Liebherr-Werk Nenzing baut auf Ansys und CADFEM
Das Liebherr-Werk Nenzing setzt immer wieder Maßstäbe bei Raupenkranen, Hydroseilbaggern und verschiedenen Spezialtiefbaugeräten. Simulationen mit Ansys sind fest in der Produktentwicklung verankert und werden weiter intensiviert. Denn es gibt viel zu tun: Schließlich haben die Digitalisierung, die Elektrifizierung und das Thema Nachhaltigkeit auch den Spezialtiefbau erreicht.
Liebherr-Werk Nenzing: Innovation bei Baumaschinen
In Vorarlberg, ganz im Westen von Österreich, liegt der Ort Nenzing. Seit 1976 ist hier die Heimat des weltweiten Innovationsführers für Baumaschinen. Innovationsführer zu sein ist keine Momentaufnahme, sondern eine kontinuierliche Herausforderung. Das Liebherr-Werk Nenzing nimmt sie an und lässt regelmäßig aufhorchen - mit Produktneuheiten, Auszeichnungen und Weltrekorden.
Längst beschäftigen sich die Ingenieure im Liebherr-Werk Nenzing mit der Baustelle der Zukunft. Sie verlangt digitale, leise und umweltverträgliche Produkte – Liebherr hat sie mit den weltweit ersten batteriebetriebenen Baumaschinen der „unplugged“-Serien schon heute. Außerdem sind neue IT-Lösungen und Assistenzsysteme notwendig, die die Prozesse im Gesamtsystem Baustelle effizienter machen. Mit Software zur virtuellen Planung von Kraneinsätzen oder innovativen Trainingssimulatoren für mehr Sicherheit setzt Liebherr auch in diesen Bereichen Zeichen.
Pioniere der Simulation im Mittelstand
Simulationen anhand von virtuellen Prototypen künftiger Produkte waren in den 1980er Jahren keine Selbstverständlichkeit. Schon gar nicht im Mittelstand. In Nenzing gehörten sie bereits damals zum Repertoire der Liebherr-Ingenieure - ein enormer Entwicklungsvorteil. „Das immense Potenzial der Simulationstechnologie, nämlich Belastungszustände am Computer akkurat abbilden, bewerten und verbessern zu können, wurde hier sehr früh erkannt“, meint Bertram Peer, Abteilungsleiter Statik, nicht ohne Stolz. „Von Anfang an wurde vor allem Ansys-Software verwendet. Und auch das damalige „Start-up“ CADFEM als Partner für die Beratung, Schulungen und den Hotline-Support war bereits mit an Bord“, ergänzt Peer.
Simulation von der Idee bis zum Prüfstand
Bertram Peer ist Teil des Nenzinger Teams von heute mehr als 40 Ingenieurinnen und Ingenieuren, das in nahezu allen Bereichen der Produktentwicklung Ansys-Produkte zur Analyse unterschiedlichster physikalischer Fragestellungen einsetzt. Ansys-Simulationen begleiten den gesamten Entwicklungsprozess:
- Von der Ermittlung erster Produktideen …
- … über deren präzise Ausarbeitung zu einem detaillierten digitalen Prototyp …
- … bis hin zur Verifikation des fertigen Produktes …
- …. die in engem Austausch mit den Versuchsingenieuren am Prüfstand erfolgt.
Systematisch zur Nadel im Heuhaufen
Ausgangspunkt jeder Entwicklung ist die Herleitung des grundlegenden Bauteilentwurfs. Statt auf überschlägige analytische Berechnungen vertraut Liebherr bereits hier auf Simulationswerkzeuge, die mit Messdaten und Erfahrungswerten gespeist werden. Schließlich geht es um komplexe Maschinen, bei denen zahllose Konfigurationen, Randbedingungen und Lastfälle zu beachten sind. „Beim LR 1400 SX, unserem neusten Raupenkran mit einer maximalen Traglast von 400t, waren es beim Start mehrere 1.000 potenzielle Modellkonfigurationen mit jeweils 35 Lastfällen,“ erklärt Bertram Peer, „eine zielführende Analyse ohne Simulationsunterstützung kann ich mir nicht vorstellen.“ Und dabei geht es noch lange nicht um Details.
Liegen die wesentlichen Bauteildimensionen und Lastfälle vor, beginnt die detaillierte Betrachtung der vielversprechendsten Optionen. Erst kommt der Geometrieimport aus dem CAD-System Creo, die simulationsgerechte Aufbereitung und Vernetzung der Modelle mit Ansys DesignModeler, Ansys SpaceClaim und Ansys Mechanical.
Es folgt die eigentliche Simulation im Standardprogramm Ansys Mechanical oder in Mechanical APDL, einer mit Erfahrungswerten angereicherten, von und für Liebherr individualisierten Variante. Eng verzahnte Module sorgen für hohe Qualität und geringe Fehleranfälligkeit beim Datenhandling, robuste Kontaktalgorithmen für die exakte Abbildung komplexer Mechanismen und Verbindungen. Zu Nutze macht man sich auch eine besondere Stärke von Ansys bei nichtlinearen Phänomenen, sei es bei der Geometrie der schlanken Auslegerkonstruktionen oder beim Materialverhalten, etwa um Überlasten abzusichern.
