mobiles 37 - HAW Hamburg

Transcrição

fachzeitschrift für konstrukteure
ausgabe 2012/2013
37. jahrgang
vorwort
mobiles 37
herzlich willkommen
die mobiles kehrt nach einem jahr der auszeit zurück
2011 wurde nach 36 Jahren mobiles-Geschichte zum ersten Mal mit der Tradition einer
jährlichen Ausgabe gebrochen. Ein Ereignis, das sich bereits während der letzten Ausgaben
ankündigte: Aufgrund von Kürzungen der Budgets für Öffentlichkeitsarbeit in vielen Unternehmen wurde die Akquise von Fachartikeln von Jahr zu Jahr schwieriger und das Heft damit immer
dünner. Hinzu kam ein Mangel an Redaktionsmitgliedern.
Es haben sich glücklicherweise viele dafür eingesetzt, dass die mobiles in diesem Jahr wieder
erscheint. Wir danken an dieser Stelle:
Unseren ehemaligen Redaktionsmitgliedern, die uns während der gesamten Vorbereitungszeit des Heftes mit Rat und Tat zur Seite standen und neue Kontakte zur Industrie vermittelten.
Den Professoren des Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, die ebenfalls ihre Kontakte in die Industrie nutzten, um neue, interessante Inhalte zu finden, und die Studierenden
dabei unterstützten, die Ergebnisse ihrer Abschlussarbeiten in dieser mobiles zu veröffentlichen.
Und natürlich den Mitgliedern des Förderkreises Wagenbauschule, die uns insbesondere bei
der Veröffentlichung der Studierendenarbeiten unterstützt und damit erheblich zu einem interessanten Heft beigetragen haben.
Dieser Unterstützung und dem glücklichen Umstand, dass wir Nachwuchs für die Redaktion
gewinnen konnten, ist es zu verdanken, dass Sie eine neue Ausgabe der mobiles in Händen
halten können. Passend zu einigen Umstrukturierungen innerhalb der Redaktion haben wir als
Titelthema „Produktentwicklung und Prozessoptimierung“ gewählt. Denn es gibt kein Produkt,
das nicht einen langen Weg der Entwicklung hinter sich hat, und keinen Prozess, der so gut wäre,
dass er nicht verbessert werden könnte. Das haben auch wir uns zu Herzen genommen und hoffen, dass es der mobiles 37 anzusehen ist.
Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Lesen!
Ihre Redaktion mobiles
„Wer immer tut, was er schon kann,
bleibt immer das, was er schon ist.“
Henry Ford (1863–1947), Gründer der Ford Motor Company
3
37
nutzfahrzeugaerodynamik
16
MRO 2.0
6
porsche 911er karosserie
inhaltsverzeichnis
titelthema:
produktentwicklung und prozessoptimierung
Bruder Leichtfuß
eine leichtbaukarosserie in aluminiumstahl-mischbauweise
6
das digitale fahrzeug
herausforderungen in der virtuellen produktentwicklung
11
MRO 2.0
prozessautomation in der luftfahrzeuginstandhaltung
16
Lean macht erfolgreich
Lean Management als erfolgsfaktor
moderner unternehmen
18
forschung und entwicklung
4
funktionsverglasung
kraftstoffeffizienz und sicherheit
20
class A modeling
softwarelösung für den gesamten designprozess
22
square cube law
zur grenze des wachstums heutiger verkehrsflugzeuge
24
fahrzeugsitzentwicklung
innovative cad-methoden
34
design und aerodynamik
steigerung der transporteffizienz bei nutzfahrzeugen
37
panorama
elektromobilität
elektrofahrzeuge und batteriesysteme
42
EuroMold 2012
innovative themen versprechen eine erfolgreiche messe
47
Rücker-Design-Studios
kreativwerkstätten mit modernster technik
48
leichtbautagung
vom konzept zum produkt - „in geschlossenen ketten denken!“
49
mit leichtbau zum erfolg
faserverbundkonzept für dachmodule
50
engineering know-how
zukunftsvision: forschungsprojekte
52
24
wachstumsgrenze von verkehrsflugzeugen
54
© General Motors
11
60 jahre corvette
geschichte
codename „opel“
die corvette wird 60
54
sicherheitstechnik
crashoptimierung
vergleich intuition und algorithmus
58
interieur
oberflächenwerkstoffe
neue superleichte polyurethananwendungen
im interieur
61
kabinensysteme
integration eines kabinensystems in ein
kabinen-mockup
62
Hawks Racing Team
to finish first, you must first finish!
68
förderkreisvitrine
Grußwort des Vorsitzenden des Förderkreises
Wagenbauschule, Michael Dukat
69
HCAT
kluge köpfe für eine zukunftsfähige industrie
70
CCNF
Competence Center Neues Fliegen der HAW
Hamburg
72
campus
Jahresrückblick 2011/2012 - Daten, Namen,
Nachrichten vom Campus der HAW Hamburg
75
mobiles
vorwort
haw hamburg
ECO-Team
erfolgreiche saison sorgt für ansporn
66
BWB AC20.30
die kabine von morgen
67
3
inserentenverzeichnis
78
impressum
78
Titelbild: Flugzeug - mit freundlicher Genehmigung der Diehl Aerosystems Holding GmbH
5
Bruder Leichtfuß
Bruder Leichtfuß
eine leichtbaukarosserie in aluminium-stahl-mischbauweise
Lorenz P. HeInIscH – Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG, Weissach
Dipl.-Ing. (FH)
Lorenz P.
Heinisch
studierte
Fahrzeugtechnik/Karosseriebau an der
Fachhochschule
für Technik in
Esslingen und
ist seit 1995 bei
der Porsche AG
in der Rohbauentwicklung
beschäftigt,
zuletzt als
Teamleiter des
Rohbau Aufbaus in der Baureihe Carrera.
1
» Mit
1 Fertigung der
Karosserie
im Werk 5
in StuttgartZuffenhausen
6
der Einführung der neuen Generation
der Sportwagen-Ikone Porsche 911 Carrera
unter der internen Bezeichnung 991 gingen
technische Neuerungen im Karosserierohbau
einher wie niemals zuvor in der langjährigen
Historie dieser Baureihe.
Noch nie waren in den Lastenheften die
Gewichtsziele für das Gesamtfahrzeug und insbesondere für die Karosserie so ehrgeizig gesteckt
und wurde deren Umsetzung so stringent verfolgt wie beim neuen Carrera. Hierbei hatte die
Rohkarosserie den größten Beitrag zu leisten.
Das Ergebnis ist ein gegenüber dem Vorgängermodell erheblich gewichtserleichterter Rohbau, der zu 100 % aus Neuteilen besteht.
Der durch Porsche in den Vorgängergenerationen immer wieder forcierte und erfolgreich
betriebene Stahlleichtbau wurde beim 991 durch
eine Aluminium-Stahl-Mischbauweise abgelöst.
Die Rohbauplattform besteht nahezu vollständig
aus Aluminiumbauteilen, wobei die Seitenwand
als Stahlbaugruppe erhalten blieb. Hier wurde
der Einsatz ultrahochfester, pressgehärteter
Komponenten deutlich ausgeweitet.
Im Plattformumfang finden sich neben Aluminiumpressteilen mehrere Aluminiumdruckgussbauteile. Am Beispiel des Großgussteils hin-
terer Längsträger zeigt sich in besonderem Maße
die Verbindung drastischer Gewichtsreduzierung,
hohen Integrationsgrads und einer Verbesserung
lokaler Eingangssteifigkeiten.
Neben deutlicher Gewichtserleichterung kann
der Rohbau des neuen 911 Carrera sowohl in der
Coupé-Ausführung als auch als Cabriolet bezüglich aller charakteristischen Rohbaukennwerte
teilweise deutliche Verbesserungen nachweisen. So wurden die dynamischen und statischen
Karosseriesteifigkeitskennwerte von der bereits
hohen Ausgangsbasis des Vorgängermodells
ausgehend weiter gesteigert.
In der traditionellen Produktionsstätte für
Porsche-Sportwagen in Stuttgart-Zuffenhausen bestand die große Herausforderung, die
991-Modelle in neuer Mischbauweise mit den
parallel auslaufenden Varianten des Vorgängermodelles 997 gleichzeitig zu fertigen.
Konzeptentscheidung: Bereits im Porsche 928
wurde in den 1970er-Jahren an mehreren Rohbaukomponenten der Leichtbauwerkstoff Aluminium eingesetzt.
Im Vorfeld der Entscheidung im März 2007,
den Rohbau des neuen Porsche 911 Carrera (Typ
991) zu großen Teilen aus Aluminium zu fertigen,
Bruder Leichtfuß
war die Vorentwicklung
im Entwicklungszentrum
Weissach bereits seit Längerem auf diesem Gebiet
tätig. So wurden seit 2002
intensive Untersuchungen
für eine Aluminium-StahlMischbauweise durchgeführt und 2005 mehrere
Prototypen auf Basis des
Porsche 997 C2 Coupé zu
Erprobungszwecken aufgebaut, die bereits weitgehend das im aktuellen
991 umgesetzte Materialkonzept beinhalteten.
Gewichtshistorie der rohbaustruktur: Die
Gewichtsentwicklung
der
Rohbaustruktur
(Gerippe) in den Carrera-Baureihen, beginnend
mit dem Typ 993 Anfang der 1990er-Jahre, zeigt
einen kontinuierlichen Anstieg (Bild 2). Vor allem
stetig steigende Sicherheitsanforderungen durch
Gesetzesvorgaben, Verbraucherschutzaspekte
sowie hausinterne Anforderungen führten zu den
Gewichtssteigerungen im Rohbau.
Porsche war hierbei stets – erfolgreich –
bestrebt, mit intelligentem Stahlleichtbau und
einem laufend erweiterten Einsatz höher- und
höchstfester moderner Stahlsorten dieser Entwicklung im Sinne einer Begrenzung des Mehrgewichts zu begegnen.
Die Darstellung in Bild 2 zeigt zudem, dass
im Variantenvergleich Coupé/Cabriolet stets
eine weitgehende Gewichtsgleichheit besteht.
Dies stellt in aller Regel nicht die marktübliche
Situation dar, da hier aufgrund zusätzlicher
Strukturverstärkungsmaßnahmen häufig teilweise nennenswert schwerere Cabriolet-Versionen zu parallel gefertigten Coupé-Versionen
anzutreffen sind. Beim neuen 911 Carrera ist
es dagegen sogar gelungen, die Rohbaustruktur der Cabriolet-Variante bei verbesserter Performance etwas leichter als die entsprechende
Coupé-Variante auszuführen.
Gewichtsbilanz des Porsche 991 im Vergleich
zu seinem Vorgänger: Zum ersten Mal in der
Geschichte der Baureihe Carrera ist mit dem Porsche 991 das Gesamtfahrzeug in vergleichbarer
Variante bzw. Ausstattung leichter als sein Vorgängermodell. Beim Vergleich mit dem Vorgängermodell Porsche 997 C2 Coupé der zweiten
Generation mit S-Ausstattung und PDK-Getriebe
ist das aktuelle Modell 991 C2 Coupé mit vergleichbarer, jedoch aufgewerteter Ausstattung
um 40 kg leichter (Bild 3).
Die in den Lastenheften vorgegebene Gewichtsreduzierung des Gesamtfahrzeugs beginnt in der
Regel zum Start der Serienentwicklung mit der
für den Entwickler unerfreulichen Bestandsaufnahme der sogenannten Gewichtshypotheken.
2 Gewichtshistorie
der Rohbaustruktur in der
Baureihe Carrera
3 Gewichtssituation Gesamtfahrzeug im Vergleich von 991
C2 Coupé und
997 C2 Coupé
2
Dies sind die theoretischen Gewichtszuwächse,
die beim Nachfolgemodell durch technische
Produktaufwertungen, erhöhte Sicherheitsanforderungen sowie weitere Faktoren anfallen.
Im Fall des 991 wurden in einer frühen Entwicklungsphase bereits vier wesentliche Blöcke
der Gewichtshypotheken ermittelt und quantifiziert. Hierbei erhöhte sich das Ausgangsgewicht des 997 durch gestiegene Sicherheitsanforderungen, verbesserte Produktsubstanz,
deutliche Radstandverlängerung um 100 mm
sowie antriebsseitige Verbrauchsreduzierungsmaßnahmen (z. B. Start-Stop-System) zunächst
markant um über 58 kg.
Ausgehend von dieser Gewichtshypothek
wurde die Gewichtsoffensive gestartet. Hierbei war der Karosseriebereich der Hauptbeitragsleister. Die vollständig neue AluminiumStahl-Mischbauweise im Rohbau führte zu einer
Gewichtsreduzierung von 48 kg gegenüber dem
Vorgängermodell. Als wesentliche Einzelposition
ist der Türrohbau in Aluminium zu nennen, der in
der Vorgängerbaureihe 997 noch den Turbo- und
GT-Varianten vorbehalten war und nun in allen
991-Modellen zum Einsatz kommt. Dies führte
zu einem Mindergewicht von 14,5 kg gegenüber
der vorherigen Stahlausführung (Bild 4). Durch
Gewichtsreduzierungsmaßnahmen an Interieurkomponenten sowie weiteren Einzelpositionen
konnten weitere 17,5 kg Gewicht reduziert werden, was zu einer Gesamtgewichtserleichterung
3
7
Bruder Leichtfuß
4
in der Rohkarosserie von ca. 80 kg gegenüber
dem Vorgängermodell führt.
Die teilweise deutlich von Produktsubstanzaufwertung betroffenen Bereiche Antrieb,
Fahrwerk und Elektrik konnten durch einige
Schwerpunktmaßnahmen und teilweise akribische Feinarbeit an Einzelpositionen zusammen
noch einmal 17,5 kg zur Gewichtserleichterung
des Gesamtfahrzeugs beitragen.
Insgesamt konnte so – ausgehend von den
erheblichen Gewichtshypotheken – das Gewicht
um ca. 98 kg im Gesamtfahrzeugkontext reduziert werden, was zu der bereits genannten
Gewichtserleichterung von 40 kg im Vergleich
zum Vorgängermodell 997 führt.
Der rohbau des neuen Porsche 991 in Aluminium-stahl-Mischbauweise: Es wurde erkannt,
dass die extrem ehrgeizig angesetzten Gewichtsziele des neuen Carrera nicht mehr über ein weiteres Vorantreiben des Stahlleichtbau-Gedankens
im Rohbau realisierbar gewesen wären.
Vor diesem Hintergrund ist eine ausgeprägte
Aluminium-Stahl-Mischbauweise als Rohbaukonzept für den neuen Porsche 991 entstanden.
Sie folgt dem zentralen Entwicklungsauftrag:
„Der geeignete Werkstoff, beanspruchungsund
funktionsgerecht an der richtigen Stelle des Rohbaus eingesetzt.“
4 Gewichtsreduzierung durch
Leichtbaumaßnahmen in der
Karosserie des
Porsche 991 (Exterieur/Interieur)
5 AluminiumStahl-Mischbauweise im
Rohbau des
neuen Porsche
991 im Vergleich
von Coupé
und Cabriolet
8
rohkarosserie in Mischbauweise – Ablösung
der langjährigen Ganzstahlleichtbauweise: Der
Rohbau des neuen Porsche 991
Carrera Coupé besteht, bezogen auf
5
das Gewicht des gesamten Karosserierohbaus mit seinen Anbauteilen,
zu 44 % aus Aluminium-Umfängen
(43 % beim Cabriolet) (Bild 5).
Die Rohbauplattform besteht
hierbei nahezu vollständig aus Aluminiumbauteilen. Neben Aluminiumpressteilen werden hier mehrere Aluminiumdruckgussbauteile,
Aluminiumstrangpressprofile sowie
innenhochdruckumgeformte Alu-
miniumbauteile eingesetzt. Wo
erforderlich, sind teilweise lokale
Verstärkungen aus Stahl in die
Bodengruppe integriert.
Ein Musterbeispiel für eine
massiv gewichtserleichterte sowie
hochgradig bauteilintegrierende
Konstruktion ist der hintere Längsträger des Typs 991. Die beim
Vorgängermodell 997 als Stahlkonstruktion mit 14 Bauteilen je
Fahrzeugseite ausgeführte Konstruktion wurde beim 991 weitgehend durch ein Großgussbauteil aus Aluminiumdruckguss
ersetzt. Die Baugruppe besteht
aus nur noch drei Bauteilen pro
Fahrzeugseite. Alle Aufnahmepunkte der Hinterachsanbindung befinden sich nun toleranzreduziert auf einem Bauteil, die lokalen Eingangssteifigkeiten wurden erhöht und das Gewicht dieser
Baugruppe um 5,9 kg reduziert (Bild 6).
In die Stirnwand ist der bereits konzeptionell
aus dem Vorgängermodell bekannte Rohrverbund aus ultrahochfesten borlegierten Stahlrohren integriert.
Die Rohbau-Anbauteile (Türen, Deckel vorne,
Deckel hinten, Kotflügel) sind grundsätzlich als
Aluminiumkonstruktionen ausgeführt. Eine Ausnahme bildet lediglich der Verdeckkastendeckel
der Cabriolet-Variante.
Die Seitenwandstruktur ist als Stahlbaugruppe erhalten geblieben, wobei auch hier
Gewichtserleichterungen gegenüber dem Vorgängermodell, insbesondere durch den deutlich
verstärkten Einsatz ultrahochfester, pressgehärteter Bauteile (22MnB5; Darstellung in Rot in
Bild 5) zu verzeichnen sind. Die Entscheidung,
den Grundwerkstoff Stahl in der Seitenwand
beizubehalten, beruht im Wesentlichen auf zwei
Sachverhalten: Zum einen sollte die Einteiligkeit des Seitenteils außen analog dem Vorgängermodell auch bei nochmals gestiegener Stylingkomplexität mit ihren bewährten Vorteilen
erhalten bleiben, was in einer Aluminiumausführung nicht möglich gewesen wäre. Zum anderen bestand die produktionstechnische Restriktion, dass die auslaufenden Vorgängermodelle
des Typs 997 mit dem neuen Rohbau 991 über
Bruder Leichtfuß
Rohbauperformance
zu
generieren.
