„Wie im wirklichen Leben“

Neuer Fahrradantrieb im Simulationscheck

Ein neuer Kolben, eine im Design veränderte Pumpe oder ein komplettes gekühltes Abgasrückführsystem: Viele Produkte durchlaufen auf dem Weg ihrer Entstehung spezielle Simulationsprogramme und unterstreichen so die Bedeutung von Simulationsverfahren für die Entwickler. Dies gilt auch für die derzeit bei Rheinmetall entstehenden Pedelec-Antriebe namens Amprio.

Mit gespannter Miene schaut Hendrik Moll auf seinen Computerbildschirm. Soeben hat der Ingenieur eine Finite-Elemente-Simulation für die neueste Generation von Pedelec-Antrieben gestartet, in der eine Spannungsberechnung die künftigen Materialeigenschaften im Hinblick auf Beständigkeit und Dauerhaltbarkeit prüft. Da Moll zuvor alle für die Berechnung nicht relevanten Baugruppen und Parameter aus den CAD-Daten herausgefiltert hat, dauert jetzt nur einige Minuten, was auch schon einmal eine ganze Rechnernacht in Anspruch nehmen kann. Und wirklich: Das Bild des neuen Amprio-Pedelec-Motors erscheint kurz danach auf seinem Bildschirm. Zur Zufriedenheit des Fachmanns ist es nur an wenigen Stellen rot eingefärbt, denn das, so Moll, „sind die kritischen Stellen, an denen noch nachgearbeitet werden muss“. In einem nächsten Schritt gibt Moll jetzt diese Ergebnisse an die Entwickler des Antriebs weiter, damit sie die neu gewonnenen Erkenntnisse in ihre Konstruktion einfließen lassen können. 

Härtetest im Schnelldurchgang

Ein ganz normaler Vorgang in der Simulation, der insgesamt an einem Arbeitstag erledigt werden konnte. Ohne die technischen Hilfsmöglichkeiten und das Hintergrundwissen von Moll hätte es einige Zeit gedauert, bis ein entsprechendes Gehäuse angefertigt und im Realbetrieb getestet worden wäre. Wertvolle Zeit, die eine Entwicklung nachhaltig beschleunigen kann und dennoch zuverlässige Aufschlüsse über die späteren Eigenschaften eines in der Entstehung befindlichen Bauteiles erlauben. Hinzu kommt die Möglichkeit, gezielt Material einzusparen und so das Gewicht der jeweiligen Komponente zu reduzieren. Dies sind willkommene Hinweise für die firmeninternen „Kunden“ der Simulation: „Bei Amprio hat sich die hohe Zuverlässigkeit der Berechnungen aus der Simulation in der späteren Praxis bestätigt und wir vertrauen sehr stark auf die Ergebnisse der Kollegen“, so Dietmar Greven, der das Innovationsmanagement beim Rheinmetall-Spin-off verantwortet. 

Wachsende Bedeutung

So ist es kein Wunder, dass Urs Jedrkowiak als Leiter des Simulationsbereiches eine stetige Zunahme der Aufträge aus verschiedenen Unternehmensteilen verzeichnen kann. Und mehr noch: „Wir stellen nicht nur fest, dass die Bedeutung der Simulation im Entwicklungsprozess generell zunimmt, sondern dass unsere Unterstützung bereits in immer früheren Stadien der Entwicklung gefragt ist.“ Dieses Frontloading bindet die Simulation ein, um bereits die Grundauslegung neuer Produkte oder etwa auch nur neue Konzeptansätze zu testen. Jedrkowiak trägt dieser Situation dadurch Rechnung, dass er schon die Konstrukteure an die Simulation heranführt und Workflows zur Verfügung stellt, die seine „Kunden“ in die Lage versetzen, unterschiedliche Konzeptansätze bereits im Vorfeld selbst untereinander zu vergleichen, bevor es zu einer definitiven Entscheidung für den einen oder anderen Weg kommt.

Auch haben sich die Simulationsmöglichkeiten, die Jedrkowiak und seine Mitarbeiter einsetzen, inzwischen deutlich erweitert. Sie reichen heute von der Mehrkörpersimulation, der Finite-Elemente-Methode (FEM) und nachfolgender Lebensdaueranalyse über Strömungssimulationen, Gesamtsystemsimulationen bis hin zur multiphysikalischen Simulation elektronischer Komponenten und Systeme, die insbesondere in der Elektronikentwicklung immer stärker nachgefragt wird. Großes Augenmerk wird auf die maschinengestützte Optimierung gelegt. Hier werden die physikalischen Disziplinen Struktur- und Strömungsmechanik sowie die Elektronik miteinbezogen.

Simulation never stops

Mittlerweile durchzieht sogar ein engmaschiges Simulationsnetzwerk den gesamten Konzern und auch Simulationsspezialisten der Auslandsgesellschaften in Europa, Nord- und Südamerika sowie in Indien, China und Japan sind darin einbezogen. Das beschleunigt noch zusätzlich den Output des Bereiches, denn Simulationsaufträge können rund um die Welt über die Zeitverschiebung gesteuert werden, so dass Ergebnisse noch schneller vorliegen.

Schöne Landschaften

Hendrik Moll hat derweil seine Empfehlungen an die Entwickler des Pedelec-Antriebs weitergegeben. Die Ausgangsfrage nicht nur in diesem Fall war: Hält das Bauteil unter den geforderten Lasten? Moll untersucht dazu mithilfe der Mehrkörpersimulation, welche Kräfte an welcher Stelle wirken oder welche Interaktionen zwischen unterschiedlichen Körpern sich innerhalb des Antriebsgehäuses entwickeln. Gleiches gilt beispielsweise für die Komponenten der Tretlagerwelle oder die Lagerreaktionen in Bezug auf das Gehäuse. Er muss mit seinen Berechnungen bewerten, ob das geplante Bauteil die später über den gesamten Nutzungszeitraum auftretenden Spannungen aushält. Dies geht dann über in eine Bewertung der Lebensdauer der Bauteile. Unterstützt wird er bei dieser Bewertung durch die DIN-Norm für Pedelec-Antriebe. Moll weiß hier eindeutig: „Wenn die DIN-Norm erreicht wird, geht das Bauteil auch im wirklichen Leben nicht kaputt.“

Selbst begeisterter Muskelkraft-Mountainbiker berät Moll die Motorenentwickler anhand seiner Simulationsdaten bezüglich der vorgesehenen Wandstärken, bei den geplanten Radien, dem möglichen Verschieben von Wänden oder auch bei der Wahl der Legierungen für das Bauteil. Ein derartiges prüfendes Verfahren kann dann mit seinen verschiedenen Entwicklungsstufen auch durchaus einige Monate in Anspruch nehmen. Die Mountainbiker, die später mit einem zuverlässigen und optimierten Antrieb von Amprio durch beeindruckende Berglandschaften stromern, werden es ihm danken.

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