Holistic Engineering

Simulation unterstützt die effiziente Produktentwicklung 

Holistic Engineering

Durch Simulationen werden auf Hochleistungsrechnern die verschiedensten Vorgänge berechnet. Das kann beispielsweise die Strömung in einem Ventil oder die Belastung eines mechanischen Bauteils sein.

Dadurch kann die Funktion eines Produkts schon vorhergesagt werden, bevor der erste Prototyp hergestellt ist. Inzwischen können die meisten physikalischen Phänomene simuliert werden. Entsprechend groß ist die Vielfalt der Simulationsmethoden, die bei Festo eingesetzt werden.

Simulation bei Festo

Festo hat eine lange Tradition, moderne Verfahren effizient anzuwenden. Die ersten Schritte wurden bereits 1983 unternommen, als die Computertechnik noch in den Kinderschuhen steckte. Inzwischen ist die Simulation fester Bestandteil praktisch aller Forschungs- und Entwicklungsprozesse. Die Verfahren entwickeln sich schnell weiter und erfordern eine wissenschaftliche Arbeitsweise.

Simulationen sind oft zeitaufwändig. Daher ist Effizienz bei Hard- und Software wichtig. Große Berechnungen werden deshalb auf einen leistungsfähigen Rechner-Cluster ausgelagert. Festo arbeitet mit Programmen namhafter Hersteller auf verschiedensten Anwendungsgebieten.

Bauteilfestigkeit und Deformation

Bauteile, die belastet werden, verformen sich. Manchmal mehr, zum Beispiel Dichtungen aus Gummi, manchmal weniger, wie zum Beispiel Aluminiumdeckel von Zylindern. Zur Berechnung dieser Verformungen setzt man die Finite Elemente Methode, kurz FEM ein. Die Simulationsspezialisten der Forschung unterstützen die Entwicklung bei:

  • Mechanismen und Systeme
  • Elektronik, Magnetik, Piezotechnik
  • Software und Modelle

Strömung und Wärmeaustausch

Für Pneumatik und Prozessautomatisierung bestimmt die Strömung in den Komponenten wesentlich die Funktion. Durchfluss, Druckverlust, Strömungskräfte und Wirkungsgrad werden mit der numerischen Fluiddynamik, kurz CFD, simuliert. Diese Methode wird auch im Flugzeug- und Automobilbau verwendet.

Bei den Strömungssimulationen gibt es verschiedene Herausforderungen:

  • In der Pneumatik erreicht die Strömung bei engen Querschnitten häufig Überschallgeschwindigkeit und der Durchfluss wird dadurch begrenzt. Die Simulation bietet in diesen Fällen Ansatzpunkte zur Optimierung.
  • Bei den Flüssigkeitsströmungen in der Prozessautomation ist Kavitation, also die Entstehung von Dampfblasen, eine Herausforderung, die beherrscht werden muss.
  • Bei Elektronikbauteilen spielt die Strömung im Zusammenhang mit der Bauteilkühlung eine wichtige Rolle.

Spritzgießen und Druckguss

Sowohl beim Kunststoffspritzguss als auch beim Aluminiumdruckguss wird heißes, flüssiges Material in eine Stahlform hineingepresst, in der es abkühlt und erstarrt. So lassen sich komplizierte Formen kostengünstig herstellen. 

Die Kunststoffschmelze ist sehr zähflüssig. Die Aluminiumschmelze ist dagegen sehr dünnflüssig, so dass sie eine turbulente Strömung bildet, in die Luft eingewirbelt werden kann. So entstehen unerwünschte Hohlräume, die die Stabilität verringern.

Durch die Simulation kann vorhergesagt werden, ob die Form gut gefüllt wird, ob sich das Bauteil verziehen wird oder wo sich Lufteinschlüsse bilden. Dann können Bauteil, Werkzeug und Verarbeitungsparameter so angepasst werden, dass unerwünschte Effekte minimiert oder vermieden werden.

Software und Modelle CAE

  • Nichtlineare FEM/Strukturmechanik: Abaqus Standard und Abaqus Explizit
  • Dauerfestigkeitsbewertung: Femfat
  • FEM für Mikrosystemtechnik: Ansys Multiphysics
  • FEM für Elektrodynamik: Ansys Maxwell
  • CFD/Strömungsmechanik: Ansys CFX und StarCCM+
  • CFD/Elektronikkühlung: FloTherm
  • Spritzgusssimulation: Moldex3D, Moldex eDesign
  • Druckgusssimulation: Flow3D

Systemsimulation

Wie schnell kann ein Objekt mittels pneumatischer oder elektrischer Antriebstechnik A nach B bewegt werden? Welche Komponenten von Festo sind dazu geeignet und welche Einstellungen sind hierzu notwendig? Welche Taktzeiten können erreicht werden?

Diese Fragen können mit Hilfe der Simulation des dynamischen Verhaltens für lineare und rotative Antriebssysteme sowie für Mechanismen und Handhabungssysteme beantwortet werden.

Berechnet werden dabei alle kinematischen und dynamischen Größen wie Positionen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Drücke, Kräfte, Momente und Durchflüsse oder Ströme. Festo setzt hierfür eine selbst entwickelte Simulationssoftware ein, die verifizierte Modelle aller relevanten Katalogprodukte von Festo enthält.

Durch die Kombination mit kommerzieller Mehrkörper-Simulations-Software können auch Mechanismen und Handhabungssysteme ausgelegt werden. 

Neben der Dimensionierung von kundenspezifischen Applikationen setzt man diese Werkzeuge auch dazu ein, dynamische Analysen für die Neu- oder Weiterentwicklung von Festo Produkten durchzuführen und so die Produktentwickler und Konstrukteure in ihrer Arbeit zu unterstützen.

Software und Modelle Systemsimulation

  • MKS/Mehrkörperdynamik: MSC Adams
  • Pneumatisch-mechanische und elektromechanische Antriebssysteme: CACOS (Eigenentwicklung von Festo)
  • Simulation technisch physikalischer Systeme sowie Reglerentwicklung: Matlab/Simulink