Wie bereits bei den
Vorgängermodellen wird
auch die Differenzierung
eines 991-Cabriolet-Rohbaus maßgeblich in der
S e i t e nwa n d b a ug r u p p e
vorgenommen. Die Plattform (Bodengruppe) eines
991 C2 Cabriolet beinhaltet 93 % Gleichteile mit
dem Coupé. Bezogen auf
die gesamte Rohbaustruktur weist das Cabriolet 80 % Gleichteile mit dem
Coupé auf (Bild 7).
Die für hohe Karosseriesteifigkeit und Seitencrashperformance maßgebliche differenzierte
Schwellergestaltung einer offenen Karosserievariante wird beim 991 Cabriolet ausschließlich
über die ohnehin gesteuerte Seitenwandbaugruppe erzielt.
Hier wird beim 991 Cabriolet eine Schwellerverstärkung aus dem ultrahochfestem Werkstoff
22MnB5 mit zudem höherer Wandstärke als bei
der Coupé-Variante eingesetzt.
6
einen längeren Zeitraum über eine gemeinsame
Geometrielinie laufen mussten, in die gemäß
Produktionslastenheft keine weiteren Fügetechniken neben dem Widerstandspunktschweißen
integriert werden konnten.
Ultrahochfeste,
pressgehärtete
Bauteile
(22MnB5) finden sich bezogen auf das Rohbaugewicht mit einem Anteil von 16 % im 991 Coupé
im Wesentlichen in Bereichen, die die Fahrgastzelle umschließen (B-Säulen innen/außen,
Dachrahmen, A-Säulen innen). Im 991 Cabriolet (20 %) sind hiervon abweichend auch die
Schwellerverstärkungen, Teile der Scharniersäule
und die Schachtverstärkungen in diesem Werkstoff ausgeführt. Es kommen hierbei sowohl im
direkten als auch im indirekten Verfahren hergestellte pressgehärtete Bauteile zum Einsatz.
Der Anteil der hochund höherfesten Stähle
7
wurde im Vergleich zum
Vorgängermodell nochmals erhöht. Mikrolegierte höherfeste Stähle
(Bild 5, Darstellung in
Gelb) tragen mittlerweile zu 17 %,
Dualphasenstähle (Darstellung in
Orange) zu 7 % zum Gewicht des
Karosserierohbaus bei (beim Cabriolet 20 % bzw. 6 %).
In die Gewichtsbetrachtung wurden
– wenn auch nach Definition nicht Bestandteil
des Karosserierohbaus – mit dem Tragrahmen
der Instrumententafel, der Trägerstruktur der
Mittelkonsole und der Trägerstruktur der Rücksitzanlage drei Montageteile aufgenommen,
die aus Magnesiumdruckguss gefertigt sind
(Darstellung in Schwarz).
Gleichteilkonzept 991 coupé/cabriolet: Porsche kann auf langjährige Erfahrungen bei der
Entwicklung und Produktion offener Karosserievarianten zurückgreifen, denn seit mehreren
Fahrzeuggenerationen werden in der Baureihe
Carrera traditionell die Cabriolet-Varianten mit
den Coupé-Varianten parallel entwickelt.
Ziel ist hierbei die Realisierung möglichst
großer Gleichteilumfänge zwischen diesen Varianten, ohne Nachteile für die cabriospezifische
6 Längsträger
hinten – Konzeptvergleich
Typ 997 zu 991
7 Gleichteilkonzept 991 C2
Coupé/Cabriolet
Das modulare Dachkonzept des 991 coupé: Das
bei Porsche bislang im Carrera Coupé bekannte
rohbaufeste Volldach aus Stahl (als Mehrausstattung mit Stahlschiebedach erhältlich) wurde beim
Typ 991 durch ein neuartiges modulares
Dachkonzept ersetzt.
Der Rohbau des 991 Coupé
weist einen Einheitsdachausschnitt auf, der drei
verschiedene Dachvarianten aufnehmen kann.
In der Rohbaufertigung
besteht somit keine Variantensteuerung mehr. Die Dachvarianten (Bild 8) werden am
Montageband mittels Handlingroboter in den Rohbauausschnitt eingesetzt und
strukturell verklebt.
Die Basisvariante stellt ein Volldach mit Aluminiumaußenhaut (Wandstärke: 1,04 mm) dar,
das mit seinem minimierten Gewicht eher den
Puristen bzw. „Sportfahrer“ ansprechen dürfte.
Als weitere Varianten sind zwei Versionen
außengeführter Schiebedächer erhältlich – eine
Blechausführung, lackiert in der Exterieurfarbe,
sowie eine Glasausführung.
Das modulare Dachkonzept lässt zudem
Raum für Überlegungen hinsichtlich weiterer
Dachvarianten für kommende 991-Derivate und
-Sondermodelle.
Karosseriesteifigkeit: Von den bereits anerkannt
hohen Ausgangswerten bei den Vorgängermodellen 997 ausgehend, konnten die dynamischen
und statischen Karosseriesteifigkeiten beim
9
Bruder Leichtfuß
8 Modulares
Dachkonzept
des neuen
Porsche 991
Carrera Coupé
9 Kennwerte zur
Fügetechnik
im Rohbau
991 C2 Coupé
und Cabriolet
neuen 991 Carrera wei8
ter ausgebaut werden.
Bei Porsche werden Karosserien in der
Schwingung s technik
in zwei Messzuständen – Struktur sowie
Trimmed Body – hinsichtlich ihrer Eigenfrequenzausbildungen
untersucht (dynamische
Karosseriesteifigkeiten).
Der Zustand Trimmed
Body beinhaltet die
wesentlichen Massen und deren Verteilungen im
Gesamtfahrzeug (z. B. Aggregate und Achsen)
und stellt somit den kundenrelevanteren Messzustand dar. Die dynamische Torsionssteifigkeit des
Trimmed Body beim 991 C2 Coupé z. B. konnte
um ca. 25 % gegenüber dem Vorgängermodell
gesteigert werden. Für den Kunden trotz etwas
geringeren Deltas noch besser spürbar sein sollte
die Steigerung des entsprechenden Wertes um
18 Prozent beim 991 C2 Cabriolet.
Korrosionsschutz: Die Mischbauweise mit Aluminium- und Stahlwerkstoffen in der Karosseriestruktur des neuen Carrera fordert besondere
Maßnahmen hinsichtlich des Korrosionsschutzes.
Alle Flansche bzw. Bauteiltrennungen zwischen
Aluminium und Stahl werden grundsätzlich zu
100 % mit Rohbaustrukturklebstoff zur elektrochemischen Trennung der Werkstoffe versehen.
Zudem
werden
PVC-Nahtabdichtungen
in allen Bereichen eingesetzt, in denen eine
Beaufschlagung durch Nässe und Feuchte
erfolgen kann.
Die Wirksamkeit der Maßnahmen wurde im
Verlauf der Entwicklung mittels umfangreicher
Korrosionsdauerläufe an Gesamtfahrzeugen
nachgewiesen.
Fabriklayout: Der Standort Stuttgart-Zuffenhausen ist seit Fahrzeuggenerationen die traditionelle Fertigungsstätte des Porsche 911 Carrera.
Auch der neu eingeführte Porsche 991 wird in
allen Varianten ausschließlich an diesem Standort
produziert.
Die tief greifende Konzeptänderung
zwischen den Rohbauten 997 und 991 mit
dem erstmaligen Einsatz
9
intensiver
Mischbauweise mit Aluminium
und Stahl, einhergehend
mit neuen Varianten
von Fügetechniken, war
eine große Herausforderung für die Rohbauproduktion. Ohne größere
Fabrikumbauten
und
praktisch ohne erweiterte Flächen waren die
10
auslaufenden Modelle
des Vorgängermodells 997
mit den neu einsetzenden Modellen 991 im
Mix zu produzieren.
Die Geometrielinie, in der die Seitenwände an
die Plattform angefahren sowie weitere Querstrukturen gefügt werden, musste aus diesem
Grund ohne größere Änderungen erhalten bleiben. Über die Geometrielinie liefen bis zum Produktionsende des letzten Typs 997 noch parallel
Ganzstahlkarosserien des 997 sowie die neuen
Hybridkarosserien des 991.
Die Baugruppenfertigung der neuen Aluminiumbaugruppen wurde mit einem komplett neuen Layout versehen, da hier grundsätzlich neue Fügetechniken erforderlich
sind und weitere Sonderaspekte bzw. spezielle Vorgaben bei der Aluminiumfertigung
berücksichtigt werden müssen.
Als weitere produktionstechnische Herausforderung wurde inmitten der Vorserienfertigung 991 am Standort Zuffenhausen eine
der weltweit modernsten Lackieranlagen in
Betrieb genommen.
Fügetechnik: Durch die Aluminium-Stahl-Mischbauweise des neuen Carrera 991 wurde am Fertigungsstandort Zuffenhausen die Einführung der
Fügeverfahren Stanznieten, Clinchen, Flow-DrillSchrauben, Aluminium-MIG-Schweißen sowie
Aluminiumbolzenschweißen in der Rohbaustruktur erforderlich. Die Tabelle in Bild 9 zeigt
die wesentlichen Kennzahlen der Fügetechnik im
Rohbau des Porsche 991 C2.
«
herausforderungen in der virtuellen produktentwicklung
dipl.-inG. thomaS alberS – BMW Group, München
» Wettbewerb,
Marktveränderungen
und
technische Möglichkeiten erhöhen im Entwicklungsprozess die Komplexität und fordern
steigende Effizienz.
Um die Herausforderungen der virtuellen Produktentwicklung aufzunehmen, müssen wir zum
einen auf der Nutzenseite das Gesamtsystem im
Fokus behalten. Nicht der Prozess, sondern das
Produkt muss Ziel der Entwicklung bleiben. Diesem Anspruch folgend stellt sich die Frage, wie
wir heute das Systemengineering in der virtuellen
Produktentwicklung sicherstellen.
Zum anderen müssen wir auf der Aufwandsseite die Einzelprozesse mit dem Zielsystem
und, soweit ein logischer oder funktionaler
Kontext gegeben ist, auch die Einzelprozesse
untereinander vernetzen, ein simultanes Systemengineering gestalten.
Systemengineering: Das Systemengineering gliedert sich heute in drei wesentliche Teilbereiche:
1
1. Geometrische Gestaltung: Die Geometrische
Gestaltung hat die Kernaufgaben, die Auslegung
von Ergonomie, Design und Komponentenkonzepten sowie geometrisch relevante Anforderungen aus gesetzlichen bzw. funktionalen Vorgaben und Fertigungs- und Montagebelange im
Package zu integrieren.
Die virtuelle Produktentwicklung startet
bereits im Design mit CAS. Komponentenkonstruktion und Gesamtpackageentwürfe mit zum
Teil sehr tief ausgearbeiteter parametrisch-assoziativer Vernetzung von Wirkzusammenhängen
sind Basis der CAD-Bearbeitung. Simulationen
zur qualitativen Oberflächenbeurteilung und
Programme für Kinematikbeurteilungen sind
ebenso Standard wie dreidimensionale Echtzeitbeurteilungen (VR) von Raumeindruck,
Charakterausprägung, Design, Material, Farbund Narbbeurteilung, Innenlicht, Anzeige- und
Bedienkonzepten, Spiegelungen sowie Verarbeitungsqualität in Bauteilübergängen mit
Fugen und Radien.
Auch der DMU-(Digital-Mockup-)Prozess zur
Überprüfung von Kollision, Freigängigkeit, Handling und Vollständigkeit ist etabliert.
Noch eher in den Kinderschuhen stecken
Kombinationen von visueller Echtzeit-VR-Darstellung mit physisch wahrnehmbarer Aktuatorik
(Mixed VR), um Fahrsituationen, Sicht aus dem
Fahrzeug, Zugänglichkeiten, Montage und Fertigungsabläufe möglichst realistisch zu beurteilen.
Obwohl digitale Geometriedaten längst
verbindliche Basis geworden sind, finden bis
heute Validierung und Abnahme umfangreich an feststofflicher 3-D-Geometrie statt.
Claymodelle, Ergonomiesitzkisten, MaterialDesign-Modelle, Cubingmodelle und Musterbausitzkisten werden parallel und zum Abschluss
der jeweiligen Entwicklungssteps als „Kontrollmodelle“ einbezogen.
Der Wechsel von Bezugssystemen innerhalb
der Geometriebewertung stellt einen empfindlichen Bruch dar. Durch den zeitintensiven Aufbau von Hardware driften die Darstellungen
inhaltlich und zeitlich auseinander. Der Phasenversatz im Reifeprozess macht die Rückführung
von Erkenntnissen schwierig und erzeugt Doppelarbeit. Das Systemengineering ist extrem
behindert, sobald in einem Entwicklungsstep
gleichzeitig mehrere Hardwareaufbauten zu
unterschiedlichen Fragestellungen sequenziell
ausgeleitet werden. Diese Hardwareaufbauten
sind jedoch noch notwendig, da auch bei noch
so ausgefeilter Echtzeitvisualisierung, ergänzt um
physisch wahrnehmbare Aktuatorik (Mixed VR),
die menschliche ganzheitliche Sinneswahrnehmung in der Simulation nicht 100%ig angesprochen wird. Hohe Konzentration und Training sind
erforderlich, um eine Geometrie virtuell richtig zu
beurteilen. Ob die Mücke zum Elefant wird oder
der Wald vor lauter Bäumen nicht gesehen wird,
ist in hohem Maß vom persönlichen Erfahrungshintergrund abhängig. Auffällig ist das hohe
Volumen an Nacharbeitspunkten der Geometriebeurteilungen bei völlig neuen oder geänderten
Fragestellungen und Proportionen.
Um ein durchgängiges Systemengineering
in der geometrischen Gestaltung umzusetzen, darf der Hardwareaufbau nicht als Bewertungsmaßstab, sondern nur als Kalibrierung
1 Um das komplexe mechatronische Gesamtsystem Fahrzeug
ausrichten und
steuern zu können, unterteilt
die Entwicklung es in die
geometrische-,
funktionaleund SystemGestaltung.
Wesentlicher
Erfolgsfaktor
dieses Arbeitsmodells ist die
Verzahnung
untereinander.
11
2 Als Ersatz eines
detaillierten
Hardwaremodells zur
Validierung
der virtuellen
Absicherung
sind ein Wahrnehmungsmodell, vollständige
Ablaufbeschreibungen, Messgrößen sowie
Bewertungsreferenzen
erforderlich.
oder Eichung zwischen der virtuellen Welt und
dem physikalisch-feststofflichen Geometrieaufbau eingesetzt werden. Darauf aufbauend
sind in einem strukturierten Beurteilungsdurchlauf alle Geometrieanforderungen in absoluten Werten und Vergleichsdaten Prüfschritt für
Prüfschritt zu bewerten.
2. Funktionale Gestaltung: Die Funktionale
Gestaltung hat die Kernaufgabe, die Auslegung
von Komponenten sowie Teil- und Gesamtsystemen nach Last- und Belastungsanforderungen,
Fahrleistung, aktiver und passiver Sicherheit,
Emissions-, Komfort-, Klima-, Audio- sowie
gesetzlichen und Unternehmensvorgaben mit
geringstmöglichem Ressourceneinsatz (u. a.
Material, Bauraum, Energie, Gewicht) optimal zu
erfüllen.
2
Ausgangspunkt der funktionalen Auslegung
ist ein klar strukturierter Systementwurf, auf dem
alle relevanten physikalischen Zusammenhänge
hinterlegt sein müssen. Auf dieser Basis lässt sich
die Modelltopologie spezifizieren. Eine weitere
fundamentale Grundlage sind die zur Berechnung erforderlichen Daten, um mittels der FiniteElemente-Methode eine Simulation durchführen
zu können. Die FEM-Berechnung hat sich in den
letzten Jahrzehnten so weit etabliert, dass viele
der erforderlichen Materialdaten und Kennlinien
standardmäßig bereits bei der Materialentwicklung systematisch mit aufgenommen und zur
Verfügung gestellt werden.
Darüber hinaus werden Material-, Komponenten- und Systemverhalten mit modernster
Sensorik und IT-Unterstützung gezielt aufgenommen, mit Methodenansatz und Modelltopologie verglichen und permanent verfeinert.
Dieses Wissen sowie immer größere verfügbare Rechenleistungen und komplexere Systembetrachtungen ermöglichen es, über einzelne
Lastfälle hinaus Mehrkörper-, Kinematik- und
Regelungssimulationen durchzuführen.
Soweit der Systementwurf und die relevanten
physikalischen Zusammenhänge eineindeutig
definierbar sind, können die Geometriedaten
parametrisch-assoziativ vernetzt in dieses Regel-
12
werk eingebaut werden. Eine 100%ige Simulation der Funktion ist so möglich.
In strategisch relevanten Bereichen, wie z. B. in
der Strukturauslegung von Crashanforderungen
oder bei Achsauslegungen für die Fahrdynamik,
sind derart tief ausgearbeitete Strukturen in der
virtuellen Produktentwicklung inzwischen üblich.
Neben diesen High-End-Anwendungen wird
insbesondere in einer frühen Konzeptphase mit
einfacher Ersatzgeometrie die Grundauslegung
von Bauteilen und Komponenten mittels FEM
berechnet. So kann zumindest die Größenordnung ermittelt und eine Richtungsentscheidung
herbeigeführt werden.
Letztlich unterstützt die funktionale Gestaltung die geometrische Gestaltung und umgekehrt. Je nach Zielsystem wird ein relatives
Optimum nach mehr oder weniger vielen Iterationsschleifen eher im Bereich
der
Dimensionierung,
des
Formfaktors und der Materialauswahl oder im konstruktiven
Grundkonzept gefunden. Diese
Grundauslegungen sind umso
wichtiger, je weniger die funktionale Gestaltung bei widersprechenden Zielen an den
Systemgrenzen aus sich heraus
Eingriffsmöglichkeiten kennt.
Wichtigste Bedingung, das
Systemengineering in der funktionalen Gestaltung zu leben,
ist, in das konstruktive Grundkonzept hinein oder aus ihm
abgeleitet den Systementwurf als Funktionsbaum zu bearbeiten.
