FEMgSimuIation optimiert Absaugung

TITE LTH EM A
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VON IVO K ARR A SCH
eim Schneiden mit dem Laser entstehen Stäube und Gase. Daher werden Absaugungen vorgesehen, die
die Luft aus dem Arbeitsraum absaugen
und reinigen. Die Leistungsfähigkeit der
Absaugung wird durch die Dimensionierung der Anlage beeinflusst, jedoch auch
durch die Gestaltung der Luftkanäle.
Im Auftrag von TRUMPF Laser- und
Systemtechnik GmbH, Ditzingen, hat die
NICO GmbH Maschinen & Anlagen Konstruktion, Berlin, die Optimierung der Absaugung an der 3D-Laserbearbeitungsmaschine TruLaser Cell 7000 übernommen. Die
Strömungsgeschwindigkeit sollte über die
gesamte Breite der Absaugöffnung gleich
sein, um über den gesamten Arbeitsbereich die gleiche Wirkung zu erzielen.
Im ersten Schritt wurde die Strömung
in der vorhandenen Absaugung mittels
der Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert. Zum Einsatz kam als CFD-Software
(Computational Fluid Dynamics) das Modul CFX von ANSYS. Die an der Maschine
gemessenen deutlichen Unterschiede der
Strömungsgeschwindigkeit über die Breite
der Absaugöffnung ließen sich auch im Ergebnis der Simulation erkennen. Die Visualisierung der Strömung zeigte zudem eine
Verwirbelung im Absaugkanal – und den
Ansatz, auch die Effizienz des Systems zu
verbessern.
Mit diesen Ergebnissen wurde ein neuer Absaugkanal konstruiert, wobei gleich
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Die Entwicklungszeiten für neue Produkte sollen verkürzt werden – bei wachsenden Anforderungen an die Qualität und die Leistungsparameter. Die Kosten für Entwicklung und Herstellung sind
ein wichtiger Wettbewerbsfaktor. Hinzu kommen verstärkt die Material- und Energieeffizienz
als Entwicklungsziele. Und schließlich sollen die Produkte sicher funktionieren. Die Simulation im
Prozess der Entwicklung und Konstruktion leistet dazu einen wirksamen Beitrag.
Die Serie der
3D-Laserbearbeitungsmaschinen
TruLaser Cell
hat mit virtueller Unterstützung
einen verbesserten
Absaugkanal
erhalten.
auf die Reduzierung der Teileanzahl und
der Masse geachtet wurde. Mit dem neuen
Modell erfolgten weitere Rechnungen, die
weitere Verbesserungsschritte ergaben. In
weniger als zwei Wochen war ein neuer
Absaugkanal konstruiert, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit praktisch über die
gesamte Öffnungsbreite gleich ist. Gleichzeitig wurden die Herstellkosten sowie die
Masse des – hochdynamisch bewegten –
Teils halbiert. Messungen an der realen
Absaugung bestätigten die Berechnungsergebnisse.
In einem Hochspannungsprüflabor sollten ein Transformator und eine Drosselspule übereinander, jedoch voneinander
isoliert angeordnet werden. Beide Komponenten wiegen mehrere Tonnen. Das IPH
Institut Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik GmbH, Berlin, beauftragte
NICO, die Standfestigkeit des vorgesehenen Aufbaus nachzuweisen.
Da keramische Stützisolatoren zwar
eine hohe axiale Belastbarkeit aufweisen,
jedoch eine relativ geringe Biegefestigkeit,
könnte sowohl ein Verkippen der Befesti-
Der Absaugkanal zeigt sich im Strömungsbild vor der Überarbeitung (links) und nach der Verbesserung deutlich effektiver.
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Vergleichende Analyse zwischen Standard- und Sonder-SheetMaster: Die Simulation (links) zeigt, dass die Steifigkeit des Sonder-SheetMasters (rechts: Transport zum
Kunden) deutlich höher ist.
gungspunkte der Isolatoren als auch ein
Aufschwingen fatale Folgen haben. Daher
wurden neben den Gestellverformungen
und der Knickfestigkeit der Stützen auch die
Eigenfrequenzen des Aufbaus berechnet. Eigenfrequenzen um die Netzfrequenz von 50
Hertz hätten zum Versagen führen können.
