VariKa: Durchgängig vernetztes Produkt- und Produktionsengineering für skalierbare Leichtbaulösungen

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Effiziente Entwicklung und Fertigung variantenreicher Karosseriemodule

Die Automobilentwicklung ist durch eine hohe Anzahl von leistungsfähigen Fahrzeugderivaten geprägt. Bei Elektrofahrzeugen verstärkt der relativ große Massebeitrag der Traktionsbatterie den Bedarf an Leichtbaulösungen für Karosseriemodule.

Wir haben aus diesem Grund mit vier Partnern an einem Konzept gearbeitet, das eine effiziente Entwicklung und Fertigung variantenreicher ultraleichter Karosseriemodule ermöglicht. Am Beispiel eines Batterieträgers wurden innovative Engineering-Methoden wie Topologie-Optimierung, Generative Design sowie ein Fügeprozess ohne stationäre Vorrichtung als durchgängig vernetzte digitale Prozesskette realisiert.

Für eine effiziente Fertigung werden die Vorteile von additiv und konventionell hergestellten Strukturelementen kombiniert: individualisierbare Knoten werden 3D-gedruckt und können damit deutlich schneller beschafft werden als bisher; standardisierte, konventionell gefertigte Strangpressprofile sind am Markt kurzfristig verfügbar und erfordern nur einen geringen Bearbeitungsaufwand vor dem Fügen.

Die Strukturknoten repräsentieren konsequenten Leichtbau in Verbindung mit einem hohen Maß an Funktionsintegration. Die erhebliche Massereduktion wurde mittels bionischer Topologie-Optimierung erreicht. Parallel wurden in Kreativ-Workshops Ansätze für Funktionsintegrationen erarbeitet, die die Stärken der additiven Fertigung vorteilhaft nutzen und so die Anzahl der zu fügenden Einzelteile erheblich senken.

Mit Generative Design Software wurde die Grundlage für die hocheffiziente Generierung späterer Bauteilvarianten geschaffen. Schließlich entstand durch konsequente Vernetzung des Produkt‑ mit dem Produktionsengineering eine digitale Gesamtprozesskette: Bei einem Variantenwechsel in der Fertigung sind nur noch Datensätze zu „wechseln“ – Rüstzeiten und –kosten für Werkzeuge oder Vorrichtungen entfallen. Auf diese Weise konnte ein vorrichtungsloser Fügeprozess realisiert werden.

Die Ergebnisse sprechen eine deutliche Sprache: 70% weniger Durchlaufzeit in der Teilebeschaffung, 60% geringere Masse (hier: eines Batterieträgers) und die um 28% verringerte Anzahl von Einzelteilen werden nur noch von der Kostenersparnis durch das vorrichtungslose Fügen übertroffen: Der Entfall von Werkzeugen und Vorrichtungen vermeidet 96% der Kosten einer konventionellen Fertigung in Blechschalenbauweise.

Wenngleich das untersuchte Konzept noch keine wirtschaftliche Lösung für größere Stückzahlen ist, so konnten dennoch durch den Einsatz von Generative Design Methoden Lücken in der digitalen Prozesskette geschlossen und Erfahrungen für das effiziente Design von Bauteilvarianten gesammelt werden. Kosten und Zykluszeiten der additiven Fertigung sinken jedoch kontinuierlich – die Zeit arbeitet für unser Konzept.

Neben dem physischen Demonstrator wurde auch ein AR-/VR-Modell erzeugt, der die Variantenfähigkeit des Konzepts intuitiv erlebbar macht.

Das Forschungsprojekt „VariKa“ wurde aus Mitteln des BMWi im Programm „Digitale Technologien für die Wirtschaft (PAiCE)“ unter dem Förderkennzeichen 01MA17007A gefördert.

Sie möchten Ihre Produkte und Entwicklungsmethoden fit machen für die Fertigungstechnologien der Zukunft? Mit unseren Erfahrungen in Topologieoptimierung und Generative Design sowie fertigungsgerechte Gestaltung unterstützen wir Sie dabei gern. Richard Kordaß oder Dr. Martin Hillebrecht freuen sich auf Ihre Kontaktaufnahme.

Weiterführende Informationen erhalten Sie auch auf der Projekt-Website.

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