VariKa

Cluster: Engineering

Kurzsteckbrief
Autos werden heute mit zahlreichen Individualisierungsmöglichkeiten angeboten. Diese Optionen haben zum Beispiel Einfluss auf den Bauraum der Batterie – so braucht ein hybrid angetriebenes Auto einen anderen Batterieträger als ein rein batterieelektrisch betriebenes. Im Projekt VariKa wird ein Baukastensystem für Batterieträger und die zugehörige Prozesskette entwickelt, die dabei hilft, Fertigung geringer Stückzahlen wirtschaftlich umsetzen zu können. Dazu entsteht der Batterieträger in Mischbauweise aus bearbeiteten Halbwerkzeugen und 3D-gedruckten Verbindungselementen.

Projektergebnisse des Engineering-Clusters:

Ausgangslage
Die Automobilbranche steht vor einer großen Herausforderung: Fahrzeugkarosserien werden heute in einer nie gesehenen Variantenvielfalt hergestellt, insbesondere Nischenfahrzeuge. Bisher wurden zur Herstellung von metallischen Karosseriebauteilen unter anderem Werkzeuge zur Umformung sowie Vorrichtungen zum Einspannen und Fixieren von Bauteilen benötigt. Diese speziellen Fertigungsmittel wiederum verursachen Kosten in der Anschaffung, Instandhaltung und Wartung, die dann auf die gefertigten Teile umgelegt werden. Das führt bei einer geringen Fertigungsmenge zu einem hohen Teilepreis.
Um die Fertigung bestimmter Karosseriekomponenten effizienter zu gestalten, besteht die Aufgabe darin, neue Prozesse und Herstellungsmethoden zu erproben und zu etablieren, die es erlauben, variantenreiche Karosseriekomponenten in niedrigen Stückzahlen wirtschaftlich zu produzieren. Dadurch kann der Teilepreis möglichst gering gehalten werden. Dazu soll zum einen der 3D-Druck genutzt werden, der sich bisher noch nicht für anspruchsvolle industrielle Anwendungsfälle durchsetzen konnte. Zum anderen soll ein durchgängiges Produkt- und Produktionsengineering dabei helfen, die Schnittstellen der einzelnen Prozesse zu verbessern.

Ziel
Am Beispiel eines Batterieträgers wird die Optimierung der Prozesskette hin zu einer beanspruchungsgerechten Auslegung eines additiv gefertigten und variantenreichen Bauteils gezeigt. Ein Baukastensystem aus bearbeiteten Halbwerkzeugen und 3D-gedruckten Verbindungselementen wird dafür erstellt. Zudem erarbeiten die Projektpartner einen durchgängigen Entwicklungs- und Fertigungsprozess mit dem Ziel minimaler Werkzeug- und Vorrichtungskosten sowie einer flexiblen Produktion für zahlreiche Varianten eines Bauteils. Die zu entwickelnde Prozesskette stellt einen Fortschritt im Sinne eines besseren Datenflusses dar. Nur wenn ein durchgängiger Datenfluss von der Produktentwicklung über die Überführung in die virtuelle Fabrikplanung bis hin zur Realisierung des Produktes gewährleistet ist, kann der angestrebte Grad der Effizienz und Flexibilität erreicht werden.Unter Berücksichtigung bionischer Strukturmerkmale im Entwurfsprozess sollen Strukturen in Mischbauweise gefertigt werden, die sich aus kommerziell erhältlichen Massenprodukten und individuell optimierten 3D-gedruckten Verbindungselementen zusammensetzen. Die Verbindungselemente können so wirtschaftlich in kleinen Stückzahlen gefertigt werden, da für die Bearbeitung keine variantenspezifischen Werkzeuge benötigt werden. Auf diese Weise sollen die Grundlagen für die wirtschaftliche Realisierung eines großen Variantenreichtums im Karosseriebau geschaffen werden.

Praktische Anwendung
Die Untersuchungen erfolgen an einem Batterieträger für einen Kleinwagen. Es werden verschiedene Varianten des Batterieträgers benötigt, da antriebskonzeptspezifische (batterieelektrisch, hybrid) Batterien mit sich unterscheidenden Abmessungen und Eigengewichten in die Karosserie zu integrieren sind. Dadurch entsteht ein Variantenreichtum für Batterieträger, der kostengünstig mit Hilfe von Strukturen in Mischbauweise realisierbar ist.Zunächst werden an definierten Proben die physikalischen Eigenschaften 3D-gedruckter Werkstoffe ermittelt. Darauf basierend wird ein ausgewähltes Bauteil des Variantenbaukastens als Prototyp für die Validierung der Simulation zahlreichen Versuchen unterzogen. Die ermittelten Daten werden nicht nur zur Simulation des Bauteilverhaltens genutzt, sondern werden auch von 3D-Druck-Herstellern benötigt, um die richtigen Parameter für die Fertigung der Verbindungsstücke festzulegen. Die optimalen Druckeinstellungen werden dann in einer digitalen Bibliothek hinterlegt. Anschließend wird der Prozess des Zusammenfügens von Verbindungsstücken und Standardhalbzeugen und das Verhalten der so gefügten Baugruppe durch Versuchsreihen erforscht und optimiert. All diese Daten werden wieder in der digitalen Bibliothek gespeichert. Die gewonnenen Daten bilden die Basis für die Fertigungssoftware und zukünftige Bauteiloptimierungen für einen verbesserten Leichtbau. Als Demonstrator dient eine ausgewählte Batterieträger-Variante aus dem Variantenbaukasten.

Konsortium
EDAG Engineering GmbH (Konsortialführer), FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG, FKM Sintertechnik GmbH, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Opel Automobile GmbH