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Zuverlässigkeit wird großgeschrieben

Kräfte, Kontakte, sichere Datenübertrag: Simulation optimiert Steckverbinder
Zuverlässigkeit wird großgeschrieben

In die Simulationsumgebung Ansys Workbench wurden diverse Werkzeuge für verschiedene physikalische Aufgabenstellungen unter einer einheitlichen Benutzeroberfläche integriert. Die Durchgängigkeit über alle Arbeitsschritte und Simulationen hinweg ermöglicht es, eine der zentralen Herausforderungen in der Entwicklung und Produktion von Steckverbindern beherrschbar zu machen: Zuverlässigkeit.

Exklusiv in KEM Der Autor Christof Gebhardt ist Business Development Manager bei der Cadfem GmbH, Grafing

Während in den 1990er Jahren Simulation in vielen Fällen erst dann zum Einsatz kam, wenn im praktischen Versuch geforderte Spezifikationen eines Produktes nicht eingehalten werden konnten, hat sich die Simulation heute als ein integraler Bestandteil der Produktentwicklung etabliert. Das bedeutet, dass während der Produktentwicklung das physikalische Verhalten von Produkten oder Produktionsprozessen bereits beim Design durch Simulations-Software überprüft wird. Auf diese Weise kann die Leistungsfähigkeit eines Produktes mit einem virtuellen Prototypen vorab ermittelt und über konstruktive Maßnahmen verbessert werden.
Die traditionelle simulationsbasierte Produktentwicklung, in der ein Design in einem iterativen Veränderungsprozess simuliert, verändert, erneut simuliert und weiter verändert wird, bis bestimmte Eigenschaften erreicht sind, basiert auf konkreten Eingangsgrößen wie Signalen, Geometrien oder Materialeigenschaften. Bei diesen bleibt jedoch die Streuung von Eigenschaften, die das Produktverhalten beeinflussen, unberücksichtigt, so dass die Produktzuverlässigkeit nicht für alle in der Praxis auftretenden Konstellationen gewährleistet ist. Die Streuung von Parametern, die Varianz in den auftretenden Lasten und Signalen, schwankende Produktionsparameter und geometrische Toleranzen setzen für sichere Produkte eine weitergehende Absicherung voraus: Ziel ist ein robustes Produkt, das über eine sogenannte Robust-Design-Optimierung (RDO) erreicht wird.
Produktzuverlässigkeit durch Simulation absichern
Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die von Dynardo entwickelte RDO-Software Optislang in die Simulationslösungen von Ansys integriert. Optislang inside Ansys Workbench setzt auf dem vollparametrischen Simulationsmodell von Ansys Workbench auf und nimmt mit intelligenten Voreinstellungen und minimalem Nutzereingriff eine systematische und effiziente Untersuchung des gesamten Parameterraums vor. Die daran anschließende Sensitivitätsstudie liefert die Zusammenhänge der verschiedenen Einflussgrößen auf die relevanten Ergebnisse, so dass der Entwicklungsingenieur einen guten Überblick über wichtige und unwichtige Größen erhält und funktionale Zusammenhänge besser versteht und bewerten kann. Eine darauf aufbauende Optimierung ermöglicht – je nach Methode – die zielgerichtete Verbesserung von Produkteigenschaften innerhalb von nur wenigen Sekunden. Um die Streubreiten der betroffenen Einflussgrößen mit zu berücksichtigen, gibt die Robustheitsanalyse Auskunft darüber, welche Ausfallsicherheit erreicht wird. Automatisierte Arbeitsschritte und eine quantifizierbare Prognosefähigkeit gewährleisten eine hohe Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit bei der Nutzung der Simulationsmodelle.
Durch ein vollständig parametrisches Simulationsmodell, das die Parameter des CAD-Modells kontrolliert, wird der Parameterraum mit einem automatisierten Versuchsplan mit der minimal möglichen Zahl von Analysen (no run too much strategy) untersucht. Dies führt dazu, dass die Zusammenhänge für die Wirkmechanismen besser verständlich, und die wichtigen Parameter erkennbar sind.
Steckverbinder-Ausfallwahrscheinlichkeit minimieren
Am Beispiel eines Tyco-Steckverbinders lässt sich aufzeigen, wie die sehr hohe Ausfallwahrscheinlichkeit eines Ausgangs-Designs von 89 durch den Einsatz der Simulationslösungen Ansys Workbench und Optislang auf Werte <0,00034 % (Six Sigma-Niveau) verbessert wurde. Für Tyco waren die Vorteile von Ansys Mechanical und Optislang:
  • Identifikation relevanter Parameter
  • Abstimmung der Parameter und signifikante Reduktion der Kosten
  • tieferes Verständnis über die Variation
  • Minimierung des Einflusses von Streuungen und ein Six Sigma-Design
Wichtige mechanische Produkteigenschaften von Steckverbindern sind Steck- und Ziehkräfte sowie die Kontaktkräfte und -flächen. Darüber hinaus ist die Festigkeit und Lebensdauer von Kontakten und Gehäusen unter statischer Last, Schock-Belastung und Vibration essentiell, in vielen Fällen auch die Abdichtung und Verriegelungsmechanismen. Die strukturmechanische FEM-Berechnung mit Ansys Workbench ermöglicht genaue Aussagen für statische und dynamische Belastungen. Basis dafür sind die verfügbaren hochwertigen Materialmodelle für plastische Metalle, faserverstärkte Kunststoffe mit einer Kombination von nichtlinearer Matrix und räumlich orientierter Verstärkung. Aber auch das Kriechen, z. B. von Kunststoffen oder Lot, sowie die integrierten Betriebsfestigkeitsbewertungen gehören dazu. Um ein zuverlässiges Design zu erreichen, werden in der Mechanik vor allem die Materialparameter mit ihren sehr großen Streubreiten systematisch untersucht, aber auch Lastvariationen und Geometrietoleranzen.
Schwankungen werden bewertbar und berücksichtigt
Zu den wichtigen Fertigungsprozessen für Steckverbinder zählen das Umformen von Kontakten, das Crimpen oder Schweißen von Verbindungen und das Spritzgießen von Kunststoffteilen. Die Simulation dieser Fertigungsprozesse ermöglicht es, unvermeidliche Schwankungen in den Materialeigenschaften zu bewerten und Prozessparameter oder das Bauteildesign so auszulegen, dass sie einen möglichst geringen Einfluss auf das Ergebnis haben. Damit lassen sich die Produkteigenschaften wie Auszugskräfte oder Kontaktdruck innerhalb einer engen Toleranz halten.
Für eine zuverlässige Auslegung von elektronischen Verbindungen reicht eine Berechnung, basierend auf einfachen Netzwerkmodellen, heute nicht mehr aus. Deshalb wird das Modul HFSS von Ansys Workbench für die 3D-Feldsimulation eingesetzt. Damit werden Hot Spots erkannt, Störgrößen wie Reflektion und Dämpfung erfasst oder die elektromagnetische Verträglichkeit untersucht. Für diese Analysen lassen sich auf Grundlage des durchgängigen Ansys Simulationsprozesses große Bandbreiten in den Signalen sowie in den Produkteigenschaften einfach realisieren, beispielsweise fertigungsbasierte Schwankungen der Kontaktzonen und -kräfte oder Geometrietoleranzen.
Cadfem, Tel.: 08092 7005-0,
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