7/16 Oktober/November D, A, CH: Euro 14,40 | ISSN 1618-002X www.digital-engineering-magazin.de Innovative Lösungen für Konstrukteure, Entwickler und Ingenieure Industrie 4.0 | Internet der Dinge Elektro-Motorrad „Light Rider“ mit Altair HyperWorks Suite entwickelt Leichtere Strukturen durch Topologieoptimierung Special zur Vision Bildverarbeitung: Das Auge der Automatisierung und Industrie 4.0 Automation Robuste Hall-Sensoren für mobile Agrarmaschinen Additive Fertigung Geräte und Werkstoffe: aktuelle Trends im industriellen 3D-Druck Bilder: Airbus APWorks (Light Rider) / Altair (Optimierungsprozess)
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7/16 Oktober/November D, A, CH: Euro 14,40 | ISSN 1618-002Xwww.digital-engineering-magazin.de
Innovative Lösungen für Konstrukteure, Entwickler und Ingenieure Industrie 4.0 | Internet der Dinge
E lektro -M otorrad „Light R ider “ mit Altair Hyp erWorks Suite ent wickelt
Leichtere Strukturen durch Topologieoptimierung
Special zur VisionBildverarbeitung: Das Auge der Automatisierung und Industrie 4.0
AutomationRobuste Hall-Sensoren für mobile Agrarmaschinen
Additive FertigungGeräte und Werkstoffe: aktuelle Trends im industriellen 3D-Druck
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| EDITORIAL | 003
Liebe Leser, was hat eine 129 Jahre alte, pedalbetriebene, guss-eiserne Drehbank mit Industrie 4.0 zu tun? Auf dem den ersten Blick herzlich wenig, denn eine Maschine aus der Industrie-1.0-Ära arbeitet rein mechanisch. Bosch hat jetzt diese historische Drehbank aus dem Museum geholt und in das Industrie-4.0-Zeitalter gehievt. Möglich wurde dies durch ein IoT-Gateway, das das Unternehmen entwickelt hat. Dieses vernetz-te System kombiniert Sensorik, Software sowie eine Internet-of-Things(IoT)-fähige Industriesteuerung und ermöglicht damit die Zustandsüberwachung der Drehbank.
Diese außergewöhnliche Installation wird vermut-lich im Alltag nicht so oft vorkommen, aber es sollte ja vielmehr eine Demonstration sein, dass man selbst sehr alte Maschinen mit dem IoT-Gateway auf einfa-che Weise vernetzen kann.
Eigentlich möchte Bosch zeigen, welches Poten-zial Retrofit-Lösungen haben. Viele Maschinen in der Fertigung sind nämlich ohne Industrie-4.0- Anbindung, da ihnen unter anderem Sensoren, Soft-ware oder die Anbindung an IT-Systeme im Unter-nehmen fehlen – und damit die wichtigsten Voraus-setzungen für die vernetzte Fertigung. Das Potenzial für Retrofit-Lösungen ist jedenfalls groß, schließlich gibt es allein in Deutschland Millionen an älteren Maschinen. Und einmal angeschaffte Maschinen bleiben oft über Jahrzehnte im Einsatz. Betreiber äl-terer Produktionsanlagen können mit dem IoT-Gate-way ihre Maschinen vernetzen und dadurch in Echt-zeit überwachen. Dies ermöglicht beispielsweise eine vorausschauende Wartung, die wiederum Aus-fallzeiten reduziert. Mehr Produktivität ist die Folge.
Das Thema Industrie 4.0 nimmt jedenfalls spür-bar an Fahrt auf. Beispielsweise haben Siemens und Accenture vor kurzem bekannt gegeben, dass Accen-ture eine Reihe von Applikationen für die Siemens-Cloud MindSphere entwickeln wird. Mit den Apps für das offene industrielle IoT-Ökosystem von Siemens können Industrieausrüster von neuen datenbasier-ten Services profitieren. Accenture will OEMs mit ei-ner Reihe von MindSphere-Apps für neue digitale Services unterstützen, etwa vorausschauende War-tung oder Zustandsüberwachung aus der Ferne.
Ich bin jedenfalls gespannt, was die nächsten Inno-vationen rund um Industrie 4.0 und IoT sein werden.
Ihr Rainer Trummer, Chefredakteur
Industrie 4.0: Von Retrofit zu Apps
Rainer TrummerChefredakteur
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DIGITAL ENGINEERING Magazin 07-2016
004 | INHALT |
Das Weltall – endlose Weiten... wir haben für unseren Schwerpunkt Luft- und Raumfahrt (ab Seite 52) mit einem gesprochen, der da näher dran ist: Dr. Martin Hilchenbach, einer der Projektleiter der Rosetta-Mission. Simulation war da auch ein Thema – wie in unseren Geschichten ab Seite 24 - Hier geht es etwa darum, wie die Technik von Haien und Delphinen lernen kann – womit sich der Kreis zu unserer bionischen Titelgeschichte schließt.
Bildverarbeitung (Special ab Seite 29) gilt als das Auge des Roboters beziehungsweise der Automation (ab Seite 40). Die Bildverarbeitung trifft sich vom 8. bis 10. November zur Fachmesse Vision in Stuttgart (Seite 12). Und das hat auch immer mit Rechnern zu tun - denn die komplexen Algorithmen zum maschinellen Sehen brauchen viel Rechenleistung – da könnte es auch interessant sein zu wissen, was Windows IoT so drauf hat (Seite 42).
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Titelstory: Das Zusammenspiel von Topolo-gieoptimierung, neuartigen Materialien und additiver Fertigung ermöglicht bei der Ent-wicklung des Elektro-Motorrads „Light Rider“ von APWorks leichte, von der Natur inspirierte Strukturen. 16
AKTUELL
WirtschaftstickerMacher und Märkte 6
Trends und TechnologieNeue Produkte und Verfahren 8
MesseschaufensterDer Messeherbst geht in die heißen Phase: Was Formnext, Euromold, Electronica, Vision und die Messe K bringen 11
VeranstaltungskalenderWas, wann, wo? 14
SONDERTEIL: ADDITIVE FERTIGUNG
Titelstory: Der Light RiderTopologieoptimierung, neuartige Materialien und additive Fertigung ermöglichen leichte, von der Natur inspirierte Strukturen. 16
FaserverbundwerkstoffeVernetzte Produktionstechnik für die additive Fertigung individualisierter, faserverstärkter Bauteile 18
Fused Filament Fabrication Der neue 3D-Drucker der Fachhochschule Kiel 20
Implantate aus dem 3D-DruckerMehr Lebensqualität durch additiv gefertigte Implantate 22
SIMULATION & VISUALISIERUNG
Der bionische SchiffsrumpfSoftware und Elektronik im Auto nimmt zu – was das für die Simulation bedeutet 24
Die perfekte Welle simulierenCFD: Simulation einer Flüssig-Erdgas- Förderanlage (FLNG) bei Wellengang 26
SPECIAL: BILDVERARBEITUNG
Expertenrunde deckt Trends aufWir haben Experten nach den aktuellen Trends in der Branche gefragt 30
Makelose Tabletten dank BVScanware Electronic entwickelt Bildverar- beitungssysteme zum Prüfen von Tabletten in Blisterverpackungen 33
Technik im WandelWarum USB 3.0 die Bildverarbeitung noch nicht ganz durchdringt – und warum der Umstieg jetzt erfolgen sollte 36
Upgrade für Camera LinkVieles fehlt im Urgestein der Bildverarbei- tungsschnittstellen – warum Camera Link trotzdem noch einen Blick wert ist 38
ELEKTROTECHNIK & AUTOMATION
Türsteher gegen ManipulationWie sich geeignete Schutzzeinrichtungen dimensionieren und gegen Manipulation schützen lassen 40
Windows 10 IoT – Vorteile und NeuerungenMit dem neuen Betriebssystem möchte Microsoft neue Nutzergruppen erschließen und ehemalige Anwender zurückgewinnen 42
Messtechnik für den MähdrescherKontaktlose Hall-Sensoren eignen sich bestens für raue Einsätze – etwa in den mobilen Maschinen der Agrarindustrie 44
ANTRIEBSTECHNIK
Schmierfreie Gleitlager im CampingmobilIgus liefert Komponenten für die Innenaus- stattung von Wohnmobilen von CB 46
Konzern-Synergie nutzenDunkermotoren nutzt Spindeln aus dem Ametek-Konzern, um Linearantriebe auf Basis von rotatorischen Motoren anzubieten 48
Know-how für E-MobilitätPowermela ein steht für eine komplette Antriebslösung für mobile Maschinen 50
Sternenstaub und harte ArbeitInterview mit einem der Projektleiter der Rosetta-Mission: Dr. Martin Hilchenbach 52
Red Aircraft: Ready to take offSie haben in relativ kurzer Zeit einen Flugzeugmotor zur Serienreife ent- wickelt – in der Fertigung läuft das CAD/CAM Mastercam 54
Gegen den StromVectoflow setzt bei der Herstellung komplexer Strömungssonden auf additive Fertigung 56
CAD & DESIGN
Solidworks 2017: Mehr ProduktivitätViel Neues für die papierlose Fertigung, modellbasierte Definition und das Design von Leiterplatten 58
Null Fehler – 100 Prozent termintreuCAD-/CAM-Prozesslösung senkt Kosten, reduziert Neben- und Bearbeitungszeiten und sorgt für mehr Flexibilität 59
CAD-Daten-HandlingDefekte CAD-Dateien automatisch repar- ieren und auf handliche Größe bringen 62
EDITORIAL 3
MARKTPLATZ 65
IMPRESSUM 66
VORSCHAU 66
Titelthemen
| INHALT | 005
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DER RAHMEN DES LIGHT RIDERDas Zusammenspiel von Topologieopti-mierung, neuarti-gen Materialien und
additiver Fertigung bei der Entwicklung des Airbus APWorks Light Riders ermög-licht leichte, von der Natur inspirierte Strukturen. Der Rahmen wurde von den Inge-nieuren des Unternehmens APWorks ([email protected]) unter Verwendung der Simu-lationswerkzeuge OptiStruct, HyperMesh und HyperView der Altair HyperWorks Suite entwickelt und optimiert und im laseradditiven Pulverbett-verfahren gedruckt. Beim Druck wurde Scalmalloy, eine von Airbus entwickelte, hoch-feste Aluminiumlegierung, verwendet. Für die ganzheit-liche Optimierung des Rah-mens wurden der maximal vorhandene Bauraum und die angreifenden Lasten fest-gelegt und im Anschluss die Optimierungsziele, wie ein De-sign mit minimaler Masse, das auch entsprechende Anfor-derungen an Steifigkeit oder Eigenfrequenzen erfüllen soll, definiert. Mit diesen Vorgaben errechnete die Software einen optimalen Designvorschlag.
