VITEC-Modellierprozess verbessert die Genauigkeit; Entwicklungszeit für Kraftstofftanks um bis zu 40% verkürzt
Ein neuer Prozess für das Modellieren von Kraftstofftanks bietet eine verbesserte Konstruktionsgenauigkeit und spart dem Automobilzulieferer VITEC bis zu 40 Prozent Produktentwicklungszeit ein.VITEC produziert Kraftstofftanks und –fördersysteme für die Automobilindustrie, darunter General Motors, DaimlerChrysler und Harley-Davidson. Wie die meisten Zulieferer verwendet VITEC Volumen- und Füllstudien, um die Herstellbarkeit und die Funktionalität seiner Konstruktionen vor der Produktion zu bewerten.
In Geomagic Qualify wird eine 3D-Vergleichsanalyse durchgeführt, um die negativen und positiven Tankwandverformungen zu berechnen, die während des Blasformprozesses auftreten.
Diese Studien erfordern Informationen über die verschiedenen Wandstärken, die ohne das hergestellte Teil nicht verfügbar sind. In der Vergangenheit hat VITEC Simulationen durchgeführt, die auf einem Durchschnittswandstärkenwert beruhten, der für die gesamte Behälterwand angenommen wurde. Solche Schätzungen können jedoch zu Fehlern führen, die wertvolle Produktionszeit kosten und zu Werkzeugänderungskosten führen können.
Simulieren des Blasformens
Der neue VITEC-Prozess vergleicht Simulationen aus CAD-Daten mit von gescannten physischen Teilen abgeleiteten Modellen, um die Genauigkeit der Wandstärkenmessungen sicherzustellen. Der Prozess beginnt mit der Simulation des für die Herstellung von Kraftstofftanks verwendeten Blasformprozesses.
Das Extrusionsblasformen wird mit einem Kunststoffrohr (auch Vorformling genannt) vorgenommen, der bis zum Erreichen eines Schmelzzustandes erhitzt und dann durch einen Pressring gezogen wird. Eine synchronisierte Bewegung des Pressringkernes bestimmt die Wandstärkenwerte des Vorformlings.
In die BlowView-Software werden binäre STL-Dateien importiert und dort in Patran-Dateien umgewandelt, die dann vom Analysesolver BlowSim verwendet werden. Im Bild oben simuliert BlowSim den Extrusions-Blasformprozess für zwei Kraftstofftankprodukte.
“Das Aufblasen des Vorformlings drückt den Kunststoff gegen die Wände der Formhohlräume, so dass sich am Ende die Form des Tanks ergibt,” erläutert Dr. Karim Amellal, Produktentwicklungsmanager bei VITEC. Sobald das hergestellte Teil abgekühlt ist, können die unterschiedlichen Dicken seiner Wandung gemessen werden.
Diese neue Methodik von VITEC simuliert den gesamten Blasformprozess, berechnet automatisch Wandstärken und gleicht das CAD-Modell mit dem tatsächlich hergestellten Teil ab.
“Mit der Einführung der Blasform-Simulationstechnik sind wir dazu in der Lage, sämtliche Prozess- und Konstruktionsprobleme vorherzusehen und die verschiedenen Wandstärken des Tanks vorauszuberechnen, bevor die Produktion beginnt,” fügt Amellal hinzu.
Mehr Genauigkeit in kürzerer Zeit
Der Prozess von VITEC beginnt damit, dass ein Kunde die Umfangsgrenzen, innerhalb derer sich der Tank im Fahrzeug befinden soll, liefert. Diese Grenzen geben die Form des Tanks vor. VITEC lädt diese Grenzdaten in die Unigraphics- oder Catia-CAD-Dateien der Tankhülle.
Die Teiledateien werden aus dem CAD-System als Stereolithographiedateien (STL) exportiert. Einige der Dateien werden in die Patran-Software von MSC.Software importiert; hier wird aus finiten Elementen ein Gitter der äußeren Oberfläche des Tanks generiert. Andere Dateien werden in die BlowView-Simulationssoftware geladen, wo sie zu Patran-Dateien umgewandelt werden, die vom Analysesolver BlowSim dazu verwendet werden, die Wandstärkenwerte des aufgeblasenen Vorformlings zu berechnen. Die Ergebnisse für die Wandstärke des Vorformlings werden dann auf dem Gitter der Außenoberfläche des Tanks dargestellt.
