Festigkeitsberechnungen

Neben der Herstellung von Drehteilen und Frästeilen bieten wir auch Festigkeitsberechnungen zu Dreh- und Frästeilen sowie zu ganzen Baugruppen und Maschinen.

Zum rechnerischen Nachweis von Bauteilstrukturen werden unter anderem folgende Eingangsparameter benötigt:

• auftretende Lasten („Lastfälle“), ggf. einschließlich Betriebslasten
• Bauteillagerbedingungen („Randbedingungen“)
• Materialien bzw. bei nicht genormten Materialien (z.B. Faserverbundstrukturen) entsprechende Materialwerte

Je nach Komplexität der Bauteilstruktur und der geforderten Genauigkeit der Berechnung bzw. den möglichen Bauteilstrukturreserven ist eine analytische Berechnung möglich. Ist eine analytische Berechnung nicht möglich oder zielführend, erfolgt eine Modellierung der Bauteilstruktur mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM).

 

 

Mit Hilfe einer FEM Berechnung (auch Finite Element Analysis, kurz FEA) können bei Verfügbarkeit entsprechender Materialwerte Bauteile aus folgenden Werkstoffgruppen nachgewiesen werden:

• Graustahl
• Gussstahl
• Edelstähle
• Aluminium
• Magnesium
• Kunststoff
• Faserverbunde
• 3D gedruckte Bauteile aus verschiedenen Materialien

Es ist möglich, sowohl statische Berechnungen als auch Betriebsfestigkeitsrechnungen (FKM Richtlinie, Gudehus-Zenner u.a.) durchzuführen.

Finite Elemente Analysen werden seit ca. 20 bis 30 Jahren exzessiv für Festigkeitsberechnungen eingesetzt. Viele uns heute bekannte Anwendungen wären ohne die Nachweis- und Optimierungsmöglichkeiten auf Basis der Finiten Elemente Methode nicht möglich: Ob es sich hierbei um Windräder mit Rotordurchmessern von bis zu 200 Metern handelt oder um Leichtbau in der Automobilindustrie oder im Flugzeugbau – überall sind Materialeinsparungen gefordert und machen Festigkeitsberechnungen nötig.

Potential von Festigkeitsberechnungen im Mittelstand

Unserer Meinung nach gibt es im mittelständisch geprägten, deutschen Maschinenbau ein großes, ungenutztes Potential für die Anwendung der FEM zur Optimierung von Bauteilen. Ermöglicht die Optimierung eines Bauteils ein geringeres Rohteil vor der zerspanenden Bearbeitung ergibt sich daraus direkt eine Materialersparnis und ein Kostenvorteil. Ist dies nicht möglich und das optimierte Bauteil erfordert sogar eine aufwändigere Zerspanung, lassen sich trotzdem Vorteile ableiten:

• Ein geringeres Gewicht einzelner Bauteile ermöglicht oft auch ein geringeres Gewicht anderer Bauteile, da die Belastungen auf die Gesamtstruktur verringert werden
• Leichtere Bauteile ermöglichen Vorteile und Effizienzgewinne bei der Wartung von Maschinen und Anlagen. Teilweise lassen sich dadurch Anforderungen der Berufsgenossenschaften verringern und damit Effizienzgewinne heben
• Leichtere Bauteile in mobilen Maschinen (Beispiele Hydraulikspreizer für Rettungsmanschaften, Werkzeug für den Reifenwechsel von Erdbewegungsmaschinen)
• Schwachstellen von Bauteilen können identifiziert werden und im Rahmen einer predictive-Maintenance-Strategie implementiert werden

Entsprechende Vorteile durch Einsatz von CAx Methoden bestätigen auch diverse Studien, z.B.

• VDI Zentrum Ressourceneffizienz  „Analyse von Potenzialen der Material- und Energieeffizienz in ausgewählten Branchen der Metall verarbeitenden Industrie“

„Die Auswertung der im Rahmen der Studie durchgeführten Akteneinsicht bei der demea zur „Beratung von kleinen und mittleren Unternehmen zur
rentablen Verbesserung der Materialeffizienz (VerMat)“ ergab, dass durch Analyse- und Optimierungsmethoden in einem Zeitfenster von einem Jahr in
den Metall verarbeitenden Unternehmen Materialeinsparungen von fünf bis 21 Prozent erzielt wurden. (…)“

• Fraunhofer IPA „HANDBUCH FÜR DEN PRAKTISCHEN GEBRAUCH LEICHTBAU IM MASCHINEN-, ANLAGEN- UND GERÄTEBAU HERAUSFORDERUNGEN – POTENZIALE –
  MEHRWERTE – BEISPIELE“

Insbesondere die letzte Studie rückt stark Anwendungen aus Carbon (CFK) in den Mittelpunkt auch für KMU und Mittelständler. Die Verwendung des komplexen Materials CFK ist ohne Festigkeitsberechnungen auf Basis der Finiten Elemente Methode im Maschinenbau nur schwierig sinnvoll umzusetzen.