3. Systemgestaltung: Die Systemgestaltung
hat die Kernaufgabe, das elektrische und elektronische System für Fahr-, Komfort-, Bedien-,
Anzeige-, Infotainment-, Klima- und andere
Funktionen mit effizientestem Energiemanagement und intelligentester Logik auszulegen.
Weitere Aspekte sind sowohl Kosteneffizienz,
Bauraum und Diagnosefähigkeit als auch Sicherheitsanforderungen. Daher ist die Elektronik im
Fahrzeug extrem vernetzt und hochintegriert
aufgebaut.
Um bei all diesen Rahmenbedingungen ein
robustes Ergebnis zu erzielen, ist die Elektronikentwicklung sehr stringent in einem sogenannten
V-Modell organisiert. Der linke Ast des V-Modells
stellt dabei die Konzeptionierung dar.
In der Bordnetzarchitektur, die gleichsam als
Systementwurf dient, wird das elektrische und
elektronische Gesamtfahrzeug abgebildet. Von
der Basisausführung über Varianten bis zur HighEnd-Ausstattung sind alle Antriebs-, Fahrwerksund Fahrzeugausführungen zu berücksichtigen. Das komplette Spektrum der funktionalen
Anforderungen wird in Funktionslisten aufgenommen. Dabei erfolgt bereits eine Grobpartiti-
onierung und eine Funktionszuordnung in Hardund Softwareblöcke.
Die Architektur strukturiert den Gesamtentwurf in drei Ebenen. Auf der ersten Ebene werden auf Basis erforderlicher Signallaufzeiten und
von Sicherheitsanforderungen oder Datenformaten die Hauptpfade, die Domänen, festgelegt.
Innerhalb einer Domäne finden sich auf der zweiten Ebene die Teilsysteme wieder. Sie sind nach
Funktionsinhalten geclustert und enthalten auf
der dritten Ebene die Komponenten. Die Bordnetzarchitektur ist somit wesentliche Basis für
das Anforderungsmanagement der Systemgestaltung im gesamten Entwicklungsprozess.
Parallel und ineinandergreifend findet das
Funktionsmanagement statt. Je Teilsystem sind
alle relevanten elektronischen Hintergründe
der Systemwelt im Kontext zur geometrischen
und funktionalen Gestaltung in Funktionsbäumen zu hinterlegen, womit sich das prinzipielle
Zusammenwirken von Sensorik, Logik und Aktuatorik definiert.
Die eigentliche „Intelligenz“ der Systemgestaltung wird im Logikmanagement entwickelt.
Abfragestrategie,
Berechnungsalgorithmen,
Nachrichtenkatalog und Timing sind die wesentlichen Stellhebel für Elektroniker und Informatiker in der Programmierung von Steuergeräten.
Das Konfigurationsmanagement ermöglicht
schließlich auf Komponentenebene die fahrzeugspezifische Bordnetzauslegung in der festgelegten Architektur, womit die Konzeptionierung, der linke Ast im V-Modell, beschrieben ist.
Der rechte Ast im V-Modell stellt von der
Komponente kommend über Teilsysteme bis
zu den Domänen im Gesamtsystem Fahrzeug
die Absicherungsreihenfolge bzw. -strategie
dar. Anhand der Funktionsliste wird eine Implementierungsplanung der Kunden- und Systemfunktionen mit Prüfschritten systematisch
abgearbeitet.
Wichtige Voraussetzung dieser sequenziellen
Vorgehensweise ist die Restbussimulation. Mit
eineindeutig beschriebenen Schnittstellen können so Teilbereiche der Elektronik mit einem virtuellen Sollsystem abgeglichen werden. Bevor das
erste physische Fahrzeug auf die Straße geschickt
werden kann, sind alle Systemanforderungen auf
Komponentenprüfplätzen und Teilsystemprüfplätzen bis hin zu Prüfungen an einem Laborfahrzeug (Labcar) nach Bestätigung statischer
und dynamischer Prüfungen abzunehmen.
herausforderungen: Es ist die Herausforderung
der Systemgestaltung, einerseits durch eine
maximal stringente Entwicklung absolute Zuverlässigkeit und Robustheit sicherzustellen, andererseits mit hoher Flexibilität die Innovationspotenziale anspruchsvoller Kundenwünsche wie
z. B. Fahrassistenzfunktionen oder Infotainment,
mit modernen Anzeige- und Bedienkonzepten zu
unterstützen.
lösungsansatz: Ein Lösungsansatz ist, Hard- und
Software mittels virtueller Technologie zu entwickeln. Hier wird Funktionspartitionierung, entgegen der bisherigen Vorgehensweise, nicht in einer
fixen Architektur verankert. Vielmehr stellen virtuelle Masterbereiche (z. B. für Bedienung oder
Anzeigen) die Unterstützungsleistung für das
Bordnetz zur Verfügung. Hard- und Software kann prinzipiell variabel in zentralen oder
dezentralen Bereichen der Architektur eingebaut werden. Die Optimierung kann maximal
nach Kunden- und Systemfunktionen erfolgen.
Voraussetzungen sind allerdings die Entkopplung
von Hard- und Softwareentwicklung einerseits
und ein hohes Maß an Standardisierung in der
Entwicklung andererseits.
3 Designer und
Entwickler in
direkter Abstimmung zwischen
virtueller CADWelt und feststofflichem
Claymodell
Simultanes engineering: Obwohl in den drei
Teilbereichen des Systemengineering, der Geometrischen Gestaltung, der Funktionalen Gestaltung und der Systemgestaltung, das Fahrzeug
in Ausarbeitungstiefe und Durchdringung
nahezu komplett digital beschreiben werden
3
kann, sind wir bislang mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nicht in der Lage, ein Fahrzeug
mit allen Eigenschaften und Funktionen komplett
und in Echtzeit virtuell abzubilden. Auch in den
einzelnen Gestaltungsbereichen ist eine simultane virtuelle Gesamtdarstellung einschließlich
der kompletten Wirkzusammenhänge nur eingeschränkt möglich.
Als Hemmnisse eines simultanen Engineering
lassen sich drei Hauptursachen nennen:
4. tdm Systeme: Die IT-Architektur der in der
Automobilindustrie eingesetzten TDM-Systeme
ist hierarchisch vertikal nach Sachnummern
strukturiert und ergebnisorientiert aufgebaut.
Fachwissen ist auf Expertendatenbanken ausge-
13
4 Virtuelle Produktdaten werden durch das
CAD visualisiert.
4
5 1:1 Claymodelle
aus Industrieton
dienen noch
heute der Kontrolle von 3-DGeometriedaten.
lagert oder nicht allgemein zugänglich. Obwohl
nahezu alle Eigenschaften und Merkmale eines
Fahrzeugs in digitalen Daten vorliegen, sind sie
aus Systemsicht nur indirekt über Sachnummern
zugänglich. Die Suche nach Kontextinformationen führt so über Fahrzeug \ Teilsysteme \
Zusammenbauten \ Komponenten zu Basisinformationen und zergliedert sich hier in die unterschiedlichsten Richtungen bis zu den eigentlichen
Quelldaten. Folge dieses Ordnungssystems ist,
dass eine effiziente Logik- und Wissensdatenbank zur Wiederverwendung und Automatisierung von komplexen Expertenaufgaben nur als
isolierte Sonderlösung umsetzbar ist.
Ein Lösungsansatz wäre, die Datenbanken
nicht nur hierarchisch vertikal, sondern mindestens auch in den Hauptästen horizontal nach
funktionalen und logischen Verknüpfungen
durchstrukturiert aufzubauen. Die Systemgestaltung kommt diesem Anspruch mit ihrer
Gliederung in Anforderungsmanagement, Funktionsmanagement, Logikmanagement und Konfigurationsmanagement am nächsten.
5. die rolle des Konstrukteurs: Die klassische
Rolle des Konstrukteurs als des allein Verantwortlichen für die Erfüllung aller funktionalen,
geometrischen und systemrelevanten Anforderungen zwingen ihn ebenso, zum universellen
Gesamtspezialisten auf Komponentenebene zu
werden, wie die Verbindlichkeit, Vollständigkeit
und Aktualität seines Bauteils. Alle anderen Rollen in der Systembetrachtung sind formal „nur“
als Hilfs- oder Unterstützungsfunktionen gesetzt.
Entscheidungen für und in der Bauteilauslegung sind durch persönliche Abstimmungen und
manuelle Integration geprägt. Auch wenn der
Konstrukteur als hervorragender Spezialist mit
effizientesten Tools unter Ausnutzung parametrisch-assoziativer Konstruktionen virtuos zunehmend größere Bauteilvolumen bearbeiten kann,
bleibt er einerseits für nachgeschaltete Fachstellen (top down) Filter und Flaschenhals der verfügbaren Daten. Andererseits kann er aufgrund
seiner Aufgabenstellung nur sehr bedingt alle
Gesamtsystembelange berücksichtigen und ist
somit für vorgelagerte Fachstellen das Nadelöhr
(bottom up).
Eine Lösung könnte darin liegen, die Rollen
der im Entwicklungsprozess beteiligten Prozesspartner in Zuständigkeit und Verantwortung an
die Aufgaben des Systemengineering anzupassen und neu zu definieren. Wenn Teilleistungen,
z. B. aus der Materialentwicklung, Logistik,
Berechnung und Erprobung, verbindlich, aktuell
und vollständig verfügbar wären und nicht durch
den Konstrukteur als Jäger und Sammler zusammengetragen werden müssen, dann kann sich
der Konstrukteur maximal seiner eigentlichen
Wertschöpfung, der zielgerichteten Produktgestaltung, widmen.
6. die Vernetzung von produktdaten: Die Vernetzung der Produktdaten mit Kontextinformationen findet heute im Wesentlichen personenbezogen bei der Ersterstellung im Rahmen der
Systementwürfe und innerhalb der Teilsysteme
statt. Eine Überarbeitung mit Erfahrungswissen
im Entwicklungsprozess ist nur im Rahmen der
einmal festgelegten Struktur möglich. Dies führt
in der Regel z. B. in der konstruktiven Auslegung
von Komponenten mit tief ausgearbeiteten parametrisch-assoziativen CAD-Modellen entweder
zu einem kompletten Neuaufbau oder, wenn die
Entwicklungszeit nicht mehr reicht, zur Migration
des CAD-Modells, zu toten Geometriedaten.
5
14
6 Die Virtuelle
Realität lässt
sich kaum noch
von der echten
unterscheiden.
6
Idealbild ist ein prozessorientiertes Wissensmanagement, in dem Kontextinformationen und
Entwicklungsaktivitäten automatisch im Hintergrund abgelegt werden. Häufung von Wiederholschritten, Intensität der Nacharbeit, Vernetzung der Aufgaben im Entwicklungsbereich
geben den Daten selbst eine Intelligenz, die als
Logik für eine kontinuierliche Prozessverbesserung genutzt werden kann.
Simultanes Systemengineering: Führen wir uns
die Komplexität von Geometrischer Gestaltung,
Funktionaler Gestaltung und Systemgestaltung
im Systemengineeringansatz vor Augen und
versuchen, auch noch alle am Prozess Beteiligten simultan in den Entwicklungsprozess einzubinden, ist sicher viel Fantasie erforderlich, um
eine Vision für echtes Simultanes Systemengineering zu entwickeln.
Sind es doch gerade Regelprozesse, die unsere
Zusammenarbeit erst möglich machen. Lieferant, Input, Prozess, Output und Kunde – diese
Reihenfolge mit klaren Rollen und Aufgaben ist
das Rückgrat der Entwicklung. Eine sequenzielle
Bearbeitungsstruktur liegt in der Natur eines
jeden Regelprozesses.
Doch kennen wir aus Logistik und Produktion auch die Effizienzsprünge von chaotischen
Prozessen. Der Vorteil liegt hier in der enormen
Verschachtelung sowie der Möglichkeit, ohne
großen Vorlauf die richtigen Ressourcen auf kürzestem Weg zusammenzuführen. Scheinbar ohne
jede Ordnung passen am Ende doch alle Einzelschritte in einem geregelten Ganzen zusammen.
Vielleicht kann die Idee von chaotischen Prozessen der Lösungsansatz sein.
Tatsächlich unterliegen auch chaotische Prozesse Regeln. Das bestimmende Zielsystem
liegt aber außerhalb der primären Prozessbeschreibung.
Der Logik eines chaotischen Warenlagers
folgend ist es eben nicht Ziel, minimalen Platzbedarf und übersichtliche nach Clustern geordnete Lagerplätze zu gestalten, sondern mithilfe
höchster Standardisierung schnellste Ablage-
möglichkeit und höchste Warenverfügbarkeit
sicherzustellen. Ohne Zielsystem, ein hohes Maß
an Standardisierung und eine Menge Know-how
würde jede Fahrzeugentwicklung in einem chaotischen Prozess scheitern. Es können demnach
nicht alle Teilleistungen wirklich gleichzeitig und
parallel an einem Nullpunkt starten.
In der Fahrzeugindustrie existiert allerdings
ein hohes Maß an Standardisierung. Komponenten- und Prozessbaukästen sichern nicht nur
betriebswirtschaftliche Skalierungseffekte ab,
sondern sind geballtes Fach- und Prozesswissen.
Ein Blick auf soziale Netzwerke zeigt, dass
der technische Fortschritt in der Informationstechnologie unglaubliche Potenziale eröffnet
hat, um Wissen verfügbar zu machen. Die Vision
eines simultanen Systemengineerings rückt so in
erreichbare Nähe.
Es sind technische Hürden zu nehmen, geistige Blockaden abzubauen und insbesondere
das elementare Anliegen eines jeden Unternehmens nach Informationsschutz neu zu regeln,
um nicht mit einem stringenten, klar durchorganisierten linearen Informationsfluss (maximale
Sicherheit im Informationsschutz), sondern mit
komplett offenen Informationsnetzwerken, einer
quasi technischen Facebook-Kommunikation,
maximal simultan entwickeln zu können.
Mit dem Anspruch, ein simultanes Systemengineering zu realisieren, stehen wir vor
einem Quantensprung in der automobilen
Fahrzeugentwicklung.
Die Prozessveränderungen der letzten Jahre
haben uns über die virtuelle Produktentwicklung immer weiter hin zum digitalen Fahrzeug
geführt. Dem Risiko, mit einer Übersteuerung
aus Einzelprozessen heraus das Gesamtsystem
und Produkt aus dem Blick zu verlieren, steht die
Chance gegenüber, höchste Effizienz und innovative Schaffenskraft zu verbinden.
Am Ende ist es der Mensch, sind es wir, die
Entwickler, die als Team die Herausforderungen
aufnehmen und die Optimierungspotenziale im
Prozess heben, um so auch morgen noch begeisternde Autos auf die Straße zu stellen.
«
15
MRO 2.0
MRO 2.0
prozessautomation in der luftfahrzeuginstandhaltung
michael ernst – Lufthansa Technik AG, Hamburg
1 Triebwerke vor
einem Lufthansa
Technik Hangar
1
2 Zukünftig
automatisierter
Instandhaltungsprozess
» Inspektion,
Wartung und Reparatur von
Flugzeugsystemen (Maintenance, Repair and
Overhaul, kurz MRO) ist die Schlüsselkompetenz zur Gewährleistung eines sicheren Flugbetriebs sowie zur Aufrechterhaltung der
Ökologie und Ökonomie über den gesamten
Lebenszyklus eines Flugzeugs.
Die MRO-Branche ist im Vergleich zu technologisch und bedeutungsmäßig vergleichbaren
Industrien wie dem Automobilbau immer noch
durch ein sehr hohes Maß an manuellen Tätigkeiten geprägt, die große Anforderungen an den
Ausbildungs- und Kenntnisstand sowie das Verantwortungsbewusstsein der durchführenden
Fachkräfte stellen. Vor diesem Hintergrund sowie
der Forderung nach umwelt- und Ressourcen
schonenden Produktionsprozessen stehen die nationalen
2
MRO-Dienstleister im internationalen Wettbewerb unter
zunehmend hohem Druck.
Insbesondere die Original
Equipment
Manufacturer
(OEM), die immer stärker auf
den internationalen MROMarkt drängen, haben die
Konkurrenzsituation stark verschärft und somit
den Druck auf die MRO-Dienstleister zur Verlagerung von technisch weniger anspruchsvollen
Prozessen ins Ausland weiter erhöht.
Mit einem prognostizierten Umsatzwachstum
von etwa 34 % auf rund 58 Mrd. USD bis zum
Jahr 2019 stellt das MRO-Geschäft trotz großer
Herausforderungen und zunehmend höherer
Kundenanforderungen auch weiterhin einen
16
lukrativen Markt dar,
der ein enormes Wachstumspotenzial
besitzt
und attraktive Beschäftigungsmöglichkeiten
bietet.
Die Strategie der
Lufthansa Technik (LHT),
den Herausforderungen
zu begegnen und die
M a r k t e n t w i c k l u ng e n
gewinnbringend für das
Unternehmen und den
nationalen Standort zu
nutzen, besteht in einer
zunehmenden Automatisierung der Instandhaltungsprozesse.
Die
Automatisierung wandelt dabei personengebundenes Know-how in leichter zu schützende
und international vermarktbare industrielle Produkte. Der Standort Hamburg strebt hierbei die
Rolle als Technologieentwickler, -nutzer und
-vermarkter in einem international agierenden
Unternehmen an, um so die Balance zwischen
erfolgreicher internationaler Expansion und
nationalem Standortausbau bzw. nationaler
Standortsicherung zu schaffen.
Die technologischen Besonderheiten der
Instandhaltungsprozesse, die luftrechtlichen Vorschriften sowie die instand zu haltenden Bauteile stellen besondere Anforderungen an die
Automatisierungstechnik. Zum einen erfordern
sehr geringe Stückzahlen eine kostengünstige
Automationslösung. Zum anderen bedingt eine hohe Variantenvielfalt in Verbindung mit
komplexen Geometrien und
geringen Fertigungstoleranzen
eine flexible und hochgenaue
Automation.