Softwarehersteller ISD Software und Systeme stellt auf der diesjährigen Eu-roblech (25. bis 29. Oktober in Han-nover) als Partner von Beosys in Hal-le 11 am Stand A61 aus. Im Fokus der Präsentation steht die Integration der PDM-/PLM-Lösung Helios in die ERP-Software von Beosys. Diese soll Anwendern ein durchgängiges Pro-duktdatenmanagement über Bereiche und Standorte hinweg ermöglichen.
Die Firma Karl E. Brinkmann GmbH (KEB) ist neuer strategischer Partner im Lem-goer Forschungs- und Entwicklungs-zentrum Centrum Industrial IT (CIIT). Der weltweit agierende Spezialist für Antriebs- und Steuerungstechnik ver-spricht sich von der Partnerschaft, Lö-sungen für die Fabrik der Zukunft ge-meinsam mit den Entwicklern und Forschern der CIIT-Partner in räumlicher Nähe weiter zu entwickeln.
Ferretti, ein Anbieter von Motoryachten und Sportbooten, hat sich für Lösungen der Business Unit Product Lifecycle Ma-nagement (PLM) von Siemens entschie-den. Die Ferretti-Gruppe mit Sitz in Itali-en wird Teamcenter, als System für das Product Lifecycle Management (PLM), sowie die Software NX, für Analysen in den Bereichen Computer Aided Design (CAE), Manufacturing (CAM) und Engi-neering (CAE), einsetzen.
KURZ
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Flüchtlinge integrieren mit SolidworksDPS Software geht einen eigenen Weg, um Mig-ranten bei der Integration zu helfen: Flüchtlinge mit geeigneter Vorbildung erhalten ein eigenes für sie konzipiertes Solidworks-Schulungspro-gramm und werden so auf Arbeitsplätze in der Industrie vorbereitet. Die Schulung soll vom 17. Oktober bis 30. November in Leinfelden-Echter-dingen, der Firmenzentrale von DPS Software, stattfinden. Alle Bewerber sind Ingenieure mit Berufserfahrung und IT-Kenntnissen. Im Mo-ment gibt es 4 Teilnehmer, aber DPS ist offen
für weitere Flüchtlinge, die sich bis zum Start im Oktober bewerben können. Das Programm wird von einer eigens dafür ausgewählten Schu-lungsleiterin betreut. Sie hat den Schulungsauf-bau konzipiert, bereitet „Hausaufgaben“ für die Vertiefung des Stoffes vor und gibt jedem Teil-nehmer die Unterstützung, die er benötigt, um Schritt für Schritt selbstständig Konstruktions-aufgaben meistern zu können. „Wir sind begeis-tert von dem guten Niveau aller Bewerber und sicher, dass es für sie kein Problem sein wird, die Schulung erfolgreich zu absolvieren“, so Ge-schäftsführer Manfred Gravius. DPS Software so-wie die Agentur für Arbeit sprechen gezielt mit mittelständischen Unternehmen, die Solidworks nutzen. Sie haben die Chance mögliche Mitar-beiter direkt bei DPS kennenzulernen und von der Agentur für Arbeit dazu beraten zu werden.
S I E M E N S
Neuer Auftrag für ElektrofährenSiemens liefert die Antriebssysteme für zwei weitere batteriebetriebene Fähren. Diese von Fjord1 betriebenen Schiffe werden auf der 2,4 kilometerlangen Route E39 zwischen Anda und Lote an der Westküste Norwegens verkeh-ren. Beide werden über eine Kapazität von 120 Autos, 12 Anhängern und 349 Passagieren ver-fügen. Der Betrieb soll im Januar 2018 aufge-nommen werden. Damit werden die ersten vier batteriebetriebenen Fähren der Welt mit von Siemens entwickelter und hergestellter Tech-nologie fahren. Bereits 2015 lieferte das Un-ternehmen das Antriebssystem für „Ampere“, die erste vollelektrische Fähre der Welt, und er-hielt Anfang 2016 einen Auftrag der finnischen Schifffahrtsgesellschaft Finferries. An Bord der
zwei neuen Fähren wird Siemens jeweils eine vollständig integrierte Lösung für die elektri-sche Energie und die Automatisierung instal-lieren: Die elektrische Antriebslösung umfasst Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher, Strahlruder und Fernsteuerung der Propeller, ein Energiemanagementsystem sowie ein inte-griertes Alarm- und Überwachungssystem. Die Batterien der Schiffe werden nach jeder Über-fahrt über einen Landanschluss geladen, der in das örtliche Versorgungsnetz integriert ist.
„Wir haben uns für die umweltfreundlichste Option ent-schieden“, Arild Austrheim, Maritime Technical Director bei Fjord1. Bild: Multi Maritime
Die DPS-Mann-schaft in Stutt-gart erwartet die Schulungs-teilnehmer.Bild: DPS
Macher & Märkte | AKTUELL | 007
C O N T A C T S O F T W A R E U N D R O B E R T B O S C H
Strategische PartnerschaftPLM-Anbieter Contact Soft-ware und die Robert Bosch En-gineering & Business Solutions Private Limited (Indien) haben eine enge Zusammenarbeit auf internationaler Ebene ver-einbart. Die Partnerschaft zielt darauf ab, globale Kunden mit Prozessberatung, Software und Dienstleistungen bei Themen wie Product Lifecycle Manage-ment, Industrie 4.0 oder dem In-ternet der Dinge umfassend zu unterstützen. Contact möchte damit nach eigenen Angaben seine Schlagkraft im Bereich „Professional Services“ durch die Partnerschaft mit der Ro-bert-Bosch-Tochter erhöhen. Diese besitze tiefes Know-how im PLM-Umfeld und beschäf-tigt über 17.000 Mitarbeiter in Asien, Europa und den USA. „Robert Bosch Engineering &
Business Solutions ist eine ide-ale Erweiterung unseres Global Ecosystem: Das Unternehmen ist international sehr gut auf-gestellt und somit ein perfekter Service-Partner insbesondere für unsere globalen Kunden“, er-klärt Michael Sanjay Murgai, der bei Contact das Geschäftsfeld International Sales & Partner-management leitet. Geschulte Experten von Bosch-Indien un-terstützen Contact schon heute in Kundenprojekten in Deutsch-land, Indien und der Türkei.
S I C K A U F D E R S P S I P C D R I V E S
Wege zur smarten FabrikAuf der SPS IPC Drives 2016 im November zeigt Sick die un-terschiedlichen Möglichkeiten und Wege, um das Ziel – die smarte Fabrik – zu erreichen. Mit seinem Produkt- und Lö-sungsportfolio biete der Sen-sorhersteller die Basis für die Flexibilisierung der Prozesse. Hierbei gehe es um Digitali-sierung, Intelligenz und Ver-netzung in Produktions- und Logistiksystemen, damit sich diese autonom selbst optimie-ren und steuern können, so der Hersteller. Für einen automati-sierten Produktionsprozess sind Sensoren notwendig, die nicht nur auf der Steuerungs-ebene, sondern auch auf der übergeordneten Datenebene kommunizieren. Die zusätzli-che Schnittstelle in das Daten- oder Softwaresystem ermög-licht dort neue Analysen und
Funktionen, die Flexibilität, Qualität, Effizienz und Transpa-renz in der Fertigung steigern – eine radikale Anpassung der Industriepyramide. Deshalb muss der Sensor die erfassten Daten zunächst parallel und unabhängig voneinander an beide Ausgänge übermitteln. Im Zuge der Rückwärtskom-patibilität können Sick-Senso-ren heute beides: Sie senden zuverlässig an die SPS, aber auch in die Datenwelt. Vorteil ist, dass das Bewährte wei-terläuft, sich aber Schritt für Schritt zusätzliche Möglichkei-ten auftun. In der ferneren Zu-kunft von Industrie 4.0 spielen Sensoren sogar eine disrupti-ve Rolle: Sobald Datensyste-me leistungsstark genug sind, steuern Sensoren die Maschi-nen direkt und ausschließlich über die Datenebene.