Detailbetrachtung sicherheitsrelevanter Bauteile
Die Sicherheit der Maschinen genießt höchste Priorität. Die hohen Anforderungen, die Baumaschinen für ihre Zulassung erfüllen müssen und die Qualitätsansprüche der Liebherr-Kunden führen dazu, dass eine konservative Umsetzung aktueller Normen und Richtlinien oft nicht ausreicht.
Die Liebherr-Ingenieure gehen daher einen Schritt weiter: Um jegliches Risiko auszuschließen, werden die besonders hoch beanspruchten Bereiche der Bauteile anhand von extrem detaillierten Modellen und unter Berücksichtigung aller denkbarer nichtlinearer Effekte überprüft.
Mehr als Strukturmechanik
Im Verlauf der Entwicklung des digitalen Prototyps kommen neben der Strukturmechanik weitere Simulationsdisziplinen zum Einsatz. Über Strömungssimulationen (CFD, Computational Fluid Dynamics) wird unter anderem der Wärmehaushalt der Maschinen analysiert und optimiert. Hintergrund: Aufgrund der kompakten Bauform und der hohen installierten Leistung kommt es bei der Führung der Kühlluft auf jedes Detail an. Mit CFD erhalten die Entwickler genaue Einblicke in die Systeme und können sie so auslegen, dass maximale Effizienz der Maschinen bei minimalem Kraftstoffverbrauch erzielt wird.
Die Elektrifizierung von Baumaschinen ist ein großes Thema. Das Liebherr-Werk Nenzing hat einen Meilenstein gesetzt und mit dem LB 16 unplugged schon 2019 das weltweit erste batteriebetriebene Bohrgerät auf den Markt gebracht. Kurze Zeit später folgte der LR 1250.1, der erste elektrische Raupenkran.
Beim Batteriebetrieb ist die Kühlung ein wichtiger Gesichtspunkt – und ein weiterer Fall für CFD. Über Strömungssimulationen mit Ansys Fluent wurde die ideale Kühlerplatzierung unter Berücksichtigung sämtlicher Komponenten im Inneren der Maschine ermittelt. Weitere Anwendungsfelder von CFD sind die Analyse der Belastung der Maschinen durch Wind, die Optimierung der Luftführung der Kabinen-Klimatisierung und die Auslegung der Abgasführung bei den Maschinen mit Verbrennungsmotor.
Leiser im und ums Fahrzeug durch Akustiksimulation
Akustik ist ein anderes Thema, das bei Baumaschinen erheblich an Bedeutung gewonnen hat. Die Erklärung ist einfach: Baustellenlärm, insbesondere im innerstädtischen Bereich, wird von der Bevölkerung nicht mehr klaglos hingenommen und unterliegt immer rigider werdenden Grenzwerten.
Der Anspruch von Liebherr ist es, die Lärmbelastung durch Maschinen sowohl für die Umgebung, aber auch für die Fahrer und Bauarbeiter, die sich in bzw. in unmittelbarer Nähe der Maschine aufhalten, zu minimieren.
Mit akustischen Simulationen der Maschinen loten heute die Liebherr-Ingenieure während der Entwicklung der digitalen Prototypen systematisch unterschiedliche Maßnahmen und deren Effektivität zur Absenkung akustischer Emissionen aus.
„Early Adopter“ und Visionär
„Ansys-Produkte sind ein integraler Bestandteil unserer Entwicklungsprozesse, CADFEM begleitet uns dabei unterstützend seit Jahrzehnten als verlässlicher Partner“, fasst Bertram Peer die Erfolgsgeschichte der Simulation bei Liebherr mit Ansys und CADFEM zusammen. Und sie geht weiter.
Die Verantwortlichen bei Liebherr verfolgen sehr genau, wohin sich die Simulationstechnologie entwickelt und sind - zumindest indirekt - sogar an ihrem dynamischen Ausbau beteiligt, indem Wünsche und Ideen auch an den Hersteller Ansys und den Partner CADFEM herangetragen und diskutiert werden. Der gewaltige digitale Transformationsprozess der Wirtschaft ist ein zusätzlicher Schub für digitale Entwicklungswerkzeuge wie Ansys und den Möglichkeiten der Simulation. Klassische Anwendungsgebiete werden erweitert, immer neue Bereiche, auch Nischen, durch innovative Simulationstools erschlossen. Die aktuellen und künftigen Möglichkeiten der Simulation sind bei Liebherr bekannt und werden immer wieder evaluiert.
In Nenzing ist man gerüstet für die digitale Zukunft.
Liebherr-Werk Nenzing GmbH
Bertram Peer
www.liebherr.com
Autor: Alexander Kunz, CADFEM
Bilder: © Liebherr
Veröffentlicht: Juni 2022