Die Außenflächen der Tankhüllenproben aus der laufenden Produktion werden gescannt; das resultierende Modell wird zur Erweiterung und Modellierung der Oberfläche in Geomagic Studio importiert.
Die vorhergesagten Resultate des Extrusions-Blasformprozesses für eine Tankkonstruktion werden von BlowSim geliefert und dann in Patran verarbeitet. Der Innenraum wird in Patran durch Abziehen der Wandstärkenwerte von der Außenoberfläche erzeugt.
“Die Blasform-Simulationsanalyse bietet optimale Prozessbedingungen, um so eine gleichmäßige Wandstärkenverteilung des Tanks zu erreichen,” erläutert Amellal. “Die Ergebnisse sparen Werkzeug- und Materialkosten ein, indem alle Prozess- und Konstruktionsprobleme in der Anfangsphase der Produktentwicklung bewertet werden, wodurch die Anzahl der Iterationen minimiert wird.”
Die Patran-STL-Dateien für die inneren und äußeren Flächen werden in die Geomagic Studio-Software importiert. Diese Software wird von den Herstellern zur Massenproduktion kundenspezifischer Teile, für auftragsnahe Fertigung sowie für die automatische Erstellung digitaler und physischer Kopien von Teilen und Formen verwendet.
Brückenschlag zwischen physischer Form und digitaler Technik
VITEC verwendet ein optisches Scansystem, um die Außenflächen eines aus der Produktion stammenden Kraftstofftanks zu digitalisieren. Die Punktwolkendaten aus dem Scanner werden zum Zweck der Oberflächenverbesserung und –modellierung nach Geomagic Studio importiert. Oberflächenreparaturen und das Füllen von Löchern werden in Geomagic Studio automatisch durchgeführt, um ein Polygonmodell mit geschlossenem Volumen zu erzeugen.
Anschließend wird die Probe in zwei Hälften geschnitten; die inneren Oberflächen werden gescannt. Die äußeren Oberflächen der Hälften werden ebenfalls gescannt, um Referenzen der Ausgangsebene zu erhalten. Nach dem Scannen werden die beiden Punktwolken der Tankhälften nach Geomagic Studio importiert. Die Software verbindet die beiden Hälften automatisch mithilfe eines Best-Fit-Algorithmus.
Geomagic Qualify wird dazu verwendet, Messwerte sowohl an den tatsächlichen als auch an den theoretischen Modellen zu erhalten. Außerdem werden die in diesem Vergleich festgestellten Genauigkeitsdifferenzen zwischen vorausberechneten und tatsächlichen Wanddickenwerten aufgezeichnet.
Mit Geomagic Studio kann VITEC einen 3D-Vergleich zwischen den aus BlowSim abgeleiteten Patran-Modellen und den aus den tatsächlichen Kraftstofftanks abgenommenen Scans durchführen. Dies ermöglicht VITEC, die von BlowSim erzeugten theoretischen Vorhersagen über die Wandstärke zu validieren.
Geomagic Studio kann auch die Verwerfungseffekte modellieren. Beim Aufschneiden der Tankhülle verwerfen sich die Plastikwände als Ergebnis von Restspannungen, die während der Abkühlphase des Blasformprozesses entstanden sind. Geomagic Studio führt einen 3D-Vergleich durch, um die negativen und positiven Tankwandverformungen zu berechnen, die sich aus der Verwerfung ergeben.
Validierung durch graphischen Vergleich
Zusätzlich zu den in Geomagic Studio durchgeführten visuellen Vergleichen der Dicke und der Verwerfung vergleicht VITEC die vom physischen Teil erhaltenen Messwerte mit denen vom simulierten Modell. Dies wird von der Qualitätssicherungsgruppe von VITEC mithilfe der computergestützten Prüfungssoftware Geomagic Qualify durchgeführt. Geomagic Qualify vergleicht die Messdaten aus den Querschnitten des physischen Teils mit dem BlowSim-Modell.
“Dieser Validierungsprozess wird durchgeführt, um die Genauigkeit von Simulationsergebnissen zu prüfen und um uns bei zukünftigen Vorhersagen zu virtuellen Teilen Sicherheit zu geben,” fährt Amellal fort.
Um den Bogen sowohl zum CAD-System als auch zum Kunden zu schließen, werden die Softwarepakete Patran und Geomagic Studio/Qualify zusammen mit dem BlowSim-Simulationspaket verwendet, um eine einsetzbare Basis für Volumen- und Fülllinienstudien sowie für Aufprallsimulationsanalysen zu haben.