A M A U N D E L E C T R O N I C A
Zentrum für Sensorik und MesstechnikDer AMA Verband für Senso-rik und Messtechnik präsen-tiert sich mit 15 Ausstellern als Kompetenzzentrum auf der Fachmesse Electronica vom 8. bis 11.11.2016 in München. Die Aussteller zeigen auf dem Gemeinschaftsstand neue Produkte und Lösungsansät-ze aus Sensorik und Messtech-nik. Dieser Bereich ist Schlüs-seltechnologie der Elektronik, ob für die Automobil- oder Industrieelektronik, ob Me-dizinelektronik oder hochin-
tegrierte Sensoren. Das AMA Kompetenzzentrum für Sen-sorik und Messtechnik lädt Besucher aus unterschiedli-chen Anwenderbranchen zu Fachgesprächen ein. Die Aus-steller des AMA-Zentrum ver-fügen über Expertenwissen aus nahezu allen Abnehmer-segmenten und Anwender-branchen. Besucher erhalten Informationen zu einzelnen Sensorelementen, zu Senso-ren und Messtechnik bis hin zu System- und Komplettlö-sungen. Die Aussteller erläu-tern Basistechnologien der in-dustriellen Messtechnik und stehen für einen fachlichen Austausch über Lösungsan-sätze für individuelle Projekte zur Verfügung.
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Robert Bosch Engineering & Business Solutions in Bangalore. Bild: Bosch
014 | AKTUELL | Veranstaltungskalender
DIGITAL ENGINEERING Magazin 07-2016
Wenn Sie in diesem Bereich eine Ihrer Veranstaltungen platzieren möchten, wenden Sie sich bitte an Frau Martina Summer, Tel. 0 81 06/3 06-1 64, [email protected]
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COMSOL Multiphysics® ist eine Simulationssoftware zur virtu- ellen Produktentwicklung. In unseren Workshops, Kursen und Webinaren zeigen wir Ihnen, wie Sie COMSOL Multiphysics und COMSOL Server™ effektiv und produktiv einsetzen kön-nen. Dabei können Sie sich wahlweise über die neueste Version der Software informieren oder in einem Spezialworkshop die Stärken von COMSOL in einem bestimmten Themenbereich kennenlernen.
GOM Inspect Einführungsseminare Netzbearbeitungs- und Auswertesoftware für 3D-Daten
Die kostenlose GOM Inspect Software eröffnet den freien Zugang zur 3D-Datenbearbeitung. Die Seminare richten sich an Anwender aus Produktentwicklung, Konstruktion und Qualitäts-sicherung, die 3D-Daten aus unterschiedlichen Messsystemen betrachten, bearbeiten und auswerten. Das Seminar umfasst praktische Übungen zu Datenimport, Netzbearbeitung, 3D-Ins-pektion, 2D-Inspektion, GD&T, Prüfberichten und Daten-Export.
7.11. und 5.12. GOM mbH, Schmitzstr. 2, Braunschweig
Sie sind Führungskraft in einer Gießerei, Gussabnehmer oder Mitarbeiter aus Konstruktion, Qualität oder Einkauf?Die Seminare der MAGMAacademy bieten Ihnen fundiertes Werkstoff- und Prozesswissen rund um das Thema Guss. Sie erfahren, wie systematische Gießprozess-Simulation mit virtueller Versuchsplanung und autonomer Optimierung bei der Entwicklung robuster Gussprodukte und -prozesse unterstützt. Die frühzeitig gewonnenen Erkenntnisse der Simulation sichern Ihre Entscheidungsprozesse und helfen Ihnen die gesamte Prozesskette effizienter zu gestalten.
Seminare in Aachen 25./26.10. – „Bewertung von Simulationsergebnissen – Sandguss/Druckguss“8.-9.11. – „Kosteneffizienz und Kostenmanagement“15.-16.11. – „Methodischer Druckguss“29.-30.11. – „Simulation von Gusseisen“
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26.10., Kassel• ESI Infotag: VPS, 8.11., Neu-Isenburg• ESI Infotag: Produkterneuerungen ProCAST, 9.11., Neu-Isenburg• ESI Infotag: PAM-STAMP im Werkzeugbau, 10.11., Neu-Isenburg
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CD-adapco – A Siemens Business, ist ein global tätiges Unter-nehmen, das Simulationssoftware für Ingenieursanwendungen entwickelt, mit einer einmaligen Vision für multidisziplinäre Designexplorationen (MDX). Die Lösungen, welche die Firma anbietet, decken u. a. folgende Bereiche ab: Numerische Strö-mungssimulation, rechnergestützte Festkörpermechanik, Wär-meübertragung, Partikeldynamik, chemisch reaktive Strömung, elektrochemische Reaktionen, Akustik und Rheologie.
door2solution auf der tekom Messe 2016 Auch auf der diesjährigen tekom präsentiert die innovative Soft- wareschmiede door2solution wieder alle Neuheiten ihrer Ersatz-teilkataloglösung door2parts – DIE Software für Ihren Online- Ersatzteilkatalog inklusive Variantenauflösung.Ein weiteres Highlight: „3D – Spiel mit der Technik: Ergebnisse ei-ner Untersuchung“. door2solution Geschäftsführer Ing. Ro-bert Siegel wird in einem gemeinsamen Fachvortrag mit Johan-nes Ritt (FH Wels), Chancen und Risiken Plug-In-freier interaktiver 3D-CAD Darstellungen im Browser näher beleuchten.
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DIGITAL ENGINEERING Magazin 07-2016
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genieure verschiedene Simulationswerk-zeuge der Hyperworks Suite von Altair, die auch in anderen Entwicklungsprojekten des Unternehmens zum Einsatz kommt. Die APWorks-Ingenieure, unter ihnen Pa-trick Schürmann, Projektingenieur für Op-timierung und Design und seit einigen Monaten der zuständige Projektingenieur für die technische Entwicklungsbegleit-ung des Light Riders, arbeiten bereits seit der Gründung des Unternehmens im Jahr 2013 mit Altair-Produkten.
„In unserem Entwicklungsprozess setz-en wir Hypermesh für die Modellierung ein. Als Solver für die FE-Analyse und die hier benötigte Topologieoptimierung verwen-den wir Optistruct und beim Post-Proces-sing kommt Hyperview zum Einsatz. Für das Redesign des Rahmens und Stylingauf-gaben soll für Folgeprojekte das Konzept-Design-Werkzeug Evolve genutzt werden – beim Light Rider setzten wir hier noch ein externes CAD-System ein. Mit Evolve könn-te dann der gesamte simulationsgetriebe-ne Designprozess innerhalb der Altair-Pro-duktfamilie stattfinden“, erklärt Schürmann den Einsatz der Altair-Werkzeuge.
Vorbereitung der OptimierungFür die ganzheitliche Optimierung ei-nes Bauteils wie der Rahmen des Light Riders müssen bestimmte Eckdaten als Randbedingungen vorliegen. So muss der Radstand ebenso bekannt sein, wie die geometrischen Positionen von Len-ker, Fußrasten und der Sitzbank. Bei der Opti mierung selbst wird der Software ein relativ großer Designraum vorgegeben, der den äußeren Abmaßen des Motorrad-rahmens entspricht.
Durch diese Angaben kennt das Com-puterprogramm die Punkte, an denen Lasten angreifen und wo das Bauteil gela-gert ist. Die Software ermittelt anschließ-end den optimalen Lastverlauf und liefert den Ingenieuren die nötigen Angaben
Additive Fertigung oder auch 3D-Druck kommt als Alternative zu herkömmlichen Fertigungsme-thoden zunehmend in vielen
Branchen der Industrie an. Gerade beim Leichtbau bietet die additive Fertigung dabei große Vorteile. So ermöglicht sie es, ein Bauteil so herzustellen, dass es nicht nur leicht, sondern gleichzeitig stabil und sehr leistungsfähig ist.
Bestes Beispiel ist hier der „Airbus APWorks Light Rider“, der weltweit erste Prototyp für ein 3D-gedrucktes Motorrad.
Der Light Rider selbst ist bei APWorks als Designstudie entstanden. Ziel war es, be-stehenden und potenziellen Kunden die vielfältigen Möglichkeiten im Bereich des metallischen 3D-Drucks aufzuzeigen. Über-geordnetes Ziel von APWorks ist, durch den Dreiklang von Reengineering, Material-optimierung und 3D-Druck völlig neuartige
Bauteile und Produkte fertigen zu können. Der Light Rider soll dies verbildlichen.