All diese Aspekte müssen
bereits früh im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden,
um neben einer innovativen Technologie auch
ein wirtschaftliches Instandhaltungsprodukt entstehen zu lassen.
Im Gegensatz zur Neuteilfertigung wirkt
zudem erschwerend die Problematik, dass jedes
Bauteil stets individuell beschädigt ist, da im
Flugbetrieb – speziell im Triebwerk – unterschiedlichste Bedingungen herrschen. So weisen Triebwerke, die z. B. im kontinentalen Verkehr einge-
MRO 2.0
setzt werden, aufgrund hoher Belastung durch
häufige Starts und Landungen im Regelfall deutlich stärkere Beschädigungen auf, als Triebwerke
im interkontinentalen Verkehr.
Die Prozessautomation in der MRO-Branche
– speziell in der Triebwerksinstandhaltung – muss
daher eine sogenannte „Adaptivität“ aufweisen,
die es erlaubt, die Bearbeitung dem jeweiligen
Bauteilzustand anzupassen. Hierzu werden taktile oder optische Messsysteme eingesetzt, die
die Istgeometrie erfassen und daraufhin mittels
spezieller Software die nominalen Bearbeitungsprogramme entsprechend anpassen. Innerhalb
des automatisierten Bearbeitungsablaufs (z. B.
zwischen dem Fräsen, dem Schweißen und
dem abschließenden Oberflächenfinish) sollten
jedoch keine weiteren Messzyklen stattfinden. Dies stellt software- und technologieseitig
große Herausforderungen dar, weil Ungenauigkeiten der Teilprozesse kompensiert werden
müssen, speziell dann, wenn die automatische
Bearbeitung nicht auf kartesischen Maschinen
erfolgen soll. Hiermit befasst sich ein aktuelles
Forschungsprojekt der LHT.
Flugzeugsysteme, -baugruppen und -einzelteile durchlaufen bei der LHT im Instandhaltungsprozess diverse Kontrollen und Inspektionsprozesse. Diese dienen zur Gewährleistung einer
hohen Reparaturqualität und Bauteilsicherheit
und somit letztendlich auch einer hohen technischen Zuverlässigkeit des Fluggeräts. Prüfoder Inspektionsprozesse stellen jedoch stets
eine nicht wertschöpfende Tätigkeit dar, die
unter Produktivitätsgesichtspunkten möglichst
zu vermeiden ist. Die Abschaffung von Qualitätskontrollen darf jedoch keine Option sein.
Daher sind gegenwärtig auch Forschungsaktivitäten der LHT darauf gerichtet, Inspektionsprozesse intelligenter, effizienter und noch sicherer
zu gestalten. Trotz klar definierter Abläufe und
hoch qualifizierter Mitarbeiter stellt der Faktor
Mensch ein Risiko dar. Auch hier ist die Prozessautomation – unter Einsatz innovativer Technologien – ein geeignetes Mittel, herkömmliche
manuelle, zeitaufwendige und u. U. umweltbelastende Inspektionsprozesse durch innovative
Prüfverfahren zu ersetzen.
Ingenieure der LHT forschen aktuell an einem
Verfahren, das eine vollautomatische adaptive
Inspektion von Luftfahrzeugbauteilen erlaubt.
Hochauflösende Sensortechnik in Verbindung
mit einem flexiblen Handhabungssystem bildet
hierfür die Grundlage. Selbst kleinste Beschädigungen werden vollautomatisch detektiert. Ziel
ist es, das System dahin gehend weiterzuentwickeln, dass zukünftig ein vollautomatischer
MRO-Prozess – bestehend aus Inspektion und
anschließender Reparatur – entsteht.
«
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Lean Management als erfolgsfaktor moderner unternehmen
MARIUS COMAN – Bertrandt Technikum GmbH, Ehningen
1
»
Wie können Werte ohne Verschwendung
geschaffen werden? Eine Antwort auf diese Frage
verbirgt sich in „Lean Management“. Entwicklungsdienstleister Bertrandt unterstützt bei der
Planung, Einführung und Umsetzung von LeanManagement-Projekten, um die Wertschöpfung
im Unternehmen zu erhöhen.
Hintergrund: Alles begann mit dem vor über
50 Jahren von Toyota entwickelten Fertigungsverfahren für die Serienproduktion: das ToyotaProduktionssystem, das die Produktivität der
Massenfertigung mit einer hohen Qualität verbindet. Dabei sollen organisatorische Abläufe
optimiert, mit möglichst geringer Verschwendung von Ressourcen produziert und als Folge
Materialbestände reduziert werden. Ein solcher
Prozess kann jedoch nur funktionieren, wenn
die Mitarbeiter qualifiziert sowie die Maschinenverfügbarkeit und die hohe Qualität der hergestellten Zwischenprodukte gewährleistet sind.
Vor diesem Hintergrund hatte sich Toyota auch
bereits sehr früh an den Qualitätsstrategien des
US-Amerikaners William Edwards Deming orientiert, eines Pioniers des Qualitätsmanagements.
1 Veranschaulichung einer
Produktionskette
2 Prozessoptimierung durch
Eliminierung von
Verschwendung
18
Was verbirgt sich hinter Lean
Management?
Lean
Management verfolgt den Ansatz, durch
Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette den Anteil nicht
wertschöpfender Leistungen oder
sonstiger Verschwendung zu reduzieren und durch wertschöpfende
Tätigkeiten zu ersetzen.
Als Verschwendung werden
Aktivitäten oder Zustände bezeichnet, die nichts mit dem Wertzuwachs von Produkten zu tun haben
oder nur mittelbar daran beteiligt
sind. Dabei wird die Frage gestellt,
wofür der Kunde bezahlt. Die sieben
Arten der Verschwendung sind Prozessübererfüllung, Transport, Wartezeit, Nacharbeiten wie
Reparaturen oder Fehlerbehebungen, Materialbewegung und Lagerbestände. Als umfassendste
Form der Verschwendung ist die Überproduktion
zu bezeichnen, da sie alle anderen Arten der Verschwendung nach sich zieht.
Die erste globale Lean-Management-Welle
gab es in den 1990er-Jahren; sie verschwand
allerdings relativ schnell aus dem Bewusstsein der Manager. Das Konzept hielt circa zehn
Jahre später wieder Einzug. Die Einführung von
Lean Management bei international agierenden
Unternehmen bestätigte damals den Erfolg des
ganzheitlichen Lean-Prozessmanagements.
Heute zwingen konjunkturelle Schwankungen, zunehmender internationaler Wettbewerb, Globalisierung der Märkte und Kostendruck die Unternehmen, ihre Geschäftsprozesse
zu optimieren. Dabei steht die Kostensenkung
im Vordergrund, sodass viele Organisationen
das Ziel verfolgen, durch Lean-ManagementProjekte die Effizienz der unterschiedlichen
Geschäftsprozesse zu steigern.
Für welche Unternehmen eignet sich Lean
Management? Auch wenn die Prinzipien und
Werkzeuge ursprünglich aus Sicht der Produktion
entstanden sind, können sie überall eingesetzt
werden, wo Prozesse befolgt werden: in der Fertigung, in der Konstruktion, im Tiefbau oder im
Hotelmanagement, in Arztpraxen oder im Krankenhaus, in der Verwaltung oder der Personalabteilung. Für bestimmte Zweige der Wirtschaft
gibt es schon Weiterentwicklungen
von Lean Management, z. B. Lean
Engineering für die produktionsgerechte und effiziente Produktentwicklung oder Lean Construction für
effiziente Prozesse im Baubereich.
2
Unterstützung bei der Einführung
von Lean Management: Vor diesem Hintergrund hat Entwicklungsdienstleister Bertrandt sein Leistungsspektrum um den Baustein
„Lean Management“ erweitert.
Die Abteilung „Produktionsbegleitende Dienstleistungen“ unterstützt
Unternehmen bei der Planung, Einführung und Umsetzung von LeanManagement-Projekten. Durch Prozessoptimierung wird die Effizienz
in allen Bereichen gewinnbringend gesteigert.
Konsequentes Hinterfragen bestehender Abläufe
zeigt typische Verschwendungen in Administration und Produktion auf und eliminiert sie.
Anschließend werden wertschöpfende Sollprozesse methodisch erarbeitet. Dabei kommen
verschiedene Problemlösungsmethoden wie die
5-×-Warum-, die 7-W- oder die 4-M-Checkliste
zum Einsatz. Die Einbindung der Mitarbeiter
stellt sicher, dass die Veränderungen nachhaltig
und an den praktischen Nutzen des Unternehmens angepasst sind. Bertrandt unterstützt von
der Analyse über das Solldesign und die Implementierung der neuen Strategie und Prozesse bis
hin zur Zielerreichung. Dabei bringt der Entwicklungsdienstleister Größen wie Qualität, Kosten
und Liefertreue ins Gleichgewicht, was sowohl
den Wertbeitrag des Unternehmens als auch die
Mitarbeiterzufriedenheit beeinflusst.
Schulungsangebote für Lean Management: Fundiertes Know-how vermitteln Fortbildungsseminare des Bertrandt-Konzerns, auf deren Basis
die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus verschiedenen Fachbereichen und Niederlassungen
geschult werden. Zielgruppe sind zum einen Führungskräfte, die ihr Wissen erweitern möchten,
um einen Mehrwert für Bestands- und Neukunden zu generieren. Zum anderen richtet sich das
Schulungsangebot an Mitarbeiter, die beim Kunden Lean-Management-Projekteinsätze in Produktion, Planung und Logistik übernehmen. Ein
weiterer Fokus liegt auf der Zielgruppe der Entscheider des Kunden, wenn Lean-ManagementProjekte im Unternehmen angestoßen werden.
Besonders interessant ist die Weiterbildung für
externe Teilnehmer. Speziell die Automobilindustrie ist mit stetig steigendem Kostendruck sowie
immer komplexeren Modulstrategien innerhalb
der Wertschöpfungskette konfrontiert. Lean
Management hat daher zunehmend an Bedeutung gewonnen und gehört heute zum Alltag
eines produzierenden Unternehmens. Kunden
können die gesamte Schulung buchen oder einzelne Module gezielt zusammenstellen, um den
größtmöglichen Nutzen zu erzielen.
Schulungsaufbau und Seminarinhalte: Das
Schulungsangebot hat einen modularen Charakter und bietet eine ganzheitliche Sicht auf
die Inhalte. In zwei Blockseminaren mit einer
Gesamtdauer von fünf Tagen werden aber nicht
nur theoretische Kenntnisse vermittelt. Im Verlauf der Lean-Management-Schulung werden
Teilnehmer mit Best-Practice-Beispielen sowie
Fallstudien vertraut gemacht. In Gruppenarbeit
erfolgt die Erarbeitung der wichtigsten Erfolgstreiber des Lean-Gedankens, um sie im Projekt
oder Unternehmen umzusetzen.
Der erste Seminarblock führt in das spannende Themenfeld ein. Teilnehmer erhalten
einen Überblick zu notwendigen Methoden und
3
Tools und zu historischen Hintergründen sowie
erste Informationen zu Konzept und Inhalten
sowie zur Philosophie des Toyota-ProduktionsSystems. Sie verstehen, wie der Lean-Gedanke
entstanden ist, was er beinhaltet, welche Ziele
dieses System verfolgt und welchen Beitrag jeder
Mitarbeiter dazu leisten kann – und weshalb die
Automobilindustrie damit arbeitet.
Der zweite Seminarblock beschäftigt sich
intensiv mit den Lean-Management-Methoden
und -Tools, um effektiver und produktiver zu
arbeiten. Dabei handelt es sich um die sechs
Module JIT-Logistik, Prozess- und Arbeitsorganisation (Anlagenverfügbarkeit), Qualität (Robuste
Prozesse), Kaizen (KVP), Lean-Six-Sigma sowie
die Implementierung der Lean-ManagementPrinzipien.Zum Abschluss runden die Teilnehmer
ihr Wissen durch ein Lean-Planspiel ab.
3 Aufbau des
BertrandtSchulungsangebotes Lean
Management
Welche Maßnahmen erfordert die Zukunft?
Material- und Informationsflüsse im Unternehmen zu optimieren, Durchlaufzeiten zu reduzieren, Flexibilität in der Produktion zu erhöhen,
Prozesse zu standardisieren und Verschwendung
gezielt zu vermeiden, sind zentrale Themen des
Lean Managements. Bei genauerer Betrachtung
wird sehr schnell deutlich, dass es sich hierbei um
zentrale Herausforderungen der Industrie handelt. Die Globalisierung erfordert, dass Unternehmen sich an diesen Inhalten orientieren, um
Kosten einzusparen. Verbessern Unternehmen
ihre Prozesse im Zuge des Lean Managements
nachhaltig, schaffen sie dadurch eine zufriedene
und konstante Kunden-Lieferanten-Beziehung
– und darüber hinaus motivierte und zufriedene Mitarbeiter, die mit Erfolg und einem
neuen Blickwinkel das Unternehmen im Team
nach vorne bringen. Die Ausweitung des LeanManagement-Gedankens und die konsequente
Durchführung von Kaizen-Workshops ist daher
ein wichtiger Faktor für den nachhaltigen Erfolg
moderner Unternehmen, die der Globalisierung
sowie einem steigenden Wettbewerbs- und
Kostendruck unterliegen.
«
19
funktionsverglasung
funktionsverglasung
kraftstoffeffizienz und sicherheit
DR.-ING. ANN-KATRIN GLÜSING; DR. VOLKMAR OFFERMANN – Saint-Gobain Sekurit International, Herzogenrath
1 Schema des
Glasaufbaus einer laminierten,
beschichteten
Windschutzscheibe SGS
ClimaCoat
(v. l. n. r.): innere
Glasscheibe,
ClimaCoatBeschichtung,
Trägerschicht,
PVB-Folie,
Schwarzdruck
und äußere
Glascheibe
1
20
» „Es ist ein unendliches Kreuz, gutes Glas zu
machen“, so lautet der Glasmacherspruch aus
alten Tagen. Als Schutzschild gegen Wind und
Wetter ist eine moderne Frontscheibe längst
ein technisch hochwertiges Qualitätsprodukt. In
den vergangenen Jahren hat Saint-Gobain Sekurit zahlreiche Zusatzfunktionen in das Autoglas
eingebracht. Als Neuheit vereint SGS ClimaCoat
zwei Schlüsselfunktionen in der Windschutzscheibe: Sonnenschutz im Sommer und Heizung im Winter. Bereits erhältlich ist die drahtlos
beheizbare und Infrarotstrahlung reflektierende
Windschutzscheibe im neuen VW Passat. Weitere Modelle werden in naher Zukunft folgen.
Funktionsweise
der
Allwetterwindschutzscheibe: Die Technologie basiert auf einer
komplexen Beschichtung auf einer der inneren
Glasseiten des Glasverbunds (Bild 1). Hauptbe-
standteil der transparenten Beschichtung sind
dünne Silberschichten. Diese Schichten wirken
für Infrarotstrahlung wie ein Spiegel und reflektieren die Wärmestrahlung der Sonne direkt
in die Umwelt zurück. Gleichzeitig ist diese
Beschichtung so leitfähig, dass die Scheibe bei
Anlegen einer elektrischen Spannung an der
Schicht heizbar ist.
Aktive Wärmeschutzverglasung für kühle Fahrgastzellen im Sommer: Sonnenschutz im Sommer verbessert nicht nur das thermische Komfortgefühl im Fahrzeug, sondern senkt auch den
durch die Klimaanlage verursachten Energieverbrauch. Thermischer Komfort gewinnt an Bedeutung und Kraftstoffeffizienz treibt den Markt. Als
Wärmeschutzglas ist SGS ClimaCoat doppelt so
leistungsfähig wie heutige marktübliche Wärme
reflektierende Produkte. Gegenüber dem Wärmeeintrag einer Grünglasverglasung mit 65 %
weist SGS ClimaCoat nur 40 % Wärmeeintrag
in das Fahrzeug auf (Bild 2). Im Sommer verringert die Wärme reflektierende Beschichtung das
Aufheizen des Fahrzeugs in der prallen Sonne,
die Klimaanlage muss weniger laufen und angenehme Temperaturen werden schneller als mit
einer Standardverglasung erreicht. Folglich kann
der Einsatz der Klimaanlage reduziert werden,
der Kraftstoffverbrauch sinkt, und der Komfort
steigt. Ein Fahrzeug mit einer SGS-ClimaCoatWindschutzscheibe erzielt eine 30%ige Einsparung beim Klimaanlagenverbrauch, gleichbedeutend mit einer Reduzierung der CO2-Emission um
1,6 g CO2 pro km im europäischen Jahresmittel.
funktionsverglasung
Zusätzlich wird die direkte Sonneneinstrahlung
auf Arme und Beine des Fahrers stark reduziert.
An der Oberfläche des Armaturenbretts wird
eine Temperaturdifferenz von 12 K zwischen
Standardscheibe und ClimaCoat-Frontscheibe
während der Aufheizphase gemessen. Dies hat
positive Auswirkungen auf das subjektive Komfortempfinden.
Optimale Sicht ohne Scheibenkratzen und
Scheibenbeschlag im Winter: Der Komfort der
Enteisung durch beheizte Heckscheiben ist längst
Standard. Wird das System per Knopfdruck aktiviert, fließt Strom und die freigesetzte Wärme
lässt Beschlag und Eis in kürzester Zeit verschwinden. Eine klare Sicht und eine erhöhte Sicherheit
der Insassen gibt es auch für beheizbare Frontscheiben, die über eine leitfähige Schicht enteist
werden (Bild 3). Fahrer betätigen den Knopf, um
3
die ClimaCoat-Frontscheibe zu aktivieren, und
innerhalb von Minuten werden Eis und Beschlag
mit einer Heizleistung von 350 bis 500 W schnell
entfernt. In puncto Sicherheit überzeugt ClimaCoat durch das Eliminieren der Wiedervereisung
und des Beschlags in den ersten Fahrminuten.
