolle spielte dabei die Gewährleistung der Steifigkeit der optimierten Vorrichtung im Vergleich zur Ausgangssituation. Es wurde ein Einsparpotenzial von 455 kWh pro Jahr und Roboter nachgewiesen. Bei dem be- trachteten Stirnwandspannrahmen beträgt die Materialeinsparung der optimierten Bauteile 27 % (absolut 24 kg). Durch eine konsequente Weiterentwicklung und An- wendung der Optimierungsverfahren auch auf andere Vorrichtungen können im End- ergebnis Energie- und Materialeinsatz in einer Karosseriebaulinie spürbar reduziert werden. Eine analoge Vorgehensweise ist bei Baugruppen anderer Fertigungs- und Industriebereiche ebenso anwendbar. n Bionische Gussstrukturen für Betriebsmittel Weniger ist mehr! Bildquelle: Fraunhofer IWU

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