Erfolgsfaktoren Material und SimulationNeben der Topologieoptimierung war beim Light Rider das Material ein Erfolgs-faktor. Verwendet wurde Scalmalloy, eine von Airbus entwickelte, hochfeste Alumi-niumlegierung, die nicht nur korrosions-beständig ist, sondern auch das geringe Gewicht von Aluminium mit nahezu der spezifischen Festigkeit von Titan vereint.
Optisch sollte der Light Rider an einen Cafe Racer erinnern, ein zur Rennmaschi-ne umgebautes, englisches Serienmotor-rad der 1960er Jahre. Nachdem die Inge-nieure von APWorks die dafür passenden Komponenten wie Scheinwerfer, Sitz und auch Farbe ausgewählt hatten, konnten sie mit dem Design beginnen. Für die Aus-legung des Rahmens verwendeten die In-
S I M U L A T I O N S G E T R I E B E N E S D E S I G N E R M Ö G L I C H T E L E K T R O - M O T O R R A D A U S D E M 3 D - D R U C K E R
Der Light RiderDas Zusammenspiel von Topologieoptimierung, neuartigen Materialien und additiver Fertigung ermöglicht
bei der Entwicklung des Elektro-Motorrads „Light Rider“ leichte, von der Natur inspirierte Strukturen.
darüber, an welchen Stellen wieviel Mate-rial benötigt wird.Die für die Optimierung zu berücksichti-genden Lastfälle für Motorräder stammen unter anderem aus Dokumentationen – etwa Normalkräfte auf die Reifen, Reibung und viele Parameter mehr. Bei der Ausle-gung des Designs musste zusätzlich die Endmontage des Motorrads berücksich-tigt werden. Dabei spielten bestimmte Randbedingungen wie Bohrungen oder die Erreichbarkeit der Montagepunk-te eine wichtige Rolle. Schon in der Pla-nung muss daran gedacht werden, dass alle Verschraubungen erreichbar sind und am Ende ein montagefähiges Produkt ent-steht, an dem kein Detail vergessen wurde.
Die TopologieoptimierungIm Bereich Simulation und Design leistet die Topologieoptimierung wertvolle Unter-stützung. Nach der Festlegung des maximal vorhandenen Bauraums und der angreifen-den Lasten erfolgt im Anschluss die Defini-tion der Optimierungsziele. Auf diese Weise kann die Software aus Vorgaben wie bei-spielsweise ein Design mit minimaler Masse, das auch gewisse Anforderungen an Steifig-keit oder Eigenfrequenzen erfüllen soll, ei-nen optimalen Designvorschlag errechnen.
Dieser Vorschlag beruht auf bionischen Prinzipien und dient dem Konstrukteur als Vorlage für das Designkonzept. Für die ad-ditive Fertigung ist die Topologieoptimie-rung zur Designfindung auch deshalb be-sonders gut geeignet, weil die Software nur an solchen Stellen Material einplant, wo es wirklich benötigt wird, eine Vorge-hensweise, die im 3D-Druckverfahren sehr gut umgesetzt werden kann.
Mit Werkzeugen wie OptiStruct oder Inspire können Ingenieure darüber hinaus bereits beim allerersten Entwurf des De-signraums sogenannte Non-Designspaces definieren, damit die Software an diesen Stellen keine Strukturveränderungen vor-
sieht. „Unsere Ingenieure kennen sich mit den Produkten der Hyperworks Suite sehr gut aus. Wir arbeiten gerne damit, weil wir wissen, dass wir mit den gelieferten Er-gebnissen auch wirklich arbeiten können“, kommentiert Schürmann.
Mit dem Ergebnis arbeiten Nun stellt sich die Frage, wie man mit ei-nem anspruchsvollen Design, wie es das Ergebnis einer Topologieoptimierung vor-schlägt, im CAD-Programm oder beim Be-rechnungssetup umgeht. Denn nach der Optimierung wird ein Redesign des Opti-mierungsergebnisses durchgeführt, um es gegebenenfalls zu glätten. „Es gehört einiges an Know-how dazu, den Design-vorschlag aus der Topologieoptimierung umsetzen zu können, und auch die Pro-duktion erfordert eine gründliche Planung und Durchführung“, erklärt Schürmann.
Nach dem Re-Design folgt eine weite-re FE-Analyse, um noch einmal die Lasten und Spannungen oder andere wichtige Aspekte zu prüfen. Bei der Einbindung von Fertigungsrandbedingungen bietet es sich darüber hinaus an, auf Gestaltungs-richtlinienkataloge zurückzugreifen, au-ßerdem spielt die Erfahrung der beteilig-ten Ingenieure eine große Rolle.
Drucken in MetallAuch bei der Produktion des aus Metall 3D-gedruckten Rahmens musste das Mo-torrad als Ganzes betrachtet und die Ori-entierung der Bauteile im 3D-Drucker be-rücksichtigt werden. Da bisher noch kein Drucker in der Lage ist, den kompletten Rahmen zu drucken, wurden einzelne Rah-menteile produziert. Dafür wurde der Dru-cker eng gepackt und die einzelnen Tei-le so ausgerichtet, dass der Bauraum des Druckers optimal genutzt werden konnte.
Auch beim metallischen 3D-Druck gibt es trotz aller Freiheiten noch einige Randbe-dingungen, die berücksichtigt werden müs-
sen. Neben der oben erwähnten Orientier-ung der Bauteile müssen auch sogenannte Stützstrukturen berücksichtigt werden. Ge-rade beim laseradditiven Pulverbettverfah-ren mit Metallen ist dies ab einem gewissen Winkel und in Abhängigkeit der Aufbau-richtung wichtig. Die Stützstrukturen wer-den zum einen als Befestigung des Bauteils im Druckvorgang und zum anderen zur Ab-führung der Wärme des Lasers benötigt.
Revolutionäre ErgebnisseDie Symbiose aus Topologieoptimierung, neuartigen Materialien und additiver Fer-tigung als idealer Ansatz zur Nutzung des vorhandenen Gewichts- und Leistungspo-tenzials sowie ein simulationsgetriebener Designprozess spiegelt sich im Beispiel des Light Riders sehr gut wider. Die Fakten des Light Riders sprechen für sich. Das Motor-rad wiegt gerade noch 35 Kilogramm, wo-von der Rahmen 6 Kilogramm ausmacht. Ein Vier-Kilowatt-Elektromotor beschleu-nigt das Zweirad in 3 Sekunden von Null auf 45 Kilometer pro Stunde. J B I |
Mirko Bromberger ist Director Marketing und Additive Strategy bei der Altair Engineering GmbH in Böblingen.
DEN LIGHT RIDER LIVE ERLEBEN
Den Light Rider und den Entwick-lungsprozess des Rahmens präsent-ieren Altair und APWorks vom 15. bis 18. November auf der Fachmes-se Formnext in Frankfurt. Besucher können sich dort sowohl über die verwendeten Materialien, Entwick-lungswerkzeuge und -prozesse in-formieren, als auch den Light Rider selbst begutachten. Die Partnerunter-nehmen stellen in Halle 3.1 an den Ständen E50 und D51 aus.
Für die Optimierung legen die Ingenieure den Bauraum des Motorradrahmens fest.Bilder: Altair
Das Ergebnis der Topologieoptimierung in Optistruct ist eine filigrane und dennoch leistungsfähige Struktur.
Nach der Optimierung folgt das Redesign. Dabei glättet der Konstrukteur den Motorradrahmen im CAD-System.
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und den Betrieb einer solchen Anlage bei verschiedenen Wellenszenarien durch-geführt. Die Berechnungen erfolgten mit STAR-CCM+.
Das Prelude-FLNG-Projekt wurde von ei-nem Konsortium initiiert, in dem der Ener-giekonzern Royal Dutch Shell als Mehr-heitsaktionär fungiert und ist das erste seiner Art. Grundsätzlich sind die FLNG-Verarbeitungseinheiten vergleichbar mit den FSPO-Anlagen (Floating Production Storage and Offloading Unit) in der Erdöl-förderung, jedoch wird die Prelude FLNG in einem weitaus größeren Umfang arbei-ten. Das geförderte Erdgas wird auf -162 Grad Celsius gekühlt. Bei dieser Tempera-tur verflüssigt sich das Erdgas und nimmt nur noch 1/600 des Volumens ein. Die Lagerung, Ladung und der Weitertrans-port in Flüssigerdgas-Tankern (LNG) ver-einfacht sich durch das verflüssigte Gas erheblich.
Einsatz bei rauen WetterbedingungenUm das gesamte Potenzial dieser Techno-logie ausschöpfen zu können, muss man raue Wetterbedingungen, zum Beispiel Stürme und schwere See, besonders be-rücksichtigen. Die Schiffsverbandteile müssen gegen die enormen auftreten-den Belastungen widerstandsfähig sein und der Betrieb, einschließlich Andocken und Laden von LNG-Tankern muss sich so störungsfrei wie möglich abwickeln lassen.