Seit fast 30 Jahren gibt es bereits eine technische Lösung für heizbare Frontscheiben, bei
der feine, nahezu unsichtbare Heizdrähte in Ver-
bundglas eingearbeitet
sind. Die Vorteile der
neuen ClimaCoat-Frontscheiben gegenüber der
bisherigen Lösung mit
Drahtheizung sind die
vollflächige Beheizbarkeit und die vollständige Transparenz. Auch
Kunden, die sich von
den feinen Drähten in
der Sicht gestört fühlen, können jetzt mit
der
ClimaCoat-Frontscheibe eisfrei durch fros
tige Wintertage fahren.
Zudem funktioniert dieser Luxus einer beheizbaren Frontscheibe mit der
vorhandenen 14-V-Bordspannung – bisherige
Systeme benötigen 42 V und somit eine separate
Stromversorgung.
Nachhaltigkeit: Gute Sicht für den Fahrer ist
eine unentbehrliche Sicherheitsanforderung für
alle Fahrzeuge, unabhängig von elektrischem
Antrieb oder konventionellem Verbrennungsmotor. Der große Unterschied zwischen beiden
Fahrzeugkonzepten ist, dass in einem herkömmlichen Fahrzeug der Motor Wärme generiert, die
zur Heißlufterzeugung genutzt werden kann, um
zur Beschlagentfernung gegen die Windschutzscheibe geblasen zu werden. In einem Elektrofahrzeug ist die Situation ganz anders, da der
Motor kalt bleibt. Tests belegen, dass die direkte
Beheizung der Windschutzscheibe für ein solches
Fahrzeug viel effizienter ist, als warme Luft in
einem Heizer zu erzeugen und diese dann gegen
das Glas zu blasen. Also helfen beheizbare Windschutzscheiben SGS ClimaCoat, Energie einzusparen, und erhöhen so auch die Reichweite der
Elektrofahrzeuge.
«
2
2 SGS ClimaCoat
sorgt im Vergleich zu Grünglas für besseren
thermischen
Komfort, da
statt 65 % nur
noch 40 % Wärme der Sonne
in das Fahrzeug
eindringen und
es aufheizen.
3 Beheizbare
Windschutzscheiben kommen aufgrund
der ClimaCoatBeschichtung
ohne Heizdrähte aus.
class A modeling
class A modeling
softwarelösung für den gesamten designprozess
Horst VoGt – Virtual Shape Research GmbH, Ronnenberg
Horst Vogt
ist Leiter
Marketing der
Virtual Shape
Research GmbH
in Ronnenberg
bei Hannover.
1 Ändert sich die
Geometrie, führt
VSR Shape Analysis umgehend
die Analyse
durch, sodass
sich die Qualität
von Flächen und
Kurven direkt
beurteilen lässt.
22
» In der Konstruktion
1
und im Design verfolgen die Akteure die
gleichen Ziele, jedoch
in
unterschiedlicher
Herangehensweise: Den
Konstruktionsprozess
definieren klare Vorgaben mit Schwerpunkt
auf Genauigkeit, während der Designprozess durch Kreativität
und Faktoren wie die
Wahl der Farbe und des
Materials oder die zu
erfüllenden Funktionen
definiert ist. Die Formgebung der Objekte
vervollkommnet anschließend erfolgreiches
Design. Beide Herangehensweisen ergänzen sich
und fließen im Idealfall im Formfindungsprozess
zusammen. Die Virtual Shape Research GmbH
(VSR) entwickelt für diese Prozesszusammenführung effiziente Lösungen des Formfindungsprozesses, seiner exakten Umsetzung und der Kommunikation der Prozessbeteiligten.
Erfolgreiches Design beginnt mit einem
überzeugenden Konzept und einem auf die
Herausforderungen
abgestimmten
Prozess.
Besonders aufwendig ist die Umsetzung von
Designkonzepten mit skulpturalem Charakter,
die sich durch viele komplexe, frei geformte
Oberflächen auszeichnen, das so genannte
Class-A-Modeling. Die Erzeugung und Umsetzung dieser Oberflächen stellt hohe Ansprüche
an alle Schritte der Prozesskette, insbesondere
aber an die Fertigung.
Das Angebotsportfolio von VSR auf der
Basis von Rhinoceros® 3D deckt den Workflow
vollständig ab: Reverse Engineering, Flächenerzeugung, -analyse und -modellierung sowie
deren fotorealistische Präsentation. Dabei helfen Entwicklungen wie interaktives Ray-Tracing
bei einer möglichst realistischen Darstellung
der Designentwürfe.
Leistungsfähiges Modellieren – effizientes
Arbeiten: Für gutes Modellieren müssen mehrere wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein:
eine geeignete Mathematik für die Beschreibung
komplexer Oberflächen, robuste Funktionen und
praxisorientierte Workflows, die dem Anwender helfen, seine Arbeit schnell und präzise zu
erledigen. Mit Konzentration auf die eigentliche
Arbeit – die Umsetzung der eigenen Kreativität
– kommt ein Bedienkonzept zur Anwendung, das
auf dem WYSIWYG-Prinzip („What You See Is
What You Get“) basiert. Mit assoziativ und parallel ausführbaren Analysefunktionen lässt sich
in jeder Phase der Entstehung einer Oberfläche
bereits deren Güte beurteilen. Mit diesem unmittelbaren Feedback für den Anwender kann dieser
seine Arbeit schnell evaluieren und sofort in die
Flächenerzeugung eingreifen (Bild 1).
Assoziative Anschlüsse und Geometriemodellierung: Dieses Konzept des intuitiven Arbeitens
wurde von VSR auf komplexere Operationen
ausgeweitet: So lassen sich bei anspruchsvollen
Erzeugungsoperationen, z. B. eines Blends mit
gleichzeitig aktivierten Analysen, die Anschlüsse
benachbarter Flächen vollassoziativ und kontrolliert mit verändern (Anschlüsse stellen in diesem
Zusammenhang die Eigenschaften eines Übergangs einer Fläche zu benachbarten Flächen
dar, deren Kontrolle einen bedeutenden Anteil
an der Flächenmodellierung einnimmt). Hieraus resultiert ein erheblicher Zeitgewinn, da das
Editieren den Schwerpunkt beim Aufbau eines
Flächenmodells bildet.
In bestimmten Anwendungsfällen ist die
Beherrschung hochwertiger Anschlusseigenschaften bis zur Qualitätsstufe G³, dem sogenannten FLOW, notwendig. Dies spiegelt sich
z. B. in der Fertigungsplanung als wirtschaftlicher Faktor im Herstellungsprozess wider. In
Situationen mit komplexer Geometriestruktur
entstehen am Flächenübergang Öffnungen, die
class A modeling
geschlossen werden müssen. Hier sind Funktionen wie das VSR-Multiblend (Bild 2) hilfreich,
durch die aufgrund neuer Approximations-Algorithmen eine Fläche entsteht, die die Anschlussbedingungen bis G² erfüllt.
Anwendergesteuertes
oder
automatisches
Arbeiten? Dem Wunsch vieler Anwender, möglichst viel zu automatisieren, stehen die Anforderungen der notwendigen Designkontrolle
gegenüber. Alles entsteht in zeitaufwendiger
Handarbeit. Die Softwarelösungen von VSR leisten hier den Spagat zwischen diesen Anforderungen, sodass bei voller Kontrolle durch automatisierte Abläufe möglichst viel Routinehandarbeit
eingespart und der Schwerpunkt auf das Design
gelegt werden kann.
sitzungsübergreifendes Arbeiten: Da das Design
nicht an einem Tag entsteht und Unterbrechungen zum Arbeitsalltag gehören, werden auch
bei der Übergabe Hilfestellungen geben. Dazu
wird die Arbeitsumgebung mit ihren spezifischen
Einstellungen und Parametern „eingefroren“,
d. h. gespeichert. So werden notwendige Analysen assoziativ mit allen Parametern sitzungsübergreifend gesichert (Bild 3). Ein zeitaufwendiges Einrichten der Hilfsmittel beim nächsten
Öffnen bleibt erspart.
„Ein Bild sagt mehr als tausend Worte“: Die
dreidimensionale Produktentwicklung hat sich
bereits etabliert, elektronischer Datenaustausch
ist Standard für die Prozessbeteiligten. In der
Welt des Web 2.0 und in Vernetzungen über
Social-Media-Plattformen sind neue Formen der
Kommunikation gefragt, die den potenziellen
Kunden bereits von Beginn an in den Entwicklungsprozess einbinden. Ein Produkt, ein Design
muss „erfahrbar“ sein – und zwar für jedermann.
Der Austausch sollte in 3-D erfolgen und „barrierefrei“ möglich sein. Letztlich möchte sich kein
Prozessbeteiligter immer wieder mit Softwareinstallationen beschäftigen oder auf bestimmte
Endgeräte beschränkt sein.
2
Als Lösung hat VSR hierfür mit VSR WebGL
Export ein Plug-in zu Rhinoceros® 3D entwickelt.
Das Datenmodell wird dabei in einem Format
exportiert, das die anschließende Betrachtung
auf unterschiedlichsten Endgeräten ermöglicht, wozu lediglich ein aktueller Webbrowser
erforderlich ist.
Die Daten können anschließend exportiert
und als Webcontent genutzt oder gezielt als
E-Mail-Anhang verschickt werden. Der Adressat
kann wiederum direkt auf die Daten zugreifen,
ohne erst eine spezielle Software installieren zu
müssen, wie es bisherige Lösungen verlangen.
Das Betrachten von 3-D-Modellen wird auf diese
Weise denkbar einfach und die visuelle Kommunikation erheblich effizienter.
Vor der Kommunikation benötigt überzeugendes Design außerdem eine fotorealistische Darstellung: Der VSR Realtime Renderer
mit adaptivem Ray-Tracing rückt die Entwürfe
„ins rechte Licht“ und lässt die zuvor mit
VSR Shape Modeling erreichte Design- und
Flächenqualität „glänzen“.
2 Mit hochentwickelten
Funktionen wie
Multiblend füllt
der Anwender
komplexe Öffnungen in einem
Schritt. Dabei
können an allen
Seiten Übergangsbedingungen bis G²
(tangentenstetig) eingehalten
werden. Dies
erspart aufwendige manuelle
Nacharbeit.
3 Für die Modellierung
erforderliche
Analysen lassen
sich mit einer
Managementfunktion sitzungsübergreifend einrichten
und verwalten.
Damit wird eine
zeitaufwendige manuelle
Herstellung
vermieden.
Die Basis zu überschaubaren Kosten: Als
Basis für die VSR-Plug-ins wird Rhinoceros® 3D genutzt. Diese Plattform bietet Zugriff
auf alle relevanten Datenstrukturen und
mit ihrer Vielfalt an Schnittstellen lässt sich
die Lösung in nahezu jede Umgebung nahtlos einfügen. Eine Vielzahl von Applikationsentwicklern stellt Lösungen für nahezu jede
Engineering-Herausforderung zur Verfügung.
Ein weiterer Nutzen, der von der Offenheit des
Systems herrührt, ist
der flexible Zugriff und
die Erweiterbarkeit der
Datenbank. So lassen
sich durch das Anlegen eigener Elemente
alle Informationen in
der
Datenbank
für
die jeweils spezifischen
Bedürfnisse erweitern.
Die Ablage aller Daten
in nur einem Dateiformat bietet beträchtliche Vorteile für den
Datenaustausch
und
den Einsatz in einem
3
PDM-System.
«
23
square cube law
square cube law
zur grenze des wachstums heutiger verkehrsflugzeuge
prof. dr.-ing. Jürgen thorbeck – Institut für Luft- und Raumfahrt, Technische Universität Berlin
» Das
historische Größenwachstum von Verkehrsflugzeugen hat seinen vorläufigen Endpunkt erreicht mit der A380, die mit einer Flügelspannweite von ca. 80 m und einer Rumpflänge
von ca. 72 m bis zu 853 Passagiere über mehr als
15 000 km transportieren kann. Dieses Wachstum
hat seine Begründung in einer Gesetzmäßigkeit,
die die Abnahme der Betriebskosten mit zunehmender Größe beschreibt. Würde dieses Gesetz
Allgemeingültigkeit besitzen, wären Flugzeuge
des gegenwärtigen Standes der Technik auch
in Größen von mehreren Tausend Passagieren
realisierbar. Beim Herangehen an eine derartige
Entwurfsaufgabe zeigt sich aber, dass es Grenzen
für ein derartiges Wachstum gibt. Sowohl die
Flügel- als auch die Rumpfmasse folgen stark
progressiven Massenskalierungsgesetzen, die die
Economy of Scale zunächst bremsen und dann
sogar überkompensieren. Mit einfachen Ansätzen werden diese Skalierungsgesetze ermittelt
und ihre Konsequenzen für den zukünftigen
Flugzeugbau aufgezeigt.
1 Prinzip der
Flugzeugentwurfssynthese
2 Viermotorige
Langstreckenverkehrsflugzeuge der
Nachkriegszeit
2
historische entwicklung der flugzeuggröße: Der
Flugzeugbau widmete sich historisch zunächst
ausschließlich dem Ziel, das Flugproblem zu
lösen. Es folgte eine beeindruckende Entwicklung
der Flugleistungen. Mit Beginn des kommerziellen Luftverkehrs wurde die Wirtschaftlichkeit
zum universellen Optimierungskriterium. Das
bis heute ungebrochene Nachfragewachstum
machte die Luftfahrt zu einer unübertroffenen
Erfolgsgeschichte. Begrenztes Wachstum der
Infrastruktur sowie die Economy of Scale zwingen zu immer größeren Flugzeugen. Es stellt sich
die Frage nach der Grenze dieses Wachstums. Sie
betrifft, wegen ihrer großen Gesamtmasse, vornehmlich Langstreckenflugzeuge.
Seit Beginn des strukturierten Luftverkehrs
wuchs das für die Flugzeuggröße repräsentative Abfluggewicht von
Verkehrsflugzeugen in
jeder Dekade um 20 %.
Dieser Trend konnte
nach Einführung der
B747 nicht aufrechterhalten werden, denn
die A380 liegt deutlich
unterhalb der Zuwachsrate nach diesem logarithmischen Gesetz.
Bilder: Lufthansa AG, Boeing
24
Seit Beginn der Nachkriegsära und der Einführung von Strahlantrieben haben sich die Flugzeuge in ihrem äußeren Erscheinungsbild nur
wenig verändert. In bild 2 sind die viermotorigen
Vertreter des Langstreckensegments mit den für
Machzahlen > 0,8 typischen Pfeilflügeln abgebildet. Diese Flugzeuge weisen alle exakt die gleiche Konfiguration auf, was den Schluss zulässt,
dass es sich dabei um eine im Hinblick auf die
Wirtschaftlichkeit optimale Auslegung handelt,
die sich auf evolutionärem Weg entwickelt hat.
1
flugzeugentwurfssynthese: Der Flugzeugentwurf wird mathematisch durch ein umfangreiches System von nicht linearen Gleichungen
und Ungleichungen (Restriktionen) beschrieben, die nicht nach den Variablen aufgelöst und
somit geschlossen gelöst werden können. Ausgehend von einer statistischen Vorgabe für die
Variablen erfolgt die Lösung deshalb auf iterative Weise. Alle Variablen sind nicht linear voneinander abhängig.
Praktisch bedeutet dies, dass sämtliche flugphysikalischen, betrieblichen und wirtschaftlichen Aspekte für die Gestaltungsparameter
jeder Anfangs- bzw. Zwischenlösung analysiert
werden und diese Parameter bei Nichterfüllung
der Randbedingungen verfahrensstrategisch
neu bestimmt werden müssen, was in bild 1
durch den spiralförmigen Verlauf des Prozesses
verdeutlicht werden soll. Nach Konvergenz liegt
dann ein gültiger Entwurf vor, der in einer nächsten Entwurfsphase detaillierter bis hin zu einem
Vorentwurf ausgearbeitet werden kann.
Vergrößerungsfaktor Schneeballeffekt: Der
Rückwirkung von Änderungen einzelner Parameter auf alle Entwurfsparameter ist es geschuldet,
dass während eines Entwurfsprozesses komplexe
square cube law
Effekte auftreten. Diese lassen sich am Beispiel
der Massenentwicklung auch physikalisch deuten. Dabei tritt der sogenannte Schneeballeffekt
bei stark unter Eigengewicht belasteten Tragwerken auf, wie sie insbesondere im Flugzeugbau vorliegen. Ein Zusatzgewicht ∆GZ erfordert
bei einem ausdimensionierten Flugzeugentwurf
Strukturverstärkungen bzw. Vergrößerungen
z. B. der Flügelfläche, Triebwerke, Fahrwerke
und Klappensysteme.
Deshalb gilt für das neue
,
Abfluggewicht GA nicht
sondern
bzw. mit den Verstärkungsgewichten ∆GVi
εG ist hierbei der sogenannte Vergrößerungsfaktor für die Zusatzgewichte. Der Index i zeigt
an, dass Verstärkungsgewichte ihrerseits weitere Verstärkungen notwendig machen. Die
Gewichtszunahme enthält also einen Schneeballeffekt. Ist nun
das primäre Verstärkungs- bzw. Vergrößerungsgewicht, so gilt mit der Annahme, dass die Verstärkungsfaktoren
aufgrund des gleichbleibenden physikalischen
Ursache-Wirkung-Hebels identisch sind, für das
sekundäre und die höheren Verstärkungsgewichte
bzw.
und zusammenfassend die Reihe
Der Vergrößerungsfaktor für das Gewicht ist also
Geht der Verstärkungsfaktor gegen 1, so
strebt der Vergrößerungsfaktor gegen unendlich; es liegt dann eine Gewichtsdivergenz
vor. Gewichtseinsparungen wirken sich entsprechend positiv aus.
Am Beispiel der Rüstmassenentwicklung
während des Definitionsprozesses der B747 ist
die Wirkung des Schneeballeffekts gut zu erkennen. Ungenügendes Bewusstsein für diesen
Effekt führte zunächst zu einer starken Zunahme
der Masse (bild 3). Jeder
Konstrukteur ging in seinem Verantwortungsbereich zunächst „mit dem
Rücken an die Wand“,
ohne die Auswirkung auf
das Flugzeug zu berücksichtigen. Ein „Machtwort“ von Joe Sutter
3
führte damals zur Trendwende: Jeder Ingenieur
musste einen festen Masseneinsparbeitrag leisten. Das projektierte Ausgangsgewicht wurde
damit letztlich sogar unterschritten.
