Simulation ist mehr als Software

Direktkontakt
0
Wunschliste
0 0
Warenkorb
DE

Ansys Granta Selector beim Weltmarktführer für industrielle Greiftechnik

SCHUNK: Materialwahl digital

Digitale Entwicklungsketten sind kein Wettbewerbsvorteil, sondern ein Muss - auch bei sogenannten „Hidden Champion“ wie SCHUNK. Die Schwaben sind globaler Technologieführer in der Spann-, Greif- und Automatisierungstechnik. Ihr digitaler Transformationsprozess ist weit fortgeschritten, verbliebene Lücken werden systematisch geschlossen. Beispiel: Die digitalisierte Werkstoffauswahl.

Die tägliche Herausforderung der Entwicklungsingenieure besteht darin die verschiedensten Produktvorgaben unter einen Hut zu bringen: Robust, aber leicht; hochwertig, aber wirtschaftlich; speziell, aber verfügbar; langlebig, aber ökologisch. Diese Auflistung kann beliebig fortgesetzt werden. Ohne Kompromisse beim Werkstoff geht es nicht - aber welcher ist der Beste? Ihn gilt es bei jedem Projekt individuell aufs Neue zu ermitteln. Denn: Die richtige Kombination an Entscheidungen hat einen direkten Einfluss auf den Erfolg des Produktes. Materialexperten und deren Fachwissen kommt also eine Schlüsselrolle im Produktentstehungsprozess zu.

Daniel Barta arbeitet neben seiner Tätigkeit als Entwicklungsingenieur auch als Werkstoffspezialist in der Forschung und Entwicklung bei SCHUNK, dem Weltmarktführer für Greiftechnik und Spanntechnik und unterstützt durch sein Know-how zur Werkstoff- und Oberflächentechnik die Projekte und Projektteams bei der Entwicklung neuer innovativer Produkte für das SCHUNK-Leistungsspektrum, welches bereits rund 11.000 verschiedene Standardkomponenten umfasst.

11.000
Komponenten
enthält das SCHUNK Sortiment
505
Mio. Euro Umsatz
hat SCHUNK 2021 erwirtschaftet.
3.500
Mitarbeitende
sind bei SCHUNK beschäftigt

Sein Verständnis für die Werkstoffthematik im Zusammenhang mit der Gestaltung von Spitzenprodukten sagte ihm aber auch: Da geht eigentlich noch mehr! Denn gestützt auf digitale Werkzeuge ist es möglich, Anforderungen, Expertenwissen und exakte Materialdatenmodelle so miteinander zu verknüpfen, dass Zielkonflikte wesentlich effizienter aufgelöst werden als bei traditionellen, im Wesentlichen auf Erfahrungswerten basierenden Verfahren. Dadurch werden bisher ungenutzte Potenziale realisiert und die Produkte für den Kunden – und darum geht es – besser, ökologischer und wirtschaftlicher.

Prozessoptimierung durch Datenbanksoftwaresystem

Natürlich spielten bei der Materialauswahl schon immer Informationen aus verschiedenen Quellen wie Datenbanken eine Rolle. Sie war daher prinzipiell IT-gestützt – aber bei Weitem nicht digitalisiert. Dies bedeutet: Weg von statischen Insellösungen, hin zu einem zuverlässigen standardisierten Prozess mit einer zentralen intelligenten Plattform als Herzstück, einfach in der Nutzung für verschiedene Anwendergruppen und Zugriffsarten. 

Eine nachhaltige Lösung, die zu SCHUNK passt und die dem anspruchsvollen Anforderungsprofil gerecht wird, findet man nicht nebenbei. Vielmehr muss eine solche strategische Entscheidung fundiert vorbereitet und viel Zeit investiert werden. Und bevor eine Software ausgewählt wird, müssen die eigenen Prozesse, die sie unterstützen soll, definiert werden. Gesagt, getan: Zum Abschluss seines Fernstudiums in Maschinenbau wurden das Konzept, die Evaluierung und die Auswahl eines datenbankgestützten Werkstoffauswahlprozesses das Thema der Masterthesis von Daniel Barta. 

Systematische Werkstoffauswahl in der Produktentwicklung

Die optimale Auswahl eines Werkstoffes stellt eine entscheidende Bedeutung für die Funktion und die Lebensdauer eines Bauteils dar. Die traditionelle Auswahl eines Werkstoffes auf Basis von Erfahrungswerten kann jedoch dazu führen, dass Potentiale für die Entwicklung neuer Produkte ungenutzt bleiben.

Zur Ermittlung des optimalen Werkstoffes für ein SCHUNK-Produkt wurde zunächst ein systematischer mehrstufiger Auswahlprozess entwickelt, welcher sich schematisch an bestehenden Prozessmodellen orientiert. Die Schlüsselkriterien sind neben der technischen Eignung die Kosten und Verfügbarkeit des Materials auf dem Markt. Der mehrstufige Auswahlprozess besteht dabei aus den Phasen der Anforderungsanalyse, Vorauswahl sowie der Feinauswahl und Bewertung der bis dahin selektierten Werkstoffkandidaten, welche durch Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen auf ihre Tauglichkeit geprüft und schlussendlich zu einer Werkstofflösung führt.

Zu Beginn des Entwicklungsprojekts liegt dabei der Fokus auf eine einfache Auswahl von gängigen und bekannten Werkstoffen, den sogenannten Vorzugswerkstoffen, während im fortschreitenden Projektlauf der Fokus zu optimierten Werkstoffalternativen wechselt. Dieser Wechsel kann durch Änderungen und Konkretisierung der Anforderungen im Projektlauf entstehen. Durch entsprechende Ausschlusskriterien, die sich aus den Anforderungen an das Werkstoff ergeben, werden die möglichen Werkstoffalternativen immer weiter eingeschränkt, um anschließend wenige geeignete Werkstoffkandidaten zu erhalten, die sowohl aus bekannten Vorzugswerkstoffen oder auf dem Markt verfügbaren Werkstofflösungen bestehen können.

Evaluierung und Entscheidung für Ansys Granta Selector

Zu diesem Konzept musste nun das passende Softwaresystem gefunden werden. Die wesentlichen Kriterien: Alle Informationen befinden sich übersichtlich an einem Ort, sind aktuell und filterbar mit Vergleichs- und Visualisierungsmöglichkeiten anhand der relevanten Werkstoffeigenschaften. Zudem muss die Plattform nahtlos in die vorhandene Systeminfrastruktur integrierbar sein.

In der Masterthesis setzte sich Daniel Barta intensiv mit drei Datenbanksystemen auseinander, die bei der Vorauswahl als potenziell am geeignetsten hervorgegangen sind. Die Entscheidung fiel auf Ansys Granta Selector, einer Out-of-the-Box Lösung von Ansys, die vom SCHUNK-Partner für Simulation, CADFEM, vorgeschlagen wurde. Ein Pluspunkt für Granta war die bewährte lange Zusammenarbeit im Bereich Engineering zwischen SCHUNK und CADFEM. Den Ausschlag gaben jedoch die technischen Möglichkeiten, die zu den SCHUNK-Prozessen bei der Materialauswahl passen.

Ansys Granta Selector - Anwendungsbeispiel Keilhaken

Nachdem das Konzept und das prozessunterstützende Datenbanksystem ausgewählt wurden, wurde das Auswahlverfahren an praxisnahen Anwendungsbeispielen getestet. So wurde in einem Anwendungsbeispiel der pneumatischen 2-Finger-Parallelgreifer JGP-P in seiner Entwicklungsphase herangezogen, um für den dort verbauten Keilhaken einen optimalen Werkstoff auszuwählen. Im ersten Schritt wurden die Anforderungen festgelegt, die sich aus einer hohen Festigkeit, einer gut spanenden Bearbeitung, gute Oberflächenbehandelbarkeit sowie der Vorgabe eines niedrigen Materialpreis zusammensetzen. Auf Basis dieser Anforderungen wird zunächst der im Vorgängerprodukt eingesetzte interne Vorzugswerkstoff „A“ gewählt, welcher als Referenzwerkstoff für die weitere Werkstoffsuche steht.

Es zeigt sich, dass in verschiedenen Anwendungsszenarien die zulässigen Spannungen im Bauteil überschritten werden. Es wird demnach ein Werkstoff mit höherer Festigkeit benötigt, Ansys Granta Selector überprüft nun auf dieser Basis eine Vielzahl unterschiedlichste Werkstoffoptionen. Dazu werden zunächst die zwingend zu erfüllenden Pflichtanforderungen definiert, die der neue Werkstoff erfüllen muss – in diesem Beispiel ist dies die erhöhte Festigkeit. Als Referenzwerkstoff dient der zuvor ausgewählte Vorzugswerkstoff.

Die verbliebenen Kandidaten werden anschließend in einem Ashby Diagramm dargestellt, d.h. grafisch nach den gewünschten Eigenschaften sortiert. So wird hier Zugfestigkeit ins Verhältnis zu Schnittgeschwindigkeit und E-Modul gesetzt und die Eigenschaftsgrenzen in der Software immer enger gezogen. Dadurch können schnell und nach transparenten Kriterien drei geeignete Kandidaten identifiziert werden.

Diese Vorauswahl wird detailliert in einer Vergleichstabelle von Granta betrachtet, die vollständigen Materialkarten werden quasi nebeneinander gelegt und direkt miteinander verglichen. Anhand dieser Gegenüberstellung konnten die Werkstofflösungen mit den 4 wichtigsten Kriterien bewertet werden.

In dieser systematischen softwarebasierten Analyse in Granta Selector erweist sich Werkstofflösung „A“ als optimal, da der Werkstoff sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch eine hohe Zerspanbarkeit im Vergleich zum Vorzugswerkstoff aufweist. In der Validierung durch eine Festkörpersimulation in Ansys Mechanical konnte die höhere Festigkeit und damit die höhere Lebensdauer des Bauteils bestätigt werden.

Ergebnis: Ohne unverhältnismäßige Kompromisse bei den anderen Kriterien wird durch den ermittelten Alternativwerkstoff eine gegenüber dem Vorzugswerkstoff um 25% höherer Festigkeit erzielt.

Damit zeigt sich, dass Ansys Granta Selector die Anforderungen für die softwareseitige Unterstützung der systematischen Werkstoffauswahl in der Produktentwicklung von SCHUNK am besten erfüllt. Um die praktische Nutzung der Datenbanksoftware für systematische Werkstoffauswahl weiter zu untersucht, hat SCHUNK entschlossen den Einsatz von Ansys Granta Selector in einer einjährigen Erprobungsphase im Bereich Forschung & Entwicklung fortzusetzen.

 Daniel Barta<br />Werkstoffspezialist und Entwicklungsingenieur bei SCHUNK
Daniel Barta
Werkstoffspezialist und Entwicklungsingenieur bei SCHUNK

Ansys Granta Selector hilft uns durch die schnelle Übersicht über verfügbare Werkstoffsorten und –familien sowie die gute Vergleichbarkeit vieler unterschiedlicher Eigenschaften mehrerer Werkstoffe eine optimale Werkstofflösung zu finden.

SCHUNK und CADFEM

SCHUNK und CADFEM verbindet eine langjährige Zusammenarbeit im Bereich der numerischen Simulation mit Ansys. Schon früh ist SCHUNK in die numerische Simulation mit Ansys eingestiegen – mit CADFEM als Partner für alle Fragen rund um die Beschaffung der Software aber auch für alles, was für deren effizienten Einsatz dazugehört: Hardware, Schulung, Anwendersupport und die fachliche Unterstützung, wenn neue Einsatzgebiete erschlossen werden.

SCHUNK GmbH & Co. KG
Daniel Barta
www.schunk.com

Autoren:
Daniel Barta (SCHUNK GmbH & Co. KG)
Alexander Kunz (CADFEM GmbH)
Bilder: © SCHUNK GmbH & Co. KG
Veröffenlticht: Oktober 2022

Kontakt CADFEM

Leiter Vertrieb Stuttgart