Um detaillierte Informationen über die erwarteten Bedingungen zu erhalten und einen störungsfreien Betrieb zu gewähr-
Die weltweit erste schwimmen-de Flüssig-Erdgas-Förderanlage FLNG Prelude hat das Potenzial, die Erschließung konventioneller
Erdgas-Ressourcen zu revolutionieren. Sie befindet sich 475 Kilometer vor der West-küste Australiens und ist mit einer Länge von 488 Metern, einer Breite von 74 Me-tern und einem Gewicht von rund 600.000 Tonnen die größte jemals gebaute Off-shore-Anlage.
Sobald sie in Betrieb geht, wird die FLNG-Technologie (schwimmende Flüssig-
gastechnologie) dazu beitragen, die Verar-beitung und Lagerung von frisch geför-dertem Erdgas zu ermöglichen, bevor es auf LNG-Tanker umgelagert wird. Damit lassen sich Offshore-Ressourcen erschlie-ßen, deren Ausbeute bisher zu teuer oder zu schwierig war. In einer wissenschaftli-chen Studie durch das Australian Mariti-me College (AMC) – ein auf Seefahrt und Schiffstechnik spezialisiertes Institut der University of Tasmania – wurde eine nu-merische Simulation zur Untersuchung der Auswirkungen auf die Bewegungen
S I M U L A T I O N E I N E R F L N G - A N L A G E B E I W E L L E N G A N G
Perfekte Wellen simulierenDas Australian Maritime College (AMC) hat in einem Projekt mit numerischer Simulation und experimenteller Validierung
die Verhaltensweise von großen FLNG-Anlagen auf dem Meer analysiert. Damit erhielt man detaillierte Informationen über
die zu erwartenden Bedingungen – wichtige Voraussetzungen für einen störungsfreien Betrieb. Als Simulationssoftware
kam STAR-CCM+ von CD-adapco zum Einsatz. VON DR. MAX HAASE UND YUTING JIN
leisten, hat AMC in einem wissenschaftli-chen Projekt mit numerischer Simulation und experimenteller Validierung die Ver-haltensweise derartig riesiger FLNG-Anla-gen auf dem Meer analysiert.
Mehrjähriges ForschungsprojektDieses dreijährige Forschungsprojekt be-gann im März 2014. Die erste Phase ist nun abgeschlossen. Dabei wurden die Auswir-kungen durch die verschiedenen Wellen-frequenzen auf die Bewegungsreaktion der FLNG-Anlage untersucht.
In der zweiten Phase, die derzeit noch im Gange ist, untersuchten die Wissen-schaftler die betrieblichen Aspekte der Anlage. Der Schwerpunkt lag dabei vor al-lem auf der Wechselwirkung zwischen der FLNG-Anlage und den viel kleineren LNG-Tankern und Versorgungsschiffen wäh-rend dem Einfahren und Anlegen. Dazu gehört das Auftreten von Frequenzen, die stampfende und rollende Bewegungen sowie unerwünschte Resonanzwellen ver-ursachen.
Das Projekt wurde von Yuting Jin, der als Doktorand am AMC arbeitet, durchge-führt. Sein Ziel ist die Bereitstellung von spezifischen Informationen zur Unterstüt-zung folgender Zielbereiche:• Planung: Festlegung von Design-Konfi-
gurationen, die sich für kritische Bedin-gungen eignen.
• Betrieb: Entwicklung von wirksamen Verfahren für sichere Betriebsabläufe.
• Crew-Schulung: Bereitstellung von prä-zisen und praktischen Schulungen für die Crew.
CFD-Simulationen bei AMC SearchDas Australian Maritime College hat sich auf Seetransport und Schiffstechnik spe-zialisiert. Das Institut verfügt über ein um-fangreiches Sortiment an Testausrüstun-gen. Dazu gehören ein 100 Meter langer Schlepptank, ein Umlaufwassertank, ein Kavitationstunnel und ein Modelltest-becken mit den Maßen 12 mal 35 Meter. Außerdem hat es Zugang zu einer Rechen-kapazität von über 1.500 Kernen.
Seit über 30 Jahren stellt AMC Search, der kommerzielle Zweig des Instituts, der Schifffahrtsindustrie in Australien, Neu-seeland und in der ganzen Welt das erar-beitete Wissen und die entwickelten Tech-niken aus Forschung und experimenteller Erprobung zur Verfügung. Dr. Max Haase ist für die Umsetzung der CFD-Simulatio-nen in kommerziellen Projekten verant-
wortlich. Er betont, dass aufgrund von steigenden Anforderungen im Bereich Leistungsbeurteilung und Design-Opti-mierung, die sich nicht durch zeitgerechte und kostengünstige Modellprüfungen er-reichen lassen, CFD in den letzten Jahren eine zunehmend wichtigere Rolle spielt. Bei AMC Search ist STAR-CCM+ dank sei-ner vielseitigen Simulationsfähigkeiten, der Benutzerfreundlichkeit und Rechen-geschwindigkeit die bevorzugte Wahl für CFD-Studien.
Schlepptank versus Simulation Schlepptanks werden seit über 150 Jahren als zuverlässiges Werkzeug für das Design von Schiffen und für die Optimierungs- und Leistungsbeurteilung eingesetzt. Im Laufe der Zeit bewährten sich die ver-wendeten Verfahren und erzielen einen hohen Grad an Genauigkeit. Ein Modell-versuch ist jedoch erst in einer späteren Entwicklungsphase, wenn das Design und die Konstruktion bereits weit fortgeschrit-ten sind, verfügbar. Zudem können sich die Konstruktion und die Änderung ei-nes vorgeschriebenen, maßstabgetreuen Modells als zeitaufwändig und teuer er-weisen. Insgesamt ist die Flexibilität und Innovationsfähigkeit, die in den heutigen Entwicklungszyklen verlangt wird, durch den alleinigen Einsatz von Schlepptanks begrenzt. Zudem sind sie auf maßstab-getreue Modelle, die im Vergleich zu den Schiffen in voller Größe wesentlich klei-ner sind, begrenzt und können die Un-tersuchung von innovativen Designs ein-schränken.
Daher neigen Ingenieure zunehmend dazu, numerische Simulationen zur Beur-teilung von komplexen Systemen in einer
Bild 1: Der Schiffsrumpf der Prelude FLNG wird ins Wasser gelassen, Geoje, South Korea, 2013. Bild: Shell International Ltd.
Bild 2: Modelltest-experiment im
AMC-Modelltest-becken.Bild: AMC
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on auswirkt. Hierbei geht es vor allem dar-um, wie sich Resonanzwellen zwischen den verschiedenen Schiffsrümpfen vermeiden lassen, wie sich die stampfende Bewegung der beteiligten Schiffe regeln lässt und ob man Vorschriften einführen muss, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Ausgezeichnete ÜbereinstimmungDer Vergleich zwischen der Simulation und den Modellversuchsergebnissen bei einem Modell im Maßstab 1:100 zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung über den gesamten Frequenzbereich hin-weg. Dabei werden die Auswirkungen ei-ner begrenzten Wassertiefe vor allem bei der Stampfbewegung der FLNG für Wellen mit niedrigen Frequenzen hervorgehoben (siehe Abbildung 4).
Die Studie von AMC Search hebt die Ver-wendung von CFD-Simulationen hervor und zeigt auf, wie die Simulationen Inge-nieure bei ihren Entscheidungen – sowohl hinsichtlich des Schiffsrumpf-Designs und der Layout-Konfigurationen als auch bei den Betriebsabläufen von Schiffen – un-terstützen können.
AMC Search verwendet die Ergebnis-se, um Empfehlungen und Betriebsleitli-nien für drei Zielbereiche auszuarbeiten: Planung, Betriebsabläufe und Crew-Schu-lung. Gemäß Dr. Max Haase ist dieses Pro-jekt auch aus einem anderen Grund wert-voll: „Eine erhöhte Aufmerksamkeit wird im bisher eher konservativen maritimen Bereich auf die CFD-Technologie gelegt. Dessen ungeachtet, hat CFD sein bedeu-tendes Potenzial für die Marine-Industrie in Australien gegenüber Europa mit zahl-reichen Modellversuchsbecken, Organisa-tionen und Dienstleistern noch nicht ent-faltet. Wir sind davon überzeugt, dass wir mit diesem Projekt die Leistungsfähigkeit und die Anwendungsvielfalt von CFD-Simulationen demonstrieren und einen wichtigen Meilenstein in der Etablierung dieser Methode für Marineanwendungen setzen konnten.“ R T |
viel früheren Phase des Design-Prozesses zu verwenden. Simulationssoftware wie STAR-CCM+ hat sich als genauso präzise erwiesen wie Versuche im Schlepptank und ermöglicht auf der Grundlage realis-tischer Annahmen eine Simulation von Schiffen und Offshore-Plattformen in vol-ler Größe. Dadurch lassen sich gewisse Un-sicherheiten, die durch den Skalierungs-prozess entstehen, eliminieren. Versuche in Modellbaugröße sind allerdings auch weiterhin von Bedeutung, sowohl zum Nachweis der Robustheit der Software, als auch zur Prüfung der Gültigkeit von An-nahmen, auf die man bei der Durchfüh-rung von verschiedenen Design-Untersu-chungen angewiesen ist.