3 Entwicklung der
Leermasse der
B747 während
des Definitionsprozesses
Square cube Law: Beim Square Cube Law handelt es sich um eine Gesetzmäßigkeit im klassischen Flugzeugbau auf Basis der Drachenkonfiguration, das den progressiven Massetrend für
einen auf dem mechanischen Modell des Kragbalkens basierenden Tragflügel begründet. Bei
einer angenommenen affinen geometrischen
Vergrößerung des Flugzeugflügels mit dem Maßstab l entsprechend der Kapazitätszunahme entwickeln sich danach die wesentlichen Parameter
näherungsweise wie folgt:
die Flügelfläche
das Flügelgewicht
die Flächenbelastung
die Linienlast
die Querkraft
das Biegemoment
das Widerstandsmoment
die Biegespannung
2
F ~ l („Square“)
3
GF ~ l („Cube“)
G/F ~ l
2
q = G/F · l ~ l
3
Q = ∫q · dy ~ q · l ~ l
4
M = ∫Q · dy ~ Q · l ~ l
3
W~l
σ = M/W ~ l
Daraus lässt sich das Fazit ziehen:
1. Die Biegespannung nimmt bei einem biegebelasteten Kragbalken mit der Größenskalierung zu.
2. Da die äußere Geometrie aus aerodynamischen Gründen nicht überproportional
wachsen soll, kann der Biegegurt bei gegebener Festigkeit nur nach innen verstärkt
werden.
3. Dies führt zu einer überproportionalen
Gewichtszunahme und zu einer Abnahme
der Wirtschaftlichkeit.
4. Ist der Flügel innen „zugewachsen“, gibt es
überhaupt keine Entwurfslösung mehr.
25
square cube law
5. Damit wäre dann eine absolut harte Grenze
des Wachstums für konventionelle Drachenkonfigurationen erreicht.
4
Die Gültigkeit des Square Cube Laws kann nur
mithilfe einer analytischen Massenberechnung
im Rahmen einer Entwurfssyntheserechnung
geprüft werden. Aufgrund des hohen Rechenaufwands von FEM-Rechnungen werden im
Flugzeugentwurf klassische statistisch basierte
Abschätzungsbeziehungen für die Flügelmassen (z. B. nach Sanders) angewendet, die jedoch
nur bei Kapazitäten < 450 Gültigkeit haben.
Eine belastbare Prognose für frei skalierbare
Flugzeuggrößen ist damit nicht möglich. Daher
bieten sich einfache balkentheoretische Flügelstrukturanalysen unter Berücksichtigung von
Querkraft, Biegung, Torsion und Wölbung für
die Primärstruktur an. Für die sekundären Flügelmassen wird ein statistisch ermittelter Aufschlag
von 40 % der Primärmassen angenommen. Die
verbleibenden Massen für die Flügelausrüstung
werden statistisch abgeschätzt. Eine Auftriebsverteilungsermittlung mit dem Verfahren nach
5
4 Größeneinflüsse
auf die Komponentenmassen
eines Verkehrsflugzeugs
5 Skalierungsgesetze der
Flügelmasse
26
Diederich liefert dabei die belastungsmechanische Grundlage. Im Hinblick auf das Fehlen statistischer Daten von Compositebaugruppen zur
Modellvalidierung wird eine klassische Metallbauweise unterstellt. Für die Analyse werden die
nachstehenden typischen Auslegungsdaten für
eine Langstreckenmission angenommen:
Flughöhe:
Reichweite:
Machzahl:
Streckung:
Zuspitzung (Doppeltrapez):
mittlere Flächenbelastung:
Triebwerke:
Bypassverhältnis:
11,6 km
7500 nm
0,8
8
0,2
2
500 dN/m
4
8
Die Berechnung mit naturgemäß retrospektiv
basierten statistischen Massenabschätzungsformeln gibt den Wachstumstrend für sehr große
Kapazitäten nur unzureichend und in jedem
Fall zu optimistisch wieder, wie in bild 4 an
den gestrichelten Kurven für Flügel und Rumpf
erkennbar ist. Das insbesondere bei großen
Kapazitäten erkennbare progressive Wachstum
sämtlicher Komponentengewichte ist primär im
Schneeballeffekt aus dem stark überproportional
zunehmenden Flügelgewicht begründet. Dieses
betrifft vor allem den Verlauf der Kraftstoffmasse. Lediglich die Nutzlast sowie das zu dieser
proportionale Besatzungsgewicht folgen linear
der Kapazitätsentwicklung. Diese Entwurfssynthese konvergiert bei den gegebenen Randbedingungen nicht mehr für Kapazitäten von knapp
über 1200 Sitzen.
Um die Extrapolationsfähigkeit verschiedener
Regressionsansätze für die Flügelmasse aufzuzeigen, werden in bild 5 auf Basis der analysierten
Flügelmassen aus der Darstellung in bild 4 verschiedene Ansätze für die Trends in weit über den
analysierten Bereich (zwischen 100 und 1230 Sitzen) hinaus dargestellt.
Die Fehlerquadratsummen (SSQ, hier bezogen auf den Minimalwert des Ansatzes 5 in
bild 5) unterschiedlicher polynomischer Zwangsregressionen, die nur als Massenzuwächse interpretierbare positive Koeffizienten enthalten, lassen zunächst den Schluss zu, dass ein stimmiges
Gesetz eine Ordnung zwischen 4 (Ansatz 2)
und 5 (Ansatz 4) das Square Cube Law für Flugzeuge im gesamten Bereich relativ gut beschreibt,
da sämtliche Ansätze insgesamt den Beobachtungsbereich auf den ersten Blick akzeptabel
beschreiben. Wenn zudem mithilfe einer nicht
linearen Optimierung der beste Polynomgrad
ermittelt wird, so bestätigt sich diese Annahme
dann auch mit einem Grad von 4,2. Allerdings
fällt dabei auf, dass die im Verlauf zunächst
schwach, aber stetig zunehmende Krümmung
der Analysedaten mit Polynomen nicht adäquat
abgebildet wird. Ein zu deutlich geringeren Fehlerquadratsummen führender hyperbolischer
Ansatz (Ansatz 5) der Form
zeigt dann auch, dass der Massenzuwachs ganz
offensichtlich einen Pol bei einem endlichen
Grenzwert aufweist, der funktionsanalytisch
square cube law
bei –b2/a2 liegt und bei der vorliegenden Beispielrechnung einen plausiblen Wert von 1571
aufweist. Dieser Sachverhalt kann flugphysikalisch sehr gut damit interpretiert werden, dass es
eine Flugzeuggröße geben muss, bei der der Flügel nur noch sich selbst, jedoch keine Nutzlast
mehr tragen kann.
Bei der vorgestellten Auslegungsrechnung
wurde jedoch nicht nur der Flügel, sondern auch
der Rumpf als zweite die Flugzeugmasse dominierende Komponente einer analytischen Massenanalyse unterzogen.
entwicklung der rumpfmasse: Ein einfaches
analytisches Modell zur Bestimmung des Kabinenschlankheitsmaßes kann als Grundlage für die
Formulierung eines realitätsnäheren Skalierungsgesetzes dienen. Wird die Kabinenbreite auf
die Kabinenlänge bezogen, so lassen sich beide
Größen modellhaft unter Vorgabe von Komfortparametern (Serviceratios für die Toilettenzahl,
das Galleyvolumen, Gangbreiten, Stauvolumina)
sowie Bauvorschriften (maximaler Türen-/Notausstiegabstand, Quergangbreiten) analytisch
bestimmen und es ergibt sich
6
sowohl zu anwendungstypischen Konfigurationen als auch zu kapazitätsökonomisch optimalen Rumpflängen.
Da die Sitzreihenzahl bei Doppeldeckflugzeugen nicht kontinuierlich,
sondern sprunghaft mit der Kapazität
steigt, weisen realisierbare Varianten
sprungfeste Veränderungen der Sitzreihenzahl auf. Folglich kann ein Skalierungsgesetz auch nur sprungfesten
Charakter haben.
Mehrdeckanordnungen (z. B. A380)
werden hierbei erst ab Konfigurationen
> 10-Abreast berücksichtigt. Daher
ändert sich der Rumpfdurchmesser mit zunehmender Kapazität zunächst nicht, bis eine weitere Sitzreihe im Hauptdeck das Kapazitätspotenzial weiter steigert. Bei mehr als 6 Sitzen wird
ein zweiter Gang berücksichtigt. Bei fehlendem
mit
Anzahl der Sitze pro Reihe
Kabinenbreite
Stauraumfläche pro Passagier (bei ab < 5)
Gangbreite (mindestens 15 in [Bauvorschrift])
L
Kabinenlänge
na maximaler Türabstand (60 ft [Bauvorschrift])
pa Passagierkapazität
sa Sitzabstand
sb Sitzbreite
sf Servicefläche (Galleys und Toiletten) pro
PAX
tb Türbreite
wa Abstand zwischen Sitz und Kabinenwand.
ab
B
bf
gb
Das Ergebnis einer numerischen Auswertung
dieses Ansatzes für die in bild 6 dargestellten realisierbaren Kabinenkonfigurationen zeigt bild 7,
in dem die A380-Konfiguration rot gekennzeichnet ist. Die Zuordnung der Ober- und Hauptdeckkapazitäten folgt hierbei einem Modell für den
sich jeweils ergebenden Rumpfquerschnitt unter
Berücksichtigung der Stehhöhe, der notwendigen Dimensionen der Fußbodenträger sowie
der Frachtraumhöhe eines stets kreisförmigen
Rumpfes. Dabei wird darüber hinaus immer das
kleinste Schlankheitsmaß angestrebt. Die so
ermittelten Kabinenkonfigurationen führen also
7
Unterflur (< 5 Sitze) wird weitere Fläche für
das Gepäck in der Kabine berücksichtigt. Unter
Annahme eines Schlankheitsmaßes für stark
gestreckte Flugzeuge (A340-600: 0,085) kann
die Reihensitzplatzzahl und damit der Durchmesser als allgemeine Funktion der Kapazität dargestellt werden, was den oben beschriebenen quadratischen Ansatz in bild 8 belegt.
Die gut erkennbaren sägezahnförmigen Verläufe der Geometrieparameter in bild 8 entstehen dadurch, dass eine Kapazitätserhöhung
bis zum Erreichen der Schlankheitsmaßgrenze
6 Realisierbare
Rumpfkonfigurationen
7 Kabinenschlankheitsmaß von
Eindeck- und
Zweideckkonfigurationen
8 Analytisch
bestimmte
Kabinengeometrieparameter
(All-Y-Standard)
8
27
square cube law
9 Vereinfachtes
Rumpfbelastungsmodell
zunächst durch eine Kabinenverlängerung und
erst dann durch den Wechsel auf eine größere
Sitzreihenzahl realisiert wird. Die unterschiedlichen Faktoren des somit bestätigten Wurzelgesetzes reflektieren die unterschiedlichen Raumnutzungsgrade von Ein- und Zweigangkabinen
bzw. Ein- und Zweideckrümpfen und sind jeweils
nur bereichsweise gültig. Die Verwendung eines
zweiten Decks wird erst bei Kapazitäten > 500
sinnvoll, die Einführung einer Doppelgangkonfiguration im Oberdeck erst bei Kapazitäten
> 1300. Die Länge des Rumpfes wird mit der statistischen Näherung
Rumpflänge = Kabinenlänge + 2 + (2 · Rumpfbreite)
aus Kabinenlänge und -breite ermittelt, wobei
der Summand 2 für den Cockpitbereich steht
und der Faktor 2 eine statistische Näherung für
typische Rumpfhecklängen darstellt.
9
mit
D
p
Rumpfdurchmesser
Innendruck (größenunabhängig, konstant).
Die Vergleichsspannung nach van Mises ist für
diesen zweiachsigen Spannungszustand (Spannungsverhältnis 1/2)
Die erforderliche Wandstärke ist demnach für
einen nur auf Innendruck dimensionierten Rumpf
Damit gilt für die Proportionalität der Masse
2
Rumpfmasse = Oberfläche · t · γ ~ D .
Eine Passagiernutzlast kann nur auf der zur Verfügung stehenden Kabinenfläche untergebracht
werden und es kann deshalb angenommen werden:
2
Kapazität ~ Kabinenfläche ~ D .
Also stehen Kapazität und Masse im linearen
Zusammenhang, denn es ergibt sich:
Eine ähnlich einfache Betrachtung zur Ableitung eines Skalierungsgesetzes für den Rumpf
kann wie folgt aussehen: Für einen modellhaft
durch Kugelkalotten begrenzten Zylinder der
Gesamtlänge L, des Durchmessers D, der Wandstärke t und der Materialdichte γ angenommenen
skalierbaren Rumpf gilt
Rumpfmasse ~ Kapazität.
Bei Betrachtung ausgeführter Flugzeugkabinen
zeigt sich, dass dieses Modell (siehe auch bild 8)
die Realität grundsätzlich recht gut abbildet,
denn die Statistik weist
aus. Die Kapazität ändert sich bei einem Frachter
mit konstanter Ladungsdichte proportional zum
Volumen. Damit würde bei einem Modellkabinenvolumen von
Die Rumpfoberfläche ist maßgebend für den
Reibungswiderstand und auch für das Gewicht
des Rumpfes, das Schlankheitsmaß L/D für den
Druckwiderstand, wodurch es indirekten Einfluss
auf das Gesamtgewicht des Flugzeugs hat.
Die Hautstärke wird dominierend durch die
Innendruckbelastung dimensioniert; es gilt die
„Kesselformel“:
und
28
gelten:
3
Kapazität ~ Kabinenvolumen ~ D .
In diesem Fall ergibt sich also die Proportionalität
Rumpfmasse ~ Kapazität
2/3
.
Folglich sollten also für Verkehrsflugzeuge mit
gemischter Nutzung leicht degressive Verläufe
mit Exponenten zwischen 0,67 und 1 für das
Skalierungsgesetz der Rumpfmassen vorliegen.
Dieser mithilfe von Proportionalitäten begründbare Trend wird jedoch durch eine differen-
square cube law
ziertere Betrachtung des Kabinenentwurfs sowie
eine strukturmechanisch basierte Rechnung
nicht bestätigt, denn das Dimensionierungsgesetz für den Innendruck konkurriert für größere
Flugzeuge mit dem für die Querkraftbiegebelastung. Ein typisches Belastungsmodell (Flugfall) hat demnach den in bild 9 gezeigten qualitativen Aufbau.
Wegen der Abhängigkeit der Belastung vom
Eigengewicht kann eine Lösung dieses Problems
nur iterativ ermittelt werden. Die maximale
Querkraft sowie das maximale Biegemoment finden sich unter der Annahme eines am Flügelhinterholm angelenkten Fahrwerks sowohl für den
Flug- als auch für den Bodenfall stets am hinteren
Hauptspant. Die Maximalwerte der Belastungen
n = σ · t bzw. q = τ · t bei einem kreisringförmigen Querschnitt betragen
sowie
Aus diesen Kraftflüssen und den Kraftflüssen aus
dem Innendruck resultiert schließlich mithilfe der
Gestaltänderungsenergiehypothese nach van
Mises der dimensionierende Vergleichskraftfluss
in der Rumpfhaut:
Oberflächenproportional verhalten sich ferner
Masseanteile aus Versteifungen (Stringer) und
Krafteinleitungen (Spante), was durch einen Aufschlag von 39 % berücksichtigt wird. Ferner wird
ein einfaches Balkenmodell für die Bestimmung
der Fußbodenträgermassen verwendet. Hierbei
werden die Nutzlast und die statistisch ermittelte
Masse der Kabinenausrüstung auf die äquidistant verteilten, beidseitig gelenkig gelagerten
I-Träger in Form von Linienlasten gleichmäßig
verteilt. Auch hier sorgt ein Faktor von 10 % für
die Berücksichtigung weiterer flächenproportionaler Masseanteile. Um direkt dimensionieren
zu können, werden statistische Annahmen für
die Trägerhöhe (~ Rumpfdurchmesser) und die
Flanschhöhe (~ Flanschbreite) sowie das Wandstärkenverhältnis von Steg und Flansch getroffen.
Bei Doppeldeckkonfigurationen wird die Trägerzahl verdoppelt, deren Belastung im Oberdeck
jedoch nach Maßgabe der Sitzreihenzahl verringert. bild 10 zeigt das Ergebnis der Rechnung.
Bis zu einer Kapazität von 750 Passagieren
besteht nahezu Parität bei der dimensionierenden
Wirkung des Innendrucks und der Querkraftbiegebelastung. Dann geht der bis dahin degressive
Verlauf der Vergleichsspannungen zunächst in
einen progressiven Verlauf über, da das Grö-
10
ßenwachstum primär über die Rumpflänge bei
gleichem Durchmesser aufgefangen wird und
damit die Biegebelastung signifikant zunimmt.
Diese Trendwende wird von den klassischen
Gewichtsmethoden nicht gut abgebildet, da ihre
Extrapolationsfähigkeit limitiert und ihre Gültigkeit auf Eindeckkonfigurationen beschränkt ist.
Das semiempirische Verfahren nach Burt
und Philips greift den anfänglich aufgezeigten
grundlegenden Zusammenhang auf, da der
Regressionsexponent mit 0,89 gut im prognostizierten Bereich (0,67 bis 1) und nahe an dem
Wert für Passagierflugzeuge liegt. Die rapide
ansteigenden Biegespannungen aufgrund nur
wenig veränderter Rumpfdurchmesser begründen
für den gesamten Bereich einen Gewichtstrend
mit der dritten Potenz der Kapazität, wie
bild 11 für All-Economy-Bestuhlungen zusammenfassend zeigt.
Augenscheinlich wurde der Regressionsansatz von Burt und Philips für Flugzeuge bis zur
Kategorie der B747 entwickelt, denn er folgt
nicht dem stark progressiven Gewichtstrend, den
ein Größenwachstum darüber hinaus aufweisen
muss. Es ist ferner festzustellen, dass sich der
Trend oberhalb der Zweiganggrenze im Oberdeck von Doppeldeckkonfigurationen wieder
abzuflachen scheint.
