Leichtbaulüfter im Aufwind

Innovationsschmiede setzt zur Composites-europe 2009 auf Carbon und Finite Elemente Methode

Während Automobilindustrie, Luft-Raumfahrt und Medizintechnik schon jahrelang auf Leichtbaukonstruktionen setzen, stehen andere Industriezweige wie die Umwelttechnik erst am Anfang. Erste Gehversuche wie bei Rohrschellen, Container, Bauplatten oder Erdgas-Tanks für Fahrzeuge lassen neue Trends erkennen.
Innovative Konstruktionskonzepte und der Einsatz neuer Leichtbaumaterialien sind etwa 30 Prozent leichter als Aluminium und 60 Prozent leichter als Stahl.

Bauteilorientierte Konstruktionskonzepte

Die Optimierung hinsichtlich Festigkeit bzw. Gewicht wird durch den konstruktionsbegleitenden Einsatz der FEM Technologie (Finite-Elemente Methode) gewährleistet. Das Zusammenspiel der Technologien CAD und FEM, sinnvoll integriert in den Produktgestaltungsprozess, reduziert so die Produkt- und Entwicklungskosten erheblich.

So fein wie nötig, so grob wie möglich

Ein weiteres innovatives Werkzeug  ist die dreidimensionale statistische Toleranzanalyse.
Ursprünglich aus dem Karosserie Rohbau kommend, mittlerweile für viele Bereiche der Industrie eingesetzt, hat sie sich als unverzichtbares Werkzeug etabliert und ergänzt so den vorbereitenden Produktionsprozess bei der Bauteilgestaltung bis zur Fertigung.  Mit einer speziellen Software, werden hier Änderungskosten an Konstruktion und Werkzeugen verhindert. Wurden Funktionsmaße zur Sicherheit meist mit engen Toleranzen versehen und damit der Fertigungsaufwand erhöht, liefert die Toleranzanalyse die notwendigen Werte. Die Software ermöglicht eine frühzeitige Simulation des Toleranzmodells und die Bauteilkonstruktion wird bei gleichzeitiger Reduzierung der Fertigungskosten optimiert.

Zugpferd Automobil- vom 1-Literauto zum Tunnellüfter
Gewichtsreduzierung in nur fünf Monaten erreicht.

3178 km mit einem Liter Kraftstoff so das Ergebnis eines ehrgeizigen Projektes wo Leichtbau, innovative Antriebs- und Brennstoffzellentechnik dem proTRon Team der Fachhochschule Trier beim Shell-Eco-Marathon 2009 in der Prototypen- Klasse auf Platz 4 der Gesamtwertung und Platz 3 der Brennstoffzellen-Fahrzeuge bescherte und somit bestes deutsches Team war.

„Wie bereits im Protron-Eco-Team Trier bei der Entwicklung und der Umsetzung der Karosserie aus Kohlefaserverbundwerkstoff bewiesen lassen sich ähnliche Ergebnisse auch in anderen Branchen erzielen. Mit der Verwendung von Carbon werden hohe Massenreduktionen erreicht. Bei der bisherigen Fertigung der Lüfterblätter für große Axialventilatoren wurde Aluminium verwendet und das Gewicht eines Lüfterblattes lag bei über 30 kg. Bereits mit der ersten Vollcarbonversion wurde das Gewicht um zwei Drittel reduziert und die komplette Schwungmasse um über 170 kg gesenkt. Weitere Gewichtreduzierungen bis auf etwa 8kg pro Blatt werden folgen, “ so Ralf Schneeberger Projektleiter der Proceed und verantwortlich für die Fertigung.