SimulationsszenarienDie Abmessungen des Rechengebiets für die Berechnungen im Originalmaßstab be-trugen 3.000 mal 800 Meter. Für diese Be-rechnungen wurden – abhängig von der zu untersuchenden Wellenfrequenz – Rechen-gitter mit vier bis zwölf Millionen Zellen verwendet. Insgesamt führten die Experten 40 Berechnungen durch. Der Zeitaufwand für diese Berechnungen mit 48 und 64 Ker-nen betrug rund 700 Stunden. Obwohl die Prelude FLNG in Wassertiefen zwischen 200 und 300 Metern arbeitet, wurde die Simulation in Wassertiefen von 80 und 800 Metern durchgeführt, um die Auswirkun-gen im Flachwasser zu prüfen, die während Schleppversuchen auftreten und zu Unge-nauigkeiten führen können.Folgende Funktionen von STAR-CCM+ kamen zum Einsatz:• Overset-Rechengitter: Die Overset-
Rechengitterfunktion ermöglichte eine einfache Positionierung des LNG-Tan-kers in der Umgebung der FLNG-Anla-ge, um beispielsweise die Auswirkungen des Einfahrens und Anlegens (wie Reso-nanzwellen) zu analysieren.
• Bewegungsmodell: Das DFBI-Modell (DFBI – dynamische Wechselwirkung zwi-schen Strömung und Körper) kam für die Berechnung der Wechselwirkung zwi-schen Wellen und den Bewegungen des Schiffs zum Einsatz.
• Wellenmodell: Das nichtlineare Wellen-modell fünfter Ordnung nach Stokes wurde aufgrund seiner genauen Darstel-lung von Wellenbewegungen im offenen Wasser verwendet. Die auf vier Meter ein-gestellte Wellenhöhe wurde anhand der BMT Global Wave Statistics für das betref-fende Meeresgebiet festgelegt. Um eine unerwünschte Wellenreflexion zu ver-meiden, legte man ein besonderes Au-genmerk auf die Wellendämpfung.
• VOF-Modell: Das Volume-of-Fluid-(VOF)-Mehrphasenmodell wurde zur Erfassung der Schnittstelle zwischen Wasser und Luft angewendet und zeigt die Wechsel-wirkung zwischen dem Rumpf und der freien Oberfläche an.
Die Simulationen zeigten, dass die Nach-laufströmung der FLNG über den Meeres-wellen liegt und eine relativ ruhige Fläche darstellt. Bei Hochfrequenz-Meereswellen bilden sich rund um die FLNG steile Wel-len (mit tiefen Wellentälern und spitzen Wellen kämmen).
Man führt im Institut weitere Untersu-chungen durch, um zu bestimmen, wie sich das Anlegen von LNG-Tankern und Versorgungsschiffen auf diese Konfigurati-
Bild 4: Stampfrate der FLNG, die durch Simulationen und Experimente abhängig von der Wellenfrequenz berechnet wurde.Bild: AMC
Bild 3: Analyse der Bewegungsreakti-on der FLNG-Anla-ge in STAR-CCM+.Bild: AMC
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Anwender schließlich größtmögliche Bedienerfreundlichkeit bieten.
Ist die Sicherheit überdimensioniert, behindert das unnötig die Anwender-freundlichkeit und Manipulationen sind vorprogrammiert. Das Prinzip „Viel hilft viel“ funktioniert in der Sicherheitstech-nik nicht. Daher ist das Umgehen von Schutzeinrichtungen zentraler Punkt der EN ISO 14119 „Sicherheit von Maschinen – Verriegelungseinrichtungen in Verbin-dung mit trennenden Schutzeinrich-tungen – Leitsätze für Gestaltung und Auswahl“. Die seit 2014 gültige Norm de-finiert Leitsätze für die Gestaltung und Auswahl von Schutztürsystemen und gibt damit den Konstrukteuren konkrete Hilfe-stellung. Im Vergleich zur Vorgängernorm EN 1088 berücksichtigt die EN ISO 14119 zusätzliche Technologien wie RFID oder elektromagnetisch wirkende Zuhaltun-gen, klassifiziert Verriegelungsschalter und macht klare Vorgaben für den Einbau von Schutzeinrichtungen.
Anreize zur Manipulation vermeidenMit Blick auf das Thema Manipulation for-dert die ISO 14119 dazu auf zu überprüfen, ob es „Anreize auf Umgehen“ der Verriege-lungseinrichtung gibt. Oberste Priorität ist, Maschinen so zu konstruieren, dass man erst gar nicht manipulieren muss. Und wenn sich potenzielle Manipulationsquel-len nicht ausschließen lassen, dann muss dem Bediener eine Manipulation so schwer als irgendwie möglich gemacht werden, zum Beispiel durch verdeckte Anbringung von Verriegelungen oder mittels Spezial-schrauben, mit der diese montiert sind.
Es liegt in der Natur des Menschen, dass er stets versuchen wird, in ei-nen Prozess einzugreifen, wenn dieser nicht so abläuft, wie es für
ihn optimal ist. Barrieren an Maschinen können von Werkern als hinderlich für den Erfolg ihrer Arbeitsaufgabe angese-hen werden. Dagegen wird die unter Um-gehung der vorgesehenen Sicherheits-maßnahmen weniger aufwändige Arbeit als Erfolg erlebt.
Das Bewusstsein für die Gefahr sinkt, je länger mit derart manipulierten Ein-richtungen gearbeitet wird. Verschiede-ne Untersuchungen belegen einen Zu-sammenhang zwischen dem Umgehen von Schutzeinrichtungen und Unfällen an Maschinen. Geschätzt wird, dass 25 Pro-zent aller Unfälle auf Manipulation zurück-zuführen sind. Laut einer Befragung des
Hauptverbandes der gewerblichen Berufs-genossenschaften wird mehr als jede drit-te Schutzeinrichtung dauerhaft oder vorü-bergehend manipuliert.
Beweglich trennende Schutzeinrichtun-gen sind besonders häufig Gegenstand von Manipulationen. Sie trennen Mensch und Maschine, um vor gefahrbringenden Bewegungen zu schützen. Das Bedienper-sonal muss Schwenk- und Schiebetüren, Hauben oder Klappen zu Betriebs- oder Montagezwecken immer wieder öffnen – das ist mit Aufwand verbunden, den der Bediener minimieren will.
Sicherheit richtig dimensionierenEin intelligentes Sicherheitskonzept muss den geforderten Grad an Sicherheit, für den Konstrukteur genügend Freiraum und Gestaltungsspielraum und für den
S C H U T Z E I N R I C H T U N G E N D I M E N S I O N I E R E N U N D G E G E N M A N I P U L A T I O N S C H Ü T Z E N
Türsteher gegen ManipulationEine Herausforderung im Maschinenbau liegt darin, das Spannungsfeld zwischen Sicherheit, Produktivität
und Ergonomie von Maschinen und Anlagen zu lösen. Gelingt das nicht, sind häufig Manipulationen an
Schutzeinrichtungen die Folge. Um den Zutritt zu Gefahrenbereichen sicher und wirtschaftlich zu regeln,
kommen in der IndustrieSchutztürsysteme zum Einsatz. VON MARTIN BELLINGKRODT
Mir dem neuen Schutztür-system PSENmlock kann eine Schutztürüberwa-chung und sichere Zuhal-tung bis PL e umgesetzt werden. Es kommt bei der Überwachung von Schutz-einrichtungen an Ma-schinen mit gefährlichem Nachlauf zum Einsatz.
Ausgehend von der bestimmungsgemä-ßen Verwendung gilt es, sämtliche relevan-ten Gefährdungen zu ermitteln – unter Be-rücksichtigung aller Lebensphasen nach dem erstmaligen Bereitstellen auf dem Markt. Dabei werden alle unterschiedli-chen Personengruppen wie etwaBedie-nungs-, Reinigungs- oder Wartungsper-sonal, die mit der Maschine in Berührung kommen, beachtet. Für jede Gefährdung wird das Risiko eingeschätzt und bewer-tet. Maßnahmen, die das Risiko reduzie-ren, werden nach dem Stand der Technik und unter Beachtung der harmonisierten Normen festgelegt. Ein intelligentes Si-cherheitskonzept muss schließlich sowohl einen größtmöglichen Freiraum und Ge-staltungsspielraum als auch den höchst-möglichen Grad an Sicherheit bieten.
Wesentliche Bedeutung haben dabei die Zugänge zur Maschine beziehungs-weise zum Prozess. Diese müssen gegen unbefugtes Öffnen zu sichern sein und unzweifelhaft sicherstellen, dass sich beim Start der Maschine keine Personen im Ge-fährdungsbereich aufhalten.