Wie bild 12 zeigt, folgen Die Querträgermassen in der gleichen Weise wie die Kapazität
leicht überproportional der Kabinenfläche. Sie
10 Rumpfdimensionen und
Belastungen
11 Skalierungsgesetz für
Rumpfmassen
11
29
square cube law
licher Vergleich nur auf Basis bezogener Kosten
im Sinne eines Aufwand-Nutzen-Verhältnisses
sinnvoll; der Nutzen ist die Transportarbeit. Die
sogenannten Stückkosten sind als DOC/TKO
definiert (TKO: Ton Kilometers Offered). Um
den Reichweiteneinfluss (Auslastungseffekt) korrekt zu berücksichtigen, werden die Kosten nicht
pro Flug, sondern über einen längeren Zeitraum
(i. d. R. ein Jahr) betrachtet. Es gilt damit
12
mit
entwickeln sich also erwartungsgemäß direkt
proportional zur Kapazität.
Als Fazit lässt sich aus den Ergebnissen feststellen:
• Die überproportionale Gewichtszunahme
von Flügel und Rumpf verschlechtert signifikant die Wirtschaftlichkeit von großen
Verkehrsflugzeugen.
• Der Schneeballeffekt wirkt insbesondere
auf die Kraftstoff- und Fahrwerksmassen
und lässt diese gleichfalls deutlich überproportional ansteigen.
• Die nur theoretisch existierende Grenze aus
dem Square Cube Law des Flügels wird erst
bei extrem großen Kapazitäten (> 1500
Passagiere) erreicht, die heute jedoch keinesfalls marktrelevant sind.
Die vorgelegten Ergebnisse der einfachen Strukturanalysen berücksichtigen Materialfestigkeiten
für hochfeste Aluminiumwerkstoffe nach dem
State of the Art. Der Einsatz von CFK ändert an
dem Trend nichts, verschiebt aber die theoretische Grenze hin zu größeren Kapazitäten.
betriebskosten: Ein einfaches, aber aussagekräftiges betriebswirtschaftliches Modell – DOC
(Direct Operation Cost) – besteht nur aus den
zwei Kostenelementen
K1
K2
nutzungsunabhängige Kosten (feste
Kosten) und
nutzungsabhängige Kosten (variable
Kosten),
denen folgende Kosten zugeordnet sind:
K1
K2
12 Skalierungsgesetz für Querträgermassen
30
Abschreibung, Verzinsung, Versicherung, Piloten/Flugbegleiter und
Kraftstoff, Schmiermittel, Gebühren,
Instandhaltung.
Die eingehenden Parameter sind sowohl flugphysikalischer als auch operationeller Natur. Da
die absoluten Betriebskosten trivialerweise mit
der Flugzeuggröße steigen, ist ein wirtschaft-
mK
mN
mR
P1
P2
R
U
Kraftstoffmasse
Nutzlast
Rüstmasse
Flugzeugpreis (EUR/kg Rüstmasse)
Kraftstoffpreis (EUR/kg Kraftstoff)
Reichweite
Auslastung (Anzahl Flüge pro Jahr).
Unter der vereinfachenden Annahme, dass die
Flugparameter (v, ε, bS, Gm) über die Flugmission konstant bleiben, folgt für die Kraftstoffmasse mK für einen Flug über die Strecke R:
mit
bS
Gm
mR
R
v
ε
schubspezifischer Kraftstoffverbrauch
mittleres Missionsgewicht
Rüstmasse
Reichweite
Reisegeschwindigkeit
Gleitzahl (Widerstand/Auftrieb).
Damit ergibt sich für die Kostengleichung
Rumpf- und Flügelmasse beeinflussen also beide
Zähler – als Teil der Rüstmasse mR die festen
Betriebskosten und als Teil des mittleren Fluggewichts Gm die variablen Betriebskosten. Neben
der strukturellen Güte (mR, Gm) wirken auch die
aerodynamische Güte (ε) und die Triebwerksgüte (bS) auf die Kosten. Die Auslastung U ist
naturgemäß reichweitenabhängig.
Das Fazit daraus ist:
• Erfolgt der Anstieg der Rüstmasse proportional zur Flugzeuggröße, ändern sich die
Stückkosten nicht.
• Nur bei einem überproportionalen Anstieg
der Rüstmasse erfolgt ein Anstieg der
Stückkosten.
• Dies ist schwach beim Rumpf und stark progressiv beim Flügel der Fall.
square cube law
• Da die Leitwerksmassen der Flügelfläche
und die Fahrwerksmassen dem Rüstgewicht
folgen, unterstützen diese Komponenten
dem Schneeballeffekt folgend den insgesamt progressiven Gewichtstrend.
13
Die im Folgenden beschriebene Kostenrechnung
für ein typisches Kostenszenario belegt diese
Aussagen.
economy of Scale: Bei der Economy of Scale
handelt es sich um eine Gesetzmäßigkeit, die ein
Effizienzwachstum mit dem Größenwachstum
verbindet und in sehr vielen Technikdisziplinen
Gültigkeit hat. Für die Aeronautik bedeutet dies,
dass sich große Flugzeuge wirtschaftlicher betreiben lassen können als kleine. Das Maß für Wirtschaftlichkeit sind die auf das Ertragspotenzial
(t · km [Tonnenkilometer]) bezogenen direkten
Betriebskosten (DOC), die sogenannten Stückkosten. Die unterproportionale Zunahme einiger
Kostenelemente hat sowohl flugphysikalische als
auch operationelle Gründe.
Der abnehmende Trend der Economy of Scale
(bild 14) ist primär begründet
• durch eine verbesserte aerodynamische
Güte mit wachsender Reynoldszahl (~ Flugzeuggröße [„Länge läuft“]) sowie ein mit
zunehmender Größe günstigeres Verhältnis von nutzbarem Volumen zur umspülten
Oberfläche,
• durch abnehmende Gewichtsanteile der
Cockpitbesatzung und Avionik (beide konstant) und der Ausrüstung (z. B. APU, ECS;
unterproportional steigend) und
• durch abnehmende Personalkostenanteile
(2-Piloten-Cockpit; konstant).
Die Abflachung des Kostentrends und der
zunächst moderate, bei sehr großen Flugzeu-
gen jedoch extreme Anstieg sind primär eine
Folge des belastungsmechanisch begründeten
Square Cube Laws, die abrupte Begrenzung
dessen direkte Folge. Der bereits genannte
Schneeballeffekt unterstützt diesen Trend. Die
A380 (ca. 550 bis 800 PAX) liegt bereits im
14
Minimum der Betriebskosten. bild 13 zeigt das
Ergebnis einer Auswertung der oben genannten Kostenformel für das hier betrachtete Langstreckenszenario.
Ein 1000-Sitzer hat demnach etwa die gleichen Sitzkilometerkosten wie ein 100-Sitzer. Die
13 Skalierungsgesetz für Querträgermassen
14 Größenabhängigkeit der Wirtschaftlichkeit
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Geballtes Wissen...
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square cube law
bessere Einsatzflexibilität sowie die geringeren
Kapitalrisiken kleinerer Einheiten sprechen also
gegen extrem große Flugzeuge. Allerdings stellen große Einheiten den einzigen Weg zur Lösung
von Flughafenengpässen dar.
Ausblick: Wie wird sich die kommerzielle Luftfahrt angesichts des ungebrochenen Nachfragewachstums weiterentwickeln? Wird es trotz des
Square Cube Laws einen 1500- oder sogar einen
2000-Sitzer geben?
16
Das Nurflügelkonzept ist grundsätzlich eine
der möglichen Lösungen, da diese Konstruktion
im Idealfall keine Biegebelastung aufweist. JointWing-Konzepte weisen dagegen kein vergleichbares Potenzial auf. Weitere Lösungen mit Potenzial sind heute noch nicht bekannt.
Die Realisierung eines widerstandsarmen,
längsstabilen Nurflüglers ist grundsätzlich nur
möglich mit geraden Flügeln mit druckpunktfesten, negativ gewölbten Profilen und Schwerpunktsteuerung (geringe Fluggeschwindigkeit)
oder – besser für Verkehrsflugzeuge für den
hohen Unterschall – mit gepfeilten, stark verwundenen Flügeln (Auftrieb vorne, Abtrieb hinten; siehe bild 16).
Ein derartiges Konzept hat eindeutige Vorteile
gegenüber der heutigen Drachenkonfiguration:
• Es besteht keine Größenbeschränkung, da
im Idealfall bei direktem Ausgleich von Auftriebs- und Massenkräften ein biegemomentfreier Flügel (Square Cube Law nicht
wirksam) vorliegt.
• Durch vorteilhafte Belastungsmechanik
können leichte Flugzeuge realisiert werden.
• Es gibt sehr viel weniger schädliche Flächen
(Rumpf, Leitwerke).
15 Wirtschaftlichkeitsvergleich
von Nurflügler
und Drachenkonfiguration
16 Nurflügler –
Konfiguration
und Auftriebsverteilung
17 Konzept
des Oblique
Flying Wing
32
15
die Querachse bedeutet eine Flugkomfortminderung.
• Die Unterbringung der (Passagier-)Nutzlast
ist wegen großer Vertikalbeschleunigungen
im Außenbereich bei Rollbeschleunigung
(Ein- und Ausleiten des Kurvenflugs) nur in
der Nähe der Mittelachse möglich.
Wie bild 15 zeigt, erlaubt die Elimination der Flügelbiegemomente ein unbegrenztes Wachstum
für Verkehrsflugzeuge. Daher weisen grundsätzlich Nurflügler den Weg in die Zukunft. Wegen
operationeller Probleme des Nurflüglers wird
die Entwicklung absehbar jedoch über den Zwischenschritt Blended Wing Body gehen. Hierbei
wird der oben beschriebene Entwicklungsschritt
nur teilweise gegangen, da der Rumpf im Mittelteil konzentriert ist und somit der Außenflügel
immer noch biegebelastet bleibt.
Für den Überschalleinsatz wären aber auch
Konzepte wie der in der bild 17 gezeigte Oblique
Flying Wing („schief fliegender Flügel“) denkbar,
dessen Pfeilung geschwindigkeitsabhängig durch
den Schiebewinkel variiert, sodass vorteilhaft
ein an der Vorderkante anliegender Stoß produziert werden kann.
In der in bild 17 abgebildeten Variante passt
das abgebildete Flugzeug jedoch nicht gut in den
Kontext dieser Abhandlung, da es mit 250 Passagieren eine zu geringe Kapazität besitzt. Dieses
Konzept weist zudem noch ungelöste Fragen bei
der Flugsteuerung auf, die noch vielfältige Forschungen erfordern.
Auf jeden Fall dürfte sich angesichts eines
weiterhin ungebrochenen Wachstums des Luftverkehrs das vertraute Bild am Himmel und auf
den Flugplätzen dieser Welt in einigen Dekaden
ändern, da sich die Konfigurationen nicht mehr
nur, wie in der Vergangenheit, in homöopatischen Dosen, sondern optisch deutlich wahrnehmbar werden verändern müssen.
«
Folgende Nachteile stehen dem entgegen:
• Durch die Verwindung zur Realisierung
einer glockenförmigen Auftriebsverteilung
entsteht ein sehr großer induzierter Widerstand.
• Deshalb sind Nurflügler für heute relevante
Kapazitäten unwirtschaftlicher als Drachenkonfigurationen.
• Die schnelle Anstellwinkelschwingung aufgrund des geringen Trägheitsmoments um
17
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Recruiting
innovative cad-methoden
Florian Tichla, B. EnG. – Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
» Immer
Florian Tichla,
B. Eng.
erlangte den
Bachelorabschluss im April
2011 an der
HAW Hamburg
im Schwerpunkt
Karosseriebau.
Derzeit schreibt
er seine Masterarbeit bei der
SITECH GmbH
in Wolfsburg
und strebt
nach seinem
Abschluss eine
Promotion an
der HSU Hamburg an.
kürzer werdende Entwicklungszyklen
und eine stetig steigende Zahl an Fahrzeugderivaten erfordern auch bei der Konstruktion
von Fahrzeugsitzen (Bild 1) innovative Entwicklungsmethoden. So ist ein CAD-Modell auch
hier schon länger nicht mehr nur eine schlichte
mathematische Beschreibung der Oberfläche des
entsprechenden Bauteils. Parametrische CADSysteme, wie z. B. CATIA V5, ermöglichen den
Einsatz virtueller Techniken bereits in einer frühen Phase der Entwicklung. Durch die Integration von Expertenwissen in CAD-Modellen kann
schneller eine höhere Produktreife erzielt werden.
Dies spart nicht nur Zeit, da die Iterationsschleifen zwischen dem Bau von Prototypen und der
Anpassungskonstruktion in ihrer Zahl verringert
werden können (Bild 2), sondern auch Kosten.
Die Reduzierung von Entwicklungskosten ist
ein weiterer wichtiger Vorteil gegenüber dem
Wettbewerb. [1]
1
1 Komponenten
eines Fahrzeugsitzes
34
An der HAW werden in der Vertiefungsrichtung „Karosseriekonstruktion“ wichtige Grundlagen für den Umgang mit CAD-Systemen gelegt.
Bereits während meines Bachelorstudiums an der
HAW habe ich meine Kenntnisse in CAD-Methoden in Studien- und Projektarbeiten vertieft. Zum
Ende des Bachelorstudiums hatte ich dann, durch
die guten Industriekontakte der HAW, die Möglichkeit, die Methodenentwicklung in der Industrie kennen zu lernen. Die hier vorgestellte Bachelorarbeit „Entwicklung einer CAD-Methode zum
Aufbau eines Fahrersitzes, welcher an die spezifische Arbeitsweise im Bereich der Konzeptauslegung und Ergonomie angepasst ist“ befasst sich
mit der Integration weiterer innovativer Methoden in das beschriebene CAD-Umfeld [3]. Sie ist
in der Abteilung für CAD-Methodenentwicklung
bei der Volkswagen AG entstanden. Im Verlauf
dieses Projektes habe ich die Sitech GmbH als
Projektpartner kennengelernt. Die Sitech GmbH
ist ein Tochterunternehmen der Volkswagen AG
und arbeitet auch im Bereich der CAD-Methoden in enger Abstimmung mit Volkswagen. Allen
Studenten, die gute Studienarbeiten im Bereich
der CAD-Methoden anstreben, kann ich diese
Umgebung empfehlen. Aus diesem Grund habe
ich mich dazu entschieden, meine Master-Arbeit
bei der Sitech GmbH zu schreiben. Auch diese
Arbeit befasst sich mit neuen Ansätzen in der virtuellen Entwicklung von Fahrzeugsitzen.
Die Sitech GmbH hat bereits 2009 einen
wichtigen Schritt für den effizienten Einsatz
virtueller Methoden getan. Die vollständige
Beschreibung der Sitzkinematik wurde durch den
Einsatz von Namenskonventionen standardisiert.
In einem gemeinsamen Projekt mit der Abteilung für CAD-Methodenentwicklung der Volkswagen AG wurde ein Programm entwickelt, das
die Adaption unterschiedlicher Anbauteile an die
Sitzstruktur automatisiert. Die Sitech GmbH hat
zusammen mit ihren Lieferanten den Prozess der
CAD-Datenbereitstellung neu strukturiert, um
die automatisierte Adaption von neuen Konstruktionsständen im DMU-(Digital-Mockup-)
Prozess zu forcieren. Diese bereits bestehenden
Standardisierungsmaßnahmen bieten die Grundlage für eine nachhaltige Entwicklung weiterer
CAD-Methoden. Vor diesem Hintergrund bieten
sich für die Studierenden des Fachbereichs Fahrzeugtechnik der HAW Hamburg interessante
Themenstellungen im Bereich der CAD-Methodenentwicklung.
Bachelorarbeit 2011: Schwerpunkte der Bachelorarbeit sind die Entwicklung angepasster CADSteuerungsmechanismen für die Kinematik des
ZSB-Sitzes und eine signifikante Reduzierung
des Datenvolumens des Sitzmodells. Das Datenvolumen eines ZSB-Sitzes beträgt mit nativen
CAD-Modellen mehrere 100 MB. In der Fahrzeuginnenraumauslegung ist ein Sitz allerdings nur
eines von vielen Modellen, die zusammen geladen und untersucht werden. Daher kann ein Sitzmodell dieser Größe die Rechnergeschwindigkeit
merklich reduzieren. Für die Innenraumauslegung
ist es jedoch nicht erforderlich, alle Einzelteile in
nativen Daten bereitzuhalten. Um diese Situation
zu beherrschen, wird ein Kompromiss zwischen
Datenqualität und Datenquantität angestrebt.
2
Die Werkzeuge der CATIA-Workbench
„DMU Optimizer“ erzeugen tessilierte Daten.
Die Oberfläche des Bauteils wird durch Dreiecke in einstellbarer Genauigkeit angenähert.
Die Lage der Eckpunkte der Dreiecke ist im
Ursprungskoordinatensystem beschrieben. Keines der verfügbaren Dateiformate für tessilierte
Daten ermöglicht jedoch einen Zugriff auf das
Koordinatensystem. Somit ist es nach der Tessilierung nicht mehr direkt möglich, die Daten
mit einer Koordinatentransformation für eine
Kinematiksteuerung zu verknüpfen. Die Lösung
für dieses Problem ist eine Anordnung in einem
separaten CATProduct, in dem ein CATPart mit
nativen CAD-Daten und eine CGR-Datei mit tessilierten Daten nebeneinander angeordnet werden. Das CATPart enthält alle Geometrien, die
für eine Adaption an eine Kinematik notwendig
sind. Diese Geometrien werden auf der Ebene
des Produkts publiziert und stehen so für die
Weiterverarbeitung zur Verfügung. Für einzelne
Bauteilbereiche kann es von Interesse sein, weitere native Daten bereitzuhalten. Für die Sitzschienen können z. B. die Anschraubpunkte und
die Anschraubebene zusätzlich bereitgehalten
werden. Sie werden dann in der Fahrzeuginnenraumauslegung genutzt, um die karosserieseitigen Befestigungspunkte zu definieren. Die
Sitzoberfläche (Strak) wird so aufgeteilt, dass
alle Flächensegmente, bei denen eine Interaktion
mit dem Passagier zu erwarten ist, weiterhin in
nativen Daten vorliegen. Diese Flächendaten dienen später zur Berechnung der Interaktion zwischen Sitz und Passagier.
Ein weiterer Aspekt ist die Entwicklung einer
Kinematiksteuerung, die an die Arbeitsweise der
Konzeptauslegung angepasst ist. Die ZSB-Produkte, wie sie in der Sitzentwicklung aufgebaut
werden, unterstützen die Konzeptentwicklung
noch nicht optimal. Hierfür wurde eine Steuerung der Sitzkinematik entwickelt, die es erlaubt,
Steuerelemente des Sitzes mit RAMSIS-Objekten
zu koppeln (RAMSIS – rechnergestütztes anthropometrisches mathematisches System zur Insassensimulation – ist ein komplexes CAD-Tool zur
ergonomischen Innenraumauslegung). So wird
ein Folgen des Sitzes bei einer RAMSIS-Haltungsberechnung erreicht. Darüber hinaus können alle
beweglichen Anbauteile des Sitzes in jeder Stellung der Sitzkinematik in ihre Maximalstellungen
gefahren werden (Bild 3).
Ferner erfolgt die Positionierung des Sitzes
im Fahrzeug nicht mehr wie bisher über den hinteren tunnelseitigen Anschraubpunkt, da dieser
zum Zeitpunkt des Einsatzes des CAD-Modells
noch nicht endgültig festgelegt ist. Die Vorentwicklung stellt vielmehr ein Sitzverstellfeld bereit,
das die möglichen Lagen des Hüftpunkts repräsentiert. Die Überlagerung von Sitzlängsverstellung und Sitzhöhenverstellung ergibt ein Feld,
in dem sich der Hüftpunkt befinden kann. Die
Unterkante dieses Feldes dient nun als Referenz
für die Positionierung des Sitzes.
Bei der Entwicklung dieser Steuerungsmechanismen wurde ein besonderes Augenmerk auf
die bereits ausgearbeitete Methode zur Adaption verschiedener Anbauteile gelegt, damit
sie auch mit der neuen Kinematikdefinition
einsatzfähig bleibt.
Der Zusammenhang zwischen den Verstellmöglichkeiten eines Sitzes und dem Hüftpunkt
dient als Ausgangsbasis für eine neue Philosophie
der Kinematiksteuerung eines Sitzes im CAD. Die
ausschließlich sliderbasierte Steuerung der DMUKinematics-Workbench kann zu diesem Zweck
durch eine sketchgesteuerte Kinematik ersetzt
werden. Mit dieser Form der Kinematiksteuerung
ist es möglich, den Sitz innerhalb seiner Verfahrwege mit der RAMSIS-Haltungsberechnung zu
verknüpfen. Die slidergesteuerte Kinematiksteuerung basiert auf einem Programmdialog, der
es ermöglicht, die Kinematik durch Schieberegler (Slider) innerhalb ihrer Grenzen zu verfahren.
Die Stellung der Schieberegler kann nicht „von
außen“ vorgegeben werden, sondern muss von
Hand erfolgen. In einer sketchgesteuerten Kinematik werden die verschiedenen Baugruppen in
einem Schnitt durch Drahtgeometrie repräsentiert. Die Lage der Drahtgeometrie richtet sich
nach der Lage der Torsolinie des RAMSIS-Manikins. Aus diesem Sketch werden Achsensysteme
ausgeleitet, die auf Produktebene für die Koor3
dinatentransformation
zur Verfügung stehen.
2 Reduzierung der
Entwicklungszeit durch den
Einsatz virtueller
Techniken
[nach 2]
3 Neuartige CADSteuerungsmechanismen für
die Sitzkinematik
Masterarbeit
2012:
Derzeit entsteht bei
der Sitech GmbH eine
Masterarbeit mit dem
Titel „Entwicklung einer
wissensbasierten CADMethode zur Auslegung
des Backsets (KopfKopfstützen-Abstand)
bei Fahrzeugsitzen“. Sie befasst sich mit der Interaktion zwischen der H-Punkt-Messmaschine und
dem Fahrzeugsitz. Der Backset ist der horizontale
Abstand zwischen dem Kopf und der Kopfstütze.
Er wird in einem genormten Messprogramm
mithilfe der H-Punkt-Messmaschine ermittelt. Auch wenn die Verletzungsmechanismen
für das Schleudertrauma (im Englischen „Whi-
35
4
4 Überdehnung
der Halswirbelsäule infolge
eines Heckaufpralls ohne
Kopfstütze
5 Integration
von räumlichen
Regressionen in
wissensbasierte
CAD-Modelle
5
36
plash“ – „Peitschenschlag“) noch nicht
vollständig
bekannt
sind, ist doch erwiesen, dass ein geringer
Backset die Folgen
eines
Heckaufpralls
reduziert. Als Whiplash wird die horizontale
Verschiebung des Kopfes in Relation zum Oberkörper bezeichnet, wie sie bei einem Heckaufprall mit zu weit entfernten oder nicht vorhandenen Kopfstützen auftritt (Bild 4). Die
dabei auftretenden Relativbewegungen in den
Halswirbeln werden zurzeit als Hauptgrund
für das Auftreten eines Schleudertraumas
angesehen [4].
Die UN-Regel ECE R 17 [5] und der US-Standard FMVSS 202a [6] schreiben vor, die Kopfstützen möglichst nahe am Kopf des Fahrers
zu positionieren. Es sind bereits sehr viele Einflussfaktoren auf diesen Abstand ermittelt, die
gesammelt und kategorisiert werden. Auf dieser
Grundlage werden die wesentlichen Parameter, die konstruktiv beeinflusst werden können,
detailliert analysiert. Hierbei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Schaumgeometrie
und der Schaumhärte. Auch der Dehnwert des
Bezugsmaterials wird in seinem Einfluss auf den
Backset untersucht. Ein gezielter Aufbau von
Schaumgrenzmustern und Bezugsgrenzmustern
bildet die Grundlage für einen Versuchsplan.
Die Methoden der statistischen Versuchsplanung (DoE) werden genutzt, um die Anzahl der
Versuche ohne maßgeblichen Informationsverlust auf ein Minimum zu reduzieren. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen werden anschließend in ein wissensbasiertes CAD-Modell
überführt (Bild 5).
Dieses Modell soll dem Konstrukteur als
Hilfsmittel bei der Begutachtung von Schaumgeometrie und Schaumhärte zur Verfügung stehen. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit,
auf der Grundlage des integrierten Wissens
unterschiedliche
Schaumvarianten
virtuell
zu prüfen. So können z.B. frühzeitig die
Auswirkungen von Änderungen an den Schaumteilen auf den Kopf-Kopfstützen-Abstand
bewertet werden. Die vorgestellten CAD-Methoden befinden sich zurzeit noch im Aufbau oder
in der Erprobung.
«
literatur
[1] Tecklenburg, Gerhard: Konstruktion von Baugruppen
der Karosserie mit verteilten Aufgabenstellungen mit
Unterstützung der parametrisch assoziativen Konstruktion
(PAKo). Vortrag im Fach Karosseriekonstruktion 2, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, 2010-03-02
[2] Grundel, Martin: Aufbau eines parametrisch-assoziativen CAD-Modells zur Vorgabe sicherheitstechnischer
Grenzgeometrie im Bereich der Instrumententafel für die
Konzeptentwicklung. Hamburg, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Bachelorarbeit, 2011
[3] Tichla, Florian: Entwicklung einer CAD-Methode zum
Aufbau eines Fahrersitzes, welcher an die spezifische
Arbeitsweise im Bereich der Konzeptauslegung und Ergonomie angepasst ist. Hamburg, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Bachelorarbeit, 2011
[4] Stock, Marion: Beschleunigungstrauma. Pathomechanik und Pathophysiologie als Grundlage für die
Behandlung nach der Funktionellen Bewegungslehre Klein-Vogelbach [online]. Wien: Marion Stock,
o. J. Internet: <http://www.fbl-klein-vogelbach.
org/fileadmin/fbl/documents/de/Beschleunigungstrauma.pdf>[Zugriff: 2012-08-02, 13:52 MESZ]
[5] Regelung Nr. 17 der Wirtschaftskommission der
Vereinten Nationen für Europa (UN/ECE) – Einheitliche Bestimmungen für die Genehmigung von
Fahrzeugen hinsichtlich der Sitze, ihrer Verankerungen und Kopfstützen, Amtsblatt der Europäischen Union, Nr. L 230, 31.08.2010, S. 81–118
[6] National Highway Traffic Safety Administration: FMVSS [Federal Motor Vehicle Safety Standard] No. 202a: Head Restraints
steigerung der transporteffizienz bei nutzfahrzeugen
MaxiMilian ludwig ganis – MAN Truck & Bus AG, München
1
» Für
die Hersteller von Lkw und Omnibus‑
sen ist die Verbesserung der Transporteffizienz
eine ständige Herausforderung und bereits seit
Jahrzehnten leisten OEMs und Zulieferer einen
Beitrag zur Entwicklung energieeffizienter Fahr‑
zeuge. So konnte der Verbrauch eines 40‑t‑Last‑
zugs seit Ende der 1960er‑Jahre um rund ein
Drittel reduziert werden (Bild 2). Seit Anfang
der 1990er‑Jahre bleibt der Kraftstoffverbrauch
allerdings auf relativ konstantem Niveau, da die
stufenweise Verschärfung der Emissionsgrenz‑
werte prinzipbedingt zu Mehrverbräuchen führt,
die durch aufwendige Effizienzmaßnahmen kom‑
pensiert werden müssen.
Ein großes Potenzial, den Kraftstoffverbrauch
der Fahrzeuge weiter zu senken, liegt in der
Aerodynamik. Im Gegensatz zu Omnibus und
2
Pkw, wo für die Form des kompletten Fahrzeuges
nur ein Hersteller verantwortlich ist, haben beim
Lkw jedoch der Kunde und der Einsatzzweck des
Fahrzeuges entscheidenden Einfluss auf die aero‑
dynamische Gestaltung des Fahrzeugs. So steht
es im Ermessen des Kunden, ob er die folgenden
aerodynamischen Einflussgrößen bei seinem
Fahrzeug berücksichtigt:
• Verwendung und korrekte Einstellung von
Dachspoilern und Aeropaketen
• Verwendung von Seitenverkleidungen an
Zugfahrzeug und Auflieger
• korrekte
Ladungspositionierung
und
‑abdeckung
• optimale aerodynamische Kombination
zwischen Fahrerhaustyp und Aufliegertyp
Da der Kunde diese
Stellgrößen oft nicht
berücksichtigt und der
Einfluss der Aerodynamik
auf den Kraftstoffver‑
brauch deutlich unter‑
schätzt wird, erscheint
Aerodynamik bei Nutz‑
fahrzeugen fast wie eine
brotlose Kunst. Denn
für die Energieaufwen‑
dungen eines 40‑t‑Sat‑
telzugs bei 85 km/h in
der Horizontalen sind
Roll‑ und Luftwider‑
stand die bestimmenden
Faktoren (Bild 3).
1 Vision zukünf‑
tiger Nutzfahr‑
zeugkonzepte
2 Durchschnitt‑
licher Kraftstoff‑
verbrauch eines
40‑t‑Sattelzugs
1965 bis 2008
37
Ein Blick in die geschichte: Bei der Konstruk‑
tion von Nutzfahrzeugen fand die Aerodynamik
erst in den 1930er‑Jahren aufgrund des Baus
von Autobahnen Berücksichtigung. Omnibusse
und Lkw waren bis dahin nichts anderes als
verlängerte Pkw. Als es darum ging, den Luft‑
widerstand von Nutzfahrzeugen zu reduzie‑
ren, wurden daher die aus dem Pkw‑Bereich
bekannten Maßnahmen angewandt, denen For‑
men der Aerodynamikpioniere Jaray und Kamm
zugrunde lagen.
Erst mit dem Trambus von Gaubschat (1935),
der auf einem Chassis von Büssing (heute MAN)
aufgebaut wurde, entfernte sich der Omnibus
auch stilistisch vom Pkw (Bild 4, oben).
Einen Meilenstein in der Aerodynamik der
Nutzfahrzeuge stellte der 1949 entwickelte
VW Transporter dar, der weltweit durch den
Beinamen „Bulli“ berühmt wurde (Bild 4, unten).
Durch die gerundete Bugform konnte für diesen
Transporter der cw‑Wert gegenüber dem ersten
Entwurf mit eckiger
Stirnform
um
fast
50 % reduziert wer‑
den. Das erfolgreiche
Fahrzeug von Volks‑
wagen widerlegte ein‑
drucksvoll die zum Teil
bis heute herrschende
Meinung,
Aerody‑
namik verkaufe sich
schlecht [1].
Wie die historischen
Bilder anschaulich zei‑
gen, definiert sich die
Aerodynamik fast aus‑
schließlich über die Form
des Fahrzeugs. Diese hat
für den Fahrzeugdesigner allerdings einen sehr
hohen Stellwert. Je mehr Einfühlungsvermögen
der Aerodynamiker für die Welt des Designers
daher mitbringt, desto eher werden beide eine
„Win‑win‑Situation“ erreichen.
4
3 Anteile des
Energieaufwands
für einen 40‑t‑
Sattelzug auf
ebener Strecke
bei konstant
85 km/h
4 Trambus von
Gaubschat auf
Büssing Chassis
(oben) und VW
Transporter
(unten) [1]
5 Aerodyna‑
misch relevante
Bauteile eines
Fernverkehrs‑
sattelzugs
38
design und aerodynamik – lkw: Der Aerodyna‑
mikentwicklung sind bei Nutzfahrzeugen ebenso
wie der Designentwicklung enge Grenzen
gesetzt. Beim Lkw resultieren diese vor
allem aus den gesetzlich vorgegebenen
Längen‑ und Höhenabmessungen, die
zur Realisierung eines maximalen Lade‑
raums in der Regel vollumfänglich ausge‑
schöpft werden müssen. Hinzu kommt,
dass der Lkw‑Hersteller in der Regel
lediglich die Entwicklung von Fahrzeug‑
chassis, Antriebsstrang und Fahrerhaus
verantwortet, während die branchen‑
spezifischen Aufbauten, Auflieger und
Anhänger unabhängig von anderen Fir‑
men gestaltet werden. Die Gemengelage
aus gesetzlichen Vorschriften und traditi‑
5
oneller Arbeitsteilung zwischen Fahrzeug‑
3
und Aufbauhersteller hat dazu geführt, dass sich
zum marktbeherrschenden Lkw‑Typ in Europa
der sogenannte Frontlenker entwickelt hat, bei
dem nur ein begrenzter Bauraum zur aerodyna‑
mischen Formgebung zur Verfügung steht.
In diesem begrenzten Bauraum einer Länge
von 2,30 m muss ein ausreichend dimensio‑
nierter Arbeits‑ und Wohnraum für zwei Fahrer
in ansprechendem Design mit der Aerodynamik
in Einklang gebracht werden (Bild 5). Darü‑
ber hinaus sind die steigenden Anforderungen
hinsichtlich Motorkühlung, Innenraumklimati‑
sierung, Reduzierung von Fahrzeugverschmut‑
zung sowie Aeroakustik mit zu berücksichtigen.
Realisiert wird dieser Spagat durch eine Vielzahl
von Detailoptimierungen der einzelnen Bau‑
teile, die dem ungeschulten Auge aber meist
verborgen bleiben.
design und aerodynamik – Omnibus: Etwas
einfacher gestaltet sich die Situation beim Bus.
Hier können Designer und Aerodynamiker von
der Fahrzeugfront über die Seite bis hin zum
Heck das komplette Fahrzeug als formschlüs‑
sige Einheit gestalten. Der Annäherung an das
aerodynamische Optimum stehen lediglich der
Kundenwunsch nach möglichst vielen Sitzplät‑
zen und entsprechendem Gepäckraumvolumen
sowie die Forderungen aus dem fahrzeugtech‑
nischen Lastenheft entgegen.
Die größeren Gestaltungsspielräume beim
Bus zeigt eindrucksvoll das Beispiel der NEO‑
PLAN Reisebusse Starliner und Cityliner, die
mit cw‑Werten von 0,36 bzw. 0,35 bereits Pkw‑
Niveau erreichen. Bei diesen Luxusreisebussen
verhindern wesentlich größere Eckradien und die
ausgeprägte Dachschräge weitestgehend Strö‑
mungsablösungen und das Staudruckgebiet im
Bereich der Front (Bild 6). Die Strömung liegt
lange an und verringert so entscheidend den
Luftwiderstand. Im direkten Vergleich zu einem
konventionellen Buskonzept wie es z. B. der MAN
Lion’s Star verkörpert, liegt die Windlast, die auf
den Bug des Fahrzeugs wirkt, beim Starliner und
beim Cityliner um ca. 30 % niedriger.
Eine weitere Luftwiderstandsreduzierung
haben die Designer durch ein aerodynamisches
und stilistisch ansprechendes Heck realisiert:
Durch einen Einzug konnte das Nachlaufgebiet
deutlich reduziert und damit der Luftwiderstand
gesenkt werden. Die weitgehend unvermeidliche
Heckverschmutzung des Starliners zeigt indirekt
die Effizienz des Heckeinzugs. Die Strömung liegt
auf dem Dach und an der oberen Seitenwand
bis zur Abrisskante an und reduziert dadurch das
Unterdruckgebiet am Heck. Angenehmer Nebe‑
neffekt: An Karosseriekomponenten, an denen
die Strömung anliegt, erfolgt keine Fahrzeugver‑
schmutzung.
design- und aerodynamik – Entwicklungsprozess: Am Beispiel der 2007 präsentierten beiden
neuen schweren Lkw‑Baureihen TGS und TGX
von MAN lässt sich demonstrieren, wie durch
enges Zusammenwirken von Design und Aero‑
dynamik bereits im frühen Entwicklungsstadium
– in den bