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24. CADFEM-Konferenz in der Schweiz Klasse CADFEM-Konferenz an der HSR in Rapperswil

Redakteur: Matthias Böhm

Die jährlich stattfindende CADFEM-Konferenz bringt Kon­strukteure und Berechnungsingenieure aus der gesamten Schweiz und darüber hinaus zusammen. Bereits zum 24. Mal trafen sich die Konstruktionsspezialisten, um sich über die jüngsten Entwicklungen im FEM-Bereich – speziell Ansys – zu informieren und auszutauschen.

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Gut besucht: Über 250 Teilnehmer waren am CADFEM-Usermeeting 2019 dabei.
Gut besucht: Über 250 Teilnehmer waren am CADFEM-Usermeeting 2019 dabei.
(Bild: Matthias Böhm, SMM)

Über 250 Teilnehmer besuchten die 24. CADFEM-Konferenz an der HSR in Rapperswil. Eine hochkarätige Veranstaltung für Konstruktionsspezialisten und FEM-Experten. Wie Markus Dutly (Geschäftsführer CADFEM Schweiz AG) in der Eröffnungsansprache betonte, gewinnt die Simulation in der Industrie immer mehr an Stellenwert. Das zeigte sich nicht zuletzt an der Anzahl der Vorträge sowie den 24 Ausstellern. 36 Vorträge in fünf Parallel-Sessions sowie zwei vertiefende Workshops wurden angeboten, die eine breite inhaltliche Abdeckung gewährleisteten. Von der Strukturmechanik über Strömungssimulation bis hin zu Additive Manufacturing, Bau­statik und Elektromagnetismus wurde ein breites Portfolio abgedeckt.

Schweizer CO2-Trenn- und Filtersystem

So wurde zum Beispiel über das Thema CO2-Reduktion von Benjamin Megerle (Clime­works) referiert. Das Schweizer Start-up und ETH-Spin-off Climeworks entwickelt und produziert Anlagen zur CO2-Abscheidung aus der Umgebungsluft. Eine solche Pilot-Anlage ist in Hinwil auf der Kehrichtverbrennungsanlage installiert. Der von Climeworks entwickelte CO2-Kollektor ist in Modulbauweise konzipiert. In jedem der achtzehn übereinandergetürmten Module der Pilotanlage befinden sich Ventilatoren, die Luft an­saugen. Diese strömt durch ein speziell behandeltes Filtermaterial auf Zellulose-​Basis. Wie ein Schwamm nimmt der Filter die in der Luft befindlichen CO2-Moleküle auf, bis er gesättigt ist. Nach der Sättigung wird der Filter unter Vakuum gesetzt und auf 95 Grad erhitzt. Die nur lose anhaftenden CO2-Moleküle lösen sich von der Oberfläche, infolgedessen das CO2 abgeschieden werden kann. Um 1 t CO2 abzuscheiden, müssen 2000 t Luft durch die Anlage geleitet werden. In der Pilot-Anlage in Hinwil wird das CO2 anschliessend bei einer benachbarten Gärtnerei in Gewächshäuser eingeleitet, um das Pflanzenwachstum zu fördern.

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Um das System zu optimieren, wurden sowohl die Strömungsmechanismen als auch die chemisch-physikalischen Reaktionen der Anlage mit Ansys simuliert. Dank der FEM-Simulationen konnten die Produktentwicklung wie auch die Effizienz des Gesamtsystems optimiert werden. Bei der Strömungssimulation geht es vornehmlich darum, möglichst alle Druckverluste zu vermeiden. Darüber hinaus wurde der Spülvorgang simuliert.

Seit Februar 2019 wird das Schweizer Valser-Wasser mit dem aus der Luft gefilterten CO2 von Climeworks angereichert. Climeworks will bis 2025 ein Prozent aller weltweit erzeugten CO2-Emissionen herausfiltern. Für ein Schweizer ETH-Start-up eine bemerkenswerte Zielvorgabe. Nochmals zurück zu den FEM-Simulationen, nach Aussage von Benjamin Megerle sei der Vorteil der Simulation, dass man anschliessende System-Tests erheblich reduzieren könne. Benjamin Megerle hob die Bedeutung von FEM-Analysen bei der Entwicklung des CO2-Abscheidungssystems hervor: «Hätten wir ohne Ansys-FEM-Analysen nur mit Tests gearbeitet, hätte die Entwicklung unserer Anlagen sicher fünf bis zehn Mal länger gedauert.»

Genial: CFK aus dem Drucker

Einer der werkstofftechnischen Höhepunkte war die Vorstellung von 3D-gedruckten Faserverbundwerkstoffen. Das ETH-Spin-off 9T Labs hat ein 3D-Druckverfahren entwickelt, das Werkstücke aus Carbonfaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) drucken kann. Hierbei werden unterschiedliche Thermoplaste PA bis Peek als Matrix-Werkstoffe genutzt. Es können über die Druckerdüse längere Carbonfasern bis hin zu Endlosfasern in das Bauteil gelegt werden.