Flexibler TürwächterIn der Vergangenheit haben verschleißbe-haftete und exponierte Verriegelungen für Anreize zur Manipulation gesorgt, da die Zuverlässigkeit gerade bei häufiger Betä-tigung eingeschränkt ist. Neue Produkte werden kompakter gestaltet und sind ver-schleißfrei wie etwa das sichere Schutz-türsystem PSENmlock von Pilz. Es bietet Verriegelung und sichere Zuhaltung in ei-nem Produkt. Mit einer Zuhaltekraft von 7500 N und einer integrierten Rastkraft
von 30 N verhindern PSENmlock unbe-absichtigtes oder mutwilliges Öffnen der Schutzeinrichtung. Die integrierte Wieder-anlaufsperre verhindert zudem ein verse-hentliches Aktivieren der Zuhaltung, ohne dass separates Zubehör benötigt wird. Produkte wie PSENmlock entwickeln sich dank flexibel gelagertem Betätiger auch robuster in ihren Anwendungen, so dass die Toleranz gegenüber Türabsenkungen zum Beispiel gesteigert und die Maschi-nenanlage höher verfügbar ist.
Besondere Beachtung mit Blick auf die Sicherheit verdienen Maschinen mit gefährlichem Nachlauf, wo gefahrbrin-gende Bewegung auch nach dem Aus-schalten stattfinden kann. Dort ist die Verwendung einer sicheren Zuhaltung unbedingt notwendig, die ausschließlich bei einer sicheren Stillstandserkennung oder nach einer sicheren Verzögerungs-zeit deaktiviert werden darf. PSENmlock eignet sich für solche Maschinen, bei de-nen zusätzlich eine sichere Zuhaltung bis PL d oder PL e notwendig ist. Dabei han-delt es sich um Maschinen, die nach dem Stoppsignal noch eine Gefahr darstellen. Dazu gehören beispielsweise Werkzeug-maschinen, rotierende Messer, Schwin-gräder oder Roboterzellen. PSENmlock bietet hier dank der sicheren Zuhaltung bis zu höchsten Sicherheitskategorie PL e eine optimale Lösung.
PSENmlock kann dank der schmalen Bauform und den drei Betätigungsein-richtungen flexibel eingesetzt und einfach montiert werden. Daneben besitzt das Si-cherheitssystem LEDs an drei Seiten des Gehäuses und bietet so eine gut sichtbare Diagnose in eingebautem Zustand. Durch die spannungslose Zuhaltung anhand ei-nes bistabilen Magnets wird der Energie-verbrauch gesenkt.
Sicherheit, die Schutz und Produkti-vität in Einklang bringt, entsteht, wenn technische und organisatorische Maß-nahmen zusammenwirken. Je früher und enger Konstrukteure und Anwender ge-meinsam an einem Projekt arbeiten, des-to leichter können Manipulationen ver-hindert werden. Im Dialog entstehen die besten Lösungen. A K |
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Bei Öffnung einer Schutztür müssen gefahrbringen-de Maschinenbewegungen gemäß EN 14119 still-gesetzt und das Wiederanlaufen verhindert werden. Dabei dürfen die Schutzeinrichtungen weder zu umgehen noch manipulierbar sein.
Martin Bellingkrodt, Produktmanager für Sicherheitssensoren bei Pilz.
DIGITAL ENGINEERING Magazin 07-2016
powerMELA bietet den Vorteil, dass der Hochleistungsantrieb mit integriertem Frequenzumrichter wahlweise als Gene-rator oder als Motor funktioniert und sich daher für hybride und vollelektrische An-wendungen gleichermaßen eignet. Im ers-ten Fall erzeugt ein Dieselmotor mit Hilfe des Generators eine Gleichspannung, wel-che in das Bordnetz eingespeist wird und angeschlossene Elektromotoren antrei-ben kann. Bewährt hat sich diese Varian-te schon seit längerem in hybriden Land-maschinen oder Nutzfahrzeugen. Auch in rein elektrischen Fahrzeugen wurde der Antrieb bereits erfolgreich integriert. Weil die Route immer gleich bleibt und sich damit der Energiebedarf sehr genau be-rechnen lässt, eignen sich zum Beispiel Linienbusse besonders gut für den Einsatz mobiler Antriebe. Prinzipiell ist es – wie auch im industriellen Bereich – wichtig, bereits von Beginn an bei der Konstrukti-on der Antriebe Parameter wie Leistungs-bedarf oder Umweltanforderungen zu be-rücksichtigen.
Besondere UmgebungsbedingungenZu den bedeutendsten Unterschieden zwischen der industriellen und der mobi-len Antriebstechnik gehören die Umwelt-einflüsse. Schwankende Umgebungsbe-dingungen sind bei mobilen Antrieben eher die Regel als die Ausnahme und kön-nen sogar in extreme Bereiche abweichen. Im mobilen Einsatz ist mit stark erweiter-ten Temperaturspannen zu rechnen. Der im allgemeinen Fahrzeugbau geforderte Temperaturbereich reicht von -40 Grad
Fahrzeuge mit elektrischer Antriebs-technik bewegen sich bereits in zahlreichen Umgebungen und sind dabei den unterschiedlichsten Ein-
flüssen ausgesetzt. Ein Pistenbully im Hochgebirge hat unter völlig anderen Be-dingungen zu funktionieren als ein elek-trischer Bus im Stadtverkehr oder gar ein Hybridschiff. Mobile Antriebe müssen auf diese Gegebenheiten eingestellt werden und sollten dabei möglichst flexibel ein-setzbar sein. Baumüller und Sensor-Technik Wiedemann haben das Antriebskonzept powerMELA mittlerweile in den drei ver-schiedenen Leistungsklassen 140 kW, 80 kW und 40 kW im Angebot, so dass das An-
wendungsspektrum über Hauptantriebe für große Fahrzeuge bis hin zu Hilfsantrie-ben, wie Lüfterantriebe oder Anhängeran-triebe, reicht. Für den kleineren Leistungs-bereich, zum Beispiel in Erntehelfern, der Intralogistik oder als Nebenantriebe, setzt der Antriebstechnik-Anbieter seine Schei-benläufermotoren ein, die besonders flach gebaut sind. Zusammen mit dem Regler b maXX mobil steht somit für Radnaben-antriebe eine hochdynamische und kom-pakte Komplettlösung zur Verfügung. Beim Bau hybrider Binnenschiffe haben sich DST2-High-Torque-Elektromotoren für den Antrieb der Schiffsschrauben als effizient und umweltschonend erwiesen.
K O M P A K T E S A N T R I E B S K O N Z E P T P O W E R M E L A
Know-how für die E-MobilitätSteigende Rohstoffpreise und die Sorge vor dem Klimawandel lenken das Auge der Öffentlichkeit immer weiter in
Richtung E-Mobilität. Der Nürnberger Antriebsspezialist Baumüller nutzt seine langjährige Erfahrung aus der Entwicklung
von Elektromotoren für die mobile Antriebstechnik. Das Unternehmen bietet Lösungen und Komponenten für den Einsatz
in mobilen Nutzfahrzeugen, der Intralogistik, Pedelecs und Schiffen und treibt unter anderem mit dem System powerMELA
die mobile Antriebstechnik voran. VON HANS-JÜRGEN BRAUNEISER UND SUSANNE AUFMUTH
050 | ANTRIEBSTECHNIK | Elektrische Antriebssysteme in Fahrzeugen
Elektrische Fahrzeugantriebe müssen oft anspruchsvolle Umgebungsbedingungen meistern, beispielsweise beim Einsatz in einem Pistenbully.
DIGITAL ENGINEERING Magazin 07-2016
Elektrische Antriebssysteme in Fahrzeugen | ANTRIEBSTECHNIK | 051
Celsius bis +85 Grad Celsius, in manchen Fällen kann die Umgebungstempera-tur auch noch höher sein, beispielsweise wenn der Motor beziehungsweise Gene-rator direkten Kontakt zu einem Verbren-nungsmotor hat.
Auch eine hohe Luftfeuchtigkeit müs-sen Maschinenbauer einplanen. Diese be-wirkt eine Betauung des Motors, die sich nicht vermeiden lässt und geeignete Ab-dichtmaßnahmen sowie einen Luft- und Luftdruckaustausch zwischen der Umge-bung und dem Motorinneren erfordert.
Der Motor muss durch eine hohe Schutz-art für die hohen Umweltbelastungen bei mobilen Maschinen geeignet sein, un-ter denen etwa auch die Staub belastung eine Rolle spielt. Es gilt aber auch andere Komponenten, zum Beispiel die Wellen-durchführung, vor Staub zu schützen, was durch geeignete Maßnahmen erfolgt, etwa durch Wellendichtringe.