Die Berechnung ergab eine ausreichende Knickfestigkeit der Stützisolatoren
sowie unkritische Eigenfrequenzen. Einschließlich Klärung der Materialkennwerte
betrug der Aufwand weniger als eine Woche. Ein zertifiziertes Prüfbüro hat den Berechnungsreport geprüft und genehmigt.
KNOW-HOW
FEM-Berechnungen
Zur Optimierung der Kosten, der
Materialauslegung und Gewährleistung
erwünschter Steifigkeiten sowie Eigenfrequenzen führt die NICO GmbH
Maschinen & Anlagen Konstruktion,
Berlin, Berechnungen der Finite-ElementeMethode (FEM) mit ANSYS sowie thermale Analysen und Strömungssimulationen durch. Neben der Konstruktion ist
die Produktion von Funktionsmustern und
Prototypen möglich.
Betreut werden Fertigung, Montage und
Inbetriebnahme. Mittels Kostensenkungsprogramm werden Möglichkeiten der
Kostenoptimierung bei verbesserter
Funktion der Maschine erarbeitet.
www.nico-berlin.de
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TRUMPF bietet als Option zu seinen
Stanz- und Stanz-Laser-Maschinen für die
Blechbearbeitung die Automatisierung der
Materialzuführung und des Entladens an.
Kernkomponente ist der SheetMaster, der
die Blechtafeln zuführt und größere Teile
aus der Maschine entnimmt, um sie auf
Stapel zu legen.
In der Standardausführung bietet der
SheetMaster bereits viele Kombinationen
mit weiteren Komponenten wie Wagen
zur Anbindung an Regallagersysteme. Spezielle Bearbeitungsaufgaben oder Aufstellbedingungen erfordern jedoch spezielle Lösungen. Die TRUMPF Werkzeugmaschinen
GmbH + Co. KG beauftragte NICO mit der
Konstruktion eines Sonder-SheetMasters.
Dieser sollte größer sein (Länge 15 statt etwa neun Meter, Höhe 2,5 statt zwei Meter)
und die gleiche Tragfähigkeit sowie Dynamik ermöglichen.
Dazu ist eine vergleichbare Steifigkeit
erforderlich. Daher wurde für die Standardvariante des Gestells die Verformung unter
typischer Last mittels statischer FEM-Analyse berechnet. Unter gleichen Lastannahmen erfolgte eine Vergleichsrechnung mit
dem ersten Entwurf der Sonder-Lösung.
Der erste Entwurf entsprach jedoch den
Anforderungen noch nicht. Die animierte
Darstellung der Verformungen half, Verbesserungen vorzunehmen. Nach der Modifikation des Entwurfs ergab sich die angestrebte Steifigkeit. Der Aufwand betrug
etwa eine Woche.
Von Neuentwicklungen – beginnend
mit einer Aufgabenstellung und einem
weißen Blatt Papier – über Konstruktions-
aufträge an Weiterentwicklungen bis zu
komplexen oder auch kleinen Sonderkonstruktionen reicht das Spektrum der Projekte. Und immer wieder hilft die Simulation,
den Aufwand für Versuche zu vermeiden
beziehungsweise zu verringern und damit
die Entwicklungszeiten und -kosten zu
reduzieren.
Bei Neuentwicklungen kann die Simulation das Verständnis komplexer Zusammenhänge unterstützen. Bei Weiterentwicklungen und Neukonstruktionen
ist meist die Optimierung der Nutzen.
Sonderkonstruktionen erfordern schnelle
und dabei sichere sowie wirtschaftliche
Lösungen. Auch dabei hat sich der Einsatz
der FEM-Berechnungen bewährt.
Die Berechnungen werden durch speziell ausgebildete Konstrukteure ausgeführt. Dies ermöglicht buchstäblich konstruktive Berechnungsreports. Zudem kann
sich durch die intensive Beschäftigung der
FEM-Spezialisten die Erfahrung herausbilden, die für verlässliche Ergebnisse erforderlich ist. Und schließlich lassen sich die
Aufwendungen für erforderliche Schulungen besser fokussieren.
Wurden FEM-Berechnungen zunächst
im Rahmen von Konstruktionsaufträgen
ausgeführt, sind sie nun oft als eigenständige Leistung gefragt.
Ivo Karrasch
Geschäftsführer
NICO GmbH Maschinen & Anlagen Konstruktion
Telefon +49 30 936688-11
[email protected]
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