Der 3D-Drucker legt die Carbonfaser-Bahnen in Verbindung mit den aufgeschmolzenen Thermoplasten auf das aufzubauende Werkstück. Beim fertig gedruckten Bauteil liegt der Volumenanteil der Lufteinschüsse noch bei etwa bei 10 bis 20 Prozent. Das ist suboptimal. Deshalb haben die Spezialisten von 9T Labs einen weiteren patentierten Verfahrensprozess (Fusionsprozess) entwickelt, der die Lufteinschlüsse reduziert: unter erhöhten Temperatur- und Druck-Bedingungen wird das gedruckte Bauteil weiter verdichtet, so dass ein perfekter Verbund zwischen Fasern und Matrix entsteht. Nach dem Fusionsprozess liegen die Lufteinschlüsse bei maximal 2%.

Das Geniale an dem Verfahren ist, dass die Fasern von dem Drucker in beliebige Richtungen verlegt werden können – aktuell in X- und X-Richtung. Damit ist es möglich, das Bauteil in diesen zwei Ebenen beanspruchungsgerecht auszulegen. Auslegungstechnisch kommt hier die Software Ansys voll zum Tragen. Mit den Ansys-Simulationstools lassen sich die idealen Strukturen und Lageorientierungen der Carbonfasern bestimmen und entsprechend auf den 3D-Druck und das Bauteil übertragen.

Ansys wurde aber auch bei der Entwicklung der Düsentechnologie genutzt. Dank thermischer und strömungstechnischer Simulationen konnte die Düsenentwicklung entsprechend effektiv vorangetrieben werden. Hier ging es konkret darum, wie die Fasern optimal mit der thermoplastischen Kunststoffschmelze vernetzt werden können und das Temperaturprofil in der Druckerdüse optimiert werden kann. Die von 9T Labs entwickelten und produzierten Drucker befinden sich derzeit im industriellen und forschungsnahen Prototypen-Einsatz.

Beispielhafte FEM-Anwendung in der Bahntechnik

Eine beispielhafte Nutzung von FEM wurde bei der Entwicklung einer automatischen Kupplung von Güter-Flachwagen mit Drehgestellen der SBB präsentiert. Da die Kupplungen hochkomplex und mit Schweissnähten versehen sind, wurde auf Ansys gesetzt, da diese Konstruktionselemente mit dem Ansys-FKM-Tool ausgezeichnet berechnet werden können. Die Bahn-Industrie hat strenge Reglements im Bereich der Strukturanalyse. Kritischstes Bauteil ist der mit der Kupplung verschweisste Druckanschlag, auf den die Kupplungselemente auftreffen. Die mit Ansys ermittelten Bauteil-Spannungen ergaben, dass einige Schweissnähte überbeansprucht worden wären. Mit der ursprünglich vorgesehen Konstruktion stiess man an Grenzen. Schliesslich wurde aufgrund der FEM-Ergebnisse eine komplett neue Konstruktion mit komplett geänderter Krafteinführung entwickelt, die anschliessend per Ansys geprüft wurde. Derzeit ist das neu konzipierte System unter realen Bedingungen in der Feld-Erprobung. Auch hier wurde dank FEM-Analyse der Time-to-market-Faktor erheblich verkürzt.

Dyson: Simulation, Simulation, Simulation

Eine extrem bedeutende Rolle wies Stefan Koch (Dyson Technology Ltd.) den Simulationsverfahren zu. Nach seiner Aussage konnte Dyson seit 2013 nicht zuletzt aufgrund der massiv genutzten Simulationsverfahren im Unternehmen seine Wachstumsstrategie verfolgen. Ob mechanische, strömungstechnische oder akustische Simulationen, bei Dyson wird alles simuliert, was simuliert werden kann. So wurden unterschiedliche hochauflösende Strömungssimulationen realisiert, um kleinste Wirbel zu entdecken, und versucht, die Strömungskanten der Staubsauger zu optimieren, damit die Schall-Emissionen sich reduzieren. Eine besondere Herausforderung der Dyson-​Saugsysteme.

Dank den Strömungssimulationen konnten die Zyklone zur Staubabsaugung immer effizienter bezüglich Energieverbrauch, Schwingungen wie auch Druckverlust und Abscheidungsgrad ausgelegt werden. Entscheidend sei auch, dass jeder Zyklon den gleichen Volumenstrom zugewiesen bekommt. Auch werden die veränderten Strömungsverhalten durch die angesaugten Partikel simuliert und entsprechend optimiert.

Laut Stefan Koch besteht Dysons Ziel in einer Metasimulation der Saugsysteme. Die enorme Produkt-Explosion seit 2013 sei, laut Stefan Koch, letztlich auch dank der intensiven Simulationstechnologien entstanden, wodurch der Time-to-market-Faktor extrem kurz gehalten werden konnte.

40 Jahre aus dem Leben eines Berechnungs­ingenieurs

Mit dem Referat «Meine 40 Jahre als Berechnungsingenieur» schloss sich der Kreis an der CADFEM-Konferenz, die an der HSR in Rapperswil stattfand, nicht nur auf der Zeitachse, sondern auch geographisch: Denn Referent Urs Theiler schloss vor über vier Jahrzehnten sein Maschinenbaustudium an der HSR Rapperswil ab. Am 19. Juni 2019, über 40 Jahre später, durfte er an seiner ehemaligen Hochschule und Lernstätte in Rapperswil vor jungen und altgedienten Konstrukteuren über seine 40-jährigen FEM- und Ansys-Erfahrungen berichten, die er bei seinem damaligen und jetzigen Arbeitgeber MAN Energy Solutions gewonnen hatte. Vor vier Jahrzehnten hiess das Unternehmen noch Escher Wyss AG.

Zu Beginn seiner Karriere als Berechnungsingenieur wurden Bauteilauslegungen unter anderem auf selbst entwickelten Berechnungsmodellen vorgenommen. Erste Berechnungen bauten auf Schalenmodellen auf und wurden per Fourier-Zerlegung und Lochkarten «erledigt». 1984 berechnete Urs Theiler erstmals mit Ansys 4.0 eine Turbinennabe. Seine jüngste (2010) FEM-Ansys-Anwendung war die Auslegung und Berechnung von Bauteilen an Hochleistungskompressoren für den Unterwasser-Offshore-Betrieb, eine herausragende Neuentwicklung von MAN Turbo & Diesel AG. Diese Kompressoren mit 11,5 MW und 220 bar Leistung werden in bis zu 300 m Wassertiefe installiert. Hier nutzte Urs Theiler Ansys 13.0. Der Hochleistungskompressor verrichtet seine Aufgaben absolut prozesssicher, was nicht zuletzt dem Know-how und dem Erfahrungsschatz des FEM-Spezialisten Urs Theiler zu verdanken ist, der nahezu die kompletten Ansys-Updates seit 1984 miterbleben durfte und deshalb auch bestens damit vertraut ist, wie die entsprechenden Randbedingungen zu setzen sind, damit die FEM-Ergebnisse mit den realen Werten übereinstimmen.

Wie diese Beispiele eindrücklich zeigen, bringen FEM-Analysen erhebliche Vorteile in der Produktentwicklung. Wie Markus Dutly gegenüber dem SMM aber betont, sei in vielen Unternehmen und Konstruktionsbüros die FEM-Analyse alles andere als Alltag. Oft werde klassisch konstruiert, aufgrund von Erfahrungswerten. Mit anschliessenden Lastentests würden die engineerten Produkte geprüft, um Schwachstellen zu eruieren. Anschlies­send werde die Konstruktion angepasst, wieder produziert und getestet, bis das fertige System entstehe. Das sei das klassische «Trial-and-Error-Verfahren». Solche Prozessoptimierungen sind nicht nur mit hohen Kosten verbunden, sie sind auch langwierig. Aus seiner Sicht, und wie die hier erwähnten Beispiele zeigen, wäre es massiv effizienter, so früh wie möglich FEM in der Konstruktionsentwicklung einzusetzen, nicht zuletzt darum, weil bereits mit den ersten FEM-Analysen erhebliche Optimierungen realisiert werden können. Nicht selten fehlen die FEM-Kompetenzen in den Unternehmen. Hier besteht die Möglichkeit, Spezialisten von CADFEM hinzuzuziehen und die Entwicklung zu betreuen. Viele Unternehmen hätten mit diesem Modell gute Erfahrungen gemacht und nicht selten darauf aufbauend FEM-Spezialisten engagiert.

Immer wieder was Neues

Fazit: die CADFEM-Konferenz ist eine ausgezeichnete Veranstaltung, in der es immer etwas Neues hinzuzulernen gibt. Auch für die Fertigungstechnik gab es in einem Vortrag ein interessantes Detail, und zwar, wie Schwingungen in Werkzeughaltern reduziert werden können: Einfach in dem additiv aufgebauten Halter einen gewissen Pulveranteil nicht aufschmelzen, das im Halter eingeschlossene Pulver reduziert die Schwingungen und letztlich optimiert ein solcher Halter die Standzeit der Werkzeuge wie auch die Oberflächen der Bauteile. Was will man mehr? SMM

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