Unterschiede in der mechanischen AuslegungTemperatur, Luftfeuchtigkeit oder Staub sind bei weitem nicht die einzigen Fakto-ren, die auf Fahrzeugmotoren einwirken. Deshalb ist es empfehlenswert, eine hohe Schutzart anzustreben. In Industrieantrie-ben variiert diese abhängig von der An-wendung meist zwischen IP23 und IP67. In vielen Fällen kann bei Fahrzeugantrieben ebenfalls die Schutzart IP65 ausreichen, bei freistehenden Antrieben ist allerdings auch die notwendige Forderung nach IP-6K9K zu beachten: „6K“ bedeutet laut der Norm DIN 40050 (Teil 9) des Deutschen In-stituts für Normung „staubdicht“ und „voll-ständiger Schutz gegen Berührung“, „9K“ steht für „Schutz gegen Wasser bei Hoch-druck-/Dampfstrahlreinigung, spezifisch für Straßenfahrzeuge“.
Da Fahrzeuge ständigen Erschütterun-gen ausgesetzt sind, ist auch die Schwing- und Schockbelastung ein wichtiger Punkt. Die Klassifizierung der Umgebungsbedin-gungen findet auf Grundlage der Europä-ischen Norm EN 60721 statt. Industriemo-toren müssen gemäß EN 60068 getestet werden. Hier wird für Schwingbelastung eine sinusförmige und für Schockbelas-tung eine halbsinusförmige Anregung vorgegeben. Fahrzeugantriebe werden dagegen nach ISO 16750 getestet, wobei man von einer Belastung mit Rauschen (überlagerten Schwingungen) ausgeht.
Großen Einfluss hat bei mobilen Antrie-ben das Motorgewicht. Jedes Kilo zählt,
denn letztendlich muss alles an Mehrge-wicht mit beschleunigt oder abgebremst werden. Im Anwendungsbeispiel der voll-elektrischen Busse bringt powerMELA mit einer Leistung von 140 Kilowatt zusammen mit dem Getriebe nur 300 Kilogramm auf die Waage. Durch die kompakte Bauweise des Elektromotors und den ohne großen Verkabelungsaufwand direkt aufgebau-ten Umrichter beansprucht das Antriebs-konzept nur wenig Bauraum, was dem begrenzten Platzangebot in Fahrzeugen entgegenkommt. Auch die Scheibenläu-fer DSM eignen sich durch ihre besonders flache und kompakte Bauform optimal für den Einsatz in mobilen Maschinen.
Drehmomentauslegung anhand des FahrzyklusUm Antriebe zu dimensionieren, müssen Drehmomente und Drehzahlen bekannt sein. Bei Industrieanwendungen berech-net man diese Daten durch Kenntnis des Belastungszyklus. Mit geeigneten Ausle-gungsprogrammen werden der richtige Motor und der richtige Umrichter ermit-telt. Bei Fahrzeugantrieben geht man ähn-lich vor, anstatt des Belastungszyklus ist allerdings der Fahrzyklus entscheidend für die Motorgröße. Zur Bestimmung der Reichweite eines Fahrzeugs werden die ECE-Norm R101 und der Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ) herangezogen, der ei-nen Zyklus für Stadtbetrieb und einen für außerstädtische Fahrt vorgibt. Anhand der daraus hervorgehenden Daten lassen sich Drehzahlen und Drehmomente berech-nen, wobei Besonderheiten wie Anfahren am Berg oder Anhängelasten ebenfalls zu berücksichtigen sind.
Wahl der geeigneten KühlungWas die Kühlung betrifft, so kommen in der Fahrzeugtechnik Kühlarten aus dem industriellen Bereich zum Einsatz.
Eine Selbstkühlung eignet sich auf-grund der niedrigen Leistungsdichte nur für Anwendungen mit kürzerer Einschalt-dauer, beispielsweise für Antriebsmotoren von E-Bikes. Da der Einbau abgeschirmt ist, treten für den Benutzer an der berühr-baren Oberfläche keine gefährlichen Tem-peraturen auf.
Luftkühlungen mit Fremdlüftung sind im mobilen Bereich nicht gängig, weil sich Pro-bleme mit der Schutzart ergeben können.
Setzt man eine Wasserkühlung ein, so ist die Kühlmitteltemperatur im industriel-len Bereich in der Regel geringer und die
Dichtungen unterliegen weniger starken Belastungen. Bei Fahrzeugen sieht die Si-tuation anders aus, denn je nach Anwen-dung fällt die Kühlmitteltemperatur häu-fig höher aus. Die Dichtungen werden dadurch höheren Belastungen ausgesetzt. Dies ist bei der Wahl der Dichtungsmateri-alien zu berücksichtigen. Bei Minusgraden können geeignete Additive, zum Beispiel Glykol, das Einfrieren des Kühlwassers ver-hindern. Dass solche Additive die spezifi-sche Wärmekapazität des Wassers herab-setzen, müssen Maschinenbauer bei der Auslegung der Kühlleistung beachten.
Eine beliebte Kühlart im elektrisch mo-bilen Fahrzeugbau ist die Ölkühlung, da sie eine sehr hohe Leistungsdichte er-möglicht. Im System powerMELA wird der Motor direkt mit Öl gekühlt, wodurch die Dauerlastfähigkeit des Antriebs bis zu 90 Prozent der verfügbaren Maximalleistung beträgt. Die Verwendung von elektrisch isolierendem Öl erwirkt dabei einen effek-tiven Betrieb selbst unter schwierigen Um-gebungsbedingungen. R T |
Das kompakte Antriebskonzept powerMELA besteht aus einem Hochleistungsantrieb mit integriertem Frequenzumrichter und arbeitet wahlweise als Motor oder Generator.
Der Regler b maXX mobil von Baumüller ist speziell auf die An-forderungen in mobilen Anwendungen ausgelegt und erfüllt die geforderten Anforderungen in Bezug auf Umweltbelastungen wie Temperaturbeständigkeit und Vibrationsfestigkeit. Bilder: Baumüller
Perfektion für schnelles, effizientes und produktives Arbeiten!
Die InterCAM-Deutschland GmbH ist der deutsche Distributor der leistungs-starken CAD/CAM-Lösung Mastercam. Der modulare Aufbau ermöglicht den zielgenauen Einsatz der Software, abgestimmt auf die Bedürfnisse des An-wenders. Mastercam bietet Fräsen in 2 bis 5 Achsen, Drehen, Drahten, künst-lerische Reliefbearbeitung, 2D- und 3D-Design, Flächen- und Solid-modeling und somit alles für den Werkzeug-, Formen- und Maschinenbau sowie für die Holz-, Stein- und Kunststoffbearbeitung. Mit aktuell über 200.000 Installa-tionen ist Mastercam das weltweit meisteingesetzte System auf dem Markt PC-basierter CAM-Software.
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SCHOTT SYSTEME GmbH ist ein auf CAD/CAM, Computergraphik und Pro-duktions-IT spezialisiertes Unternehmen, das seit über 30 Jahren modulare, kostengerechte Softwarelösungen für Design, Konstruktion und Fertigung entwickelt.
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066 | VORSCHAU | Ausgabe 8/16 – erscheint am 18. November 2016
DIGITAL ENGINEERING Magazin 07-2016
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ISSN 1618-002X, VKZ B 47697Dieses Magazin ist umweltfreundlich auf chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.
Außerdem erscheinen bei der WIN-Verlag GmbH & Co. KG: Magazine: AUTOCAD & Inventor Magazin, DIGITAL MANUFACTURING, e-commerce Magazin, digitalbusiness CLOUD & IoTPartnerkataloge: AUTOCAD & Inventor Solution Guide, DIGITAL ENGINEERING SOLUTIONS, IBM Business Partner Katalog
Weitere Themen: Hardware: Virtualisierungs-Lösungen Antriebstechnik Virtual Reality in der Automobilindustrie
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IM NÄCHSTEN HEFT
SPS IPC Drives und Automation
Die SPS IPC Drives liefert Jahr für Jahr einen um-fassenden Überblick über die einzelnen Kompo-nenten sowie komplette Lösungen der elektri-schen Automatisierung. Über 1.600 Aussteller zählt die diesjährige Ausgabe, die vom 22. bis 24. November in Nürnberg stattfindet. Wir schauen uns im Rahmen der kommenden Aus-gabe schon im Vorfeld in der Branche um und schauen, was es neues gibt und welche Trends sich abzeichnen.
Strategien für den Leichtbau
Das Umfeld, in dem sich Produktentwickler be-wegen, wird zunehmend komplexer: Richtlinien und Gesetze werden enger gefasst, der Kunde stellt höhere Anforderungen und zugleich darf die Entwicklung immer weniger Zeit beanspru-chen. Und ach ja, leichter soll das Fahrrad, das Flugzeug oder die Maschine auch noch werden. Wie man trotzdem den Kopf behält zeigen wir in der kommenden Ausgabe mit einem Schwer-punkt zum Thema Leichtbaustrategien.
MedizintechnikTechnik für Medizin und Gesundheit ist eine Zukunftstechnologie und gleichsam eine der wichtigsten Wachstumsbranchen. Industrie-konzerne und mittelständische Unternehmen investieren in dieses Gebiet viel Zeit und Geld. Ob intelligentes Implantat oder biokompatib-ler Werkstoff. Ob Simulation oder Vitrual Reality. Ob Komponente oder System. In der kommen-den Ausgabe wenden wir uns diesem mitunter existenziellen Thema zu.