Metallische Werkstoffe erleben derzeit durch den Einsatz faserverstärkter Kunststoffe (FVK) und Kohlefasern (CFK), eine steigende Konkurrenz. Der Einsatz von Kohlefasern bietet hier ein besonders hohes Leichtbaupotential. Sind die Rohstoff- und Fertigungskosten derzeit noch hoch, wird sich  durch verstärkte Forschungsaktivitäten in diesem Bereich deren Einsatz in Zukunft deutlich erhöhen.
Neben den Materialherstellern unterliegen schließlich auch die Anwender aus der fertigenden Industrie einem starken Wettbewerbsdruck.
Bei Großanwendungen wie Tunnellüftern kann sich eine leichtbauorientierte Bauteilumgestaltung bereits heute rechnen. So können unter komplexer Betrachtung die Flügelblätter von Axiallüftern nach Vorgaben eingehender FEM-Simulationen optimiert und auf die hohen Drehzahlen und Luftleistungswerte abgestimmt werden. Die Motorentechnik kann effizienter beschleunigen und so die Anlaufströme senken.

„Die Materialausrichtung auf Carbon kam nicht zufällig. Der neuen Herausforderung mit weniger Material und der Verwendung neuer  Bauteilstrukturen eine Effizienzsteigerung unter Einhaltung der technischen Anforderungen zu gewähren, gingen FEM Berechnungen voraus deren Ergebnis bereits nach einem Monat im Prüfstand Erfolg zeigte“, freut sich Berechnungsspezialist Patrick Jakobs von der FEM-TECH GmbH.

Diese Ventilatoren mit einer hohen mechanischen Steifigkeit erreichen hohe Eigenfrequenzen und einen niedrigen Geräuschpegel. Durch den konstruktionsbegleitenden Einsatz der FEM Technologie ist eine Optimierung hinsichtlich Festigkeit bzw. Gewicht gegeben. Das Zusammenspiel der Technologien CAD und FEM, sinnvoll im Bauteil integriert, reduziert die Produkt- und Entwicklungskosten.

„Unsere Ausrichtung folgt zwei Hauptrichungen: Einerseits entwickeln und produzieren wir große Industrieventilatoren radialer und axialer Bauart und deren Zubehörteile gezielt für die oft schwierigen Anforderungen  unserer Kunden. Andererseits konzipieren wir immer öfter zusammen mit dem Kunden sein Gesamtsystem und erreichen so durch die gezieltere, strömungsoptimierte Gesamtauslegung der Ventilation eine noch bessere Effizienz. Wir verstehen uns mit ca. 140 Mitarbeitern durchaus als Innovationstreiber und entwickeln auf diesem Weg unsere Produkte immer weiter. Leichtbau, Energieeffizienz, Robustness und Reaktionszeitverkürzung sind hierbei die wesentlichen  Schlüsselworte, die auch in diesem Projekt eine entscheidende Rolle gespielt haben,“ so Frank Häusler Geschäftsführer EVG Lufttechnik GmbH.

Stand 4/E10

Messedaten:
Composites Europe
27.-29.10. Messe Stuttgart
http://www.composites-europe.com/

Über FEM-TECH

Mit modernen interaktiven Konstruktionsstrategien wird eine enge Verzahnung von Bauteil- und Fertigungskonzeption geliefert und als Leichtbaulösung in den Fertigungsprozess eingegliedert.
Die potenziellen Anwendungsgebiete, mit innovativen Leichtbauelementen sind enorm – z.B. Fahrzeugbau (PKW, Nutzfahrzeugtechnik, Schienenfahrzeuge), Boot-und Yachtbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Medizintechnik und allgemeiner Maschinenbau. In Zukunft werden Optimierungspotentiale bei Leichtbaustrukturen ebenso in der Umwelttechnik entstehen.

Die Berechnung und Auslegung von Leichtbaustrukturen der FEM-TECH GmbH berücksichtigt  unterschiedlichste Anforderungen und Lasten. Hier kommen implizite und explizite FEM-Codes, sowie topologische und parametrische Optimierungsstrategien zum Einsatz. Umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet funktionsintegrativer Leichtbau in Verbindung mit angepassten Fügetechniken sichert eine innovative Lösung.