Perspektiven

Simulierte Realität: Werkstoffe, Produkte und Prozesse

Die frühzeitige rechnergestützte Absicherung von Werkstoff- und Produktentwicklungen sowie den zugehörigen Produktionsprozessen wird für eine wettbewerbsfähige industrielle Wertschöpfung immer wichtiger. Dabei führt die integrierte Betrachtung von Werkstoffen, Produkten und Prozessen auf komplexe Auslegungs- und Optimierungsfragestellungen. Ein geeigneter Ansatz zur softwareseitigen Lösung solcher Problemstellungen basiert auf dem Konzept der Simulierten Realität.

Unter Simulierter Realität verstehen wir den Ansatz, naturwissenschaftlich / technische Simulation und Optimierung mit modernen Visualisierungs- und Interaktionsmethoden wie Virtual Reality zusammenzuführen. Der Begriff Simulierte Realität (SR) wurde in der Fraunhofer-Gesellschaft geprägt und steht für eine der zwölf Leit-Innovationen.

Dieses Fraunhofer Innovations-Thema fokussiert innerhalb des breit gefächerten Forschungsbereiches Simulierte Realität auf die Entwicklung von Softwarewerkzeugen für ein integriertes Design von Werkstoffen, Produkten und Prozessen. Diese gestatten sowohl die simulationsbasierte Abwägung von Varianten (Computational Engineering) als auch eine multikriterielle Optimierung (Reverse Engineering). Reverse Engineering meint hierbei die Nutzung von Optimierungsstrategien bei der Simulation und umfasst die Bereiche von der inversen Modellierung bis hin zu einem robusten Design. Simulierte Realität beschleunigt durch Multiskalenmaterialmodellierung die Bauteilentwicklung und verbessert das Verständnis des Bauteilverhaltens. Insbesondere für ein integriertes Design von Produkten und Prozessen können sie als VR-basierte interaktive Entscheidungswerkzeuge bereitgestellt werden.

Computer Aided Robust Design

Motivation

 

Qualität und Zuverlässigkeit technischer Produkte lassen immer wieder zu Wünschen übrig oder - drastischer formuliert - verursachen große Kosten, wirken für die Herstellerfirmen rufschädigend und gefährden den Absatz neuer Produkte. Gleichzeitig werden die Qualitätsforderungen der Endabnahme immer höher (Six-Sigma).

© Volkswagen AG / Fraunhofer SCAI
Von der Analyse großer Schwankungen im Ausgangsmodell
© Volkswagen AG / Fraunhofer SCAI
zur Entwicklung eines Robust Designs.

Projekt CAROD

 

Das Ziel des Fraunhofer-Projektes CAROD (Computer Aided Robust Design) ist die quantitative und qualitative Erfassung unsicherer Herstellungs- und Einsatzbedingungen und ein verbesserter Entwurfsprozess, der Toleranzen in Materialeigenschaften und Produktionsprozessen von Beginn an berücksichtigt.

Die Schwerpunkte der Methodenentwicklung zur Behandlung von Unsicherheiten und Toleranzen im virtuellen Produktentwicklungsprozess sind:

  • Modellreduktion zur schnelleren Berechnung einzelner Simulationsergebnisse
  • Bestimmung einflussreicher Variationen von Parametern zur Reduktion der nötigen Anzahl von Monte-Carlo-Experimenten
  • Einsatz statistischer Versuchsplanung (z.B. Taguchi) zur Simulation nicht kontrollierbarer Streufaktoren

CAROD umfasst ferner auch die Materialcharakterisierung sowie die Auslegung und Entwicklung von Demonstratoren und strebt so eine ganzheitliche Behandlung dieses Themas an. Als vermarktbares Ergebnis entstehen aufeinander abgestimmte Werkzeuge, die in die CAD-Umgebung industrieller Hersteller eingebettet werden können.

Ziele

Hauptziele des Projekts sind die Entwicklung neuer Methoden auf den Gebieten:

  • Statistische Charakterisierung von Streuungen durch Experiment und Simulation
  • Effiziente numerische Methoden für das Robust Design
  • Verbesserung von Postprocessing-Methoden und Optimierungsstrategien
  • Demonstration anhand konkreter Anwendungen

Anwendungsszenarien

Die neuen Methoden werden an folgenden konkreten Anwendungen getestet:

  • Crash-Verhalten von Karosseriekomponenten
  • Multiaxialer Prüfstand
  • Laserschneidmaschine

© Fraunhofer IWM
Crash-Simulation mit stochastischem Aspekt
© Fraunhofer LBF
Mechatronik: Virtueller Achsprüfstand
© Fraunhofer ILT
Laserschneidtechnik: Simulation des Laserschneidens