Die computergestützte Prüfung ersetzt einen Prozess, der die Messung der Wandstärkenniveaus mit einer Ultraschalltechnik durchführte. Diese Technik erfordert das Anlegen eines Gitters an die Tankoberfläche; die Stärkenwerte werden an den Ecken der Gitterzellen gemessen. Um die räumliche Ausdehnung des Kraftstofftanks zu messen und zu verifizieren, wird außerdem ein Koordinatenmessgerät (CMM) verwendet.
Amellal sagte, dass die Kombination aus Scanner und Geomagic Qualify mehr Geschwindigkeit und Genauigkeit als die Ultraschalltechnik bietet und möglicherweise auch das CMM-Gerät ersetzen kann.
“Wir glauben, dass wir den optischen Scanvorgang und Geomagic Qualify dazu verwenden können, die Produktqualität-Prüfungsdauer um mindestens 20 - 30 Prozent reduzieren können,” bekräftigt Amellal.
Identifizieren von Problemen vor der Produktion
Nach der Qualitätssicherung wird das Modell an das Produktentwicklungsteam von VITEC zurückgesendet. Das Team verwendet Geomagic Qualify für einen abschließenden 3D-Vergleich zwischen dem gescannten physischen Teil und dem BlowSim-Modell. Aus Geomagic Studio werden STEP-Dateien zurück in das CAD-System exportiert; hier werden die Konstruktionen nach Bedarf modifiziert.
Dieser Prozess liefert VITEC nicht nur die Informationen über die unterschiedlichen Stärken, die zur Durchführung von Volumen- und Füllstudien erfordert werden, sondern auch ein realistisches Modell für Fahrzeugaufprallsituationen.
“Die Kunden müssen nicht länger auf physische Prüfungen warten, um herauszufinden, ob ein Kraftstofftank in einer Fahrzeugumgebung eingesetzt werden kann,” sagt Amellal. “Dies ist der Hauptgrund dafür, dass diese Computersimulationstechnologien von VITEC eingesetzt werden. Wir können Probleme aus den Bereichen Herstellung, Struktur und Betankung vor der eigentlichen Produktion voraussagen. Es werden Kosteneinsparungen realisiert; die Kunden profitieren.”
VITEC hat zwei Studien durchgeführt, um die Genauigkeit der Kraftstofftanksimulation zu verifizieren. Zunächst verglichen Volumenstudien theoretische Volumina aus dem Simulationsprozess mit den tatsächlichen Volumina zweier verschiedener Kraftstofftanks. Die Ergebnisse zeigten Genauigkeiten von 99,5 Prozent für einen Kleinwagentank und 97,7 Prozent für einen LKW-Tank.
Außerdem haben während des Tankvorgangs durchgeführte Höhen-/Volumen-Studien eine theoretische Füllkurve ergeben, die mit der im Prüflabor generierten tatsächlichen Kurve fast übereinstimmt.
“Dies legt nahe, dass die bei VITEC eingesetzten computergestützten Analysen die bei physischen Prüfungen erforderlichen Zeit- und Kostenaufwendungen erheblich reduzieren können,” erläutert Amellal. “Anhand der ursprünglichen Schätzungen werden signifikante Kosteneinsparungen und eine um 40% verringerte Produktentwicklungszeit erwartet.”
Festlegen der Messlatte – mit einem automatisierten Werkzeug
Abschließend hofft VITEC, ein automatisiertes Simulationstool entwickeln zu können, das alle Anforderungen des Kunden hinsichtlich der Herstellbarkeit, der strukturellen Integrität und der Betankbarkeit von Kraftstofftanks erfüllt. Das Vertrauen auf im Handel erhältliche Softwarepakete zur internen Simulation – BlowView, Patran, Geomagic Studio und Qualify — ist nur der erste Schritt.
“VITEC plant, eine Methodik zum automatischen Datentransfer von einem Softwarepaket zum nächsten zu entwickeln und eine Schnittstelle zu schaffen, die mit allen internen Simulationsfähigkeiten kommunizieren kann,” fügt Amellal hinzu. “Das Ergebnis wird ein vollautomatisiertes Entwicklungstool (Fully Automated Simulation Tool; FAST) sein, das CAD-Konstrukteure für die Produktentwicklung bei der täglichen Arbeit benutzen können. Das ist die Vision von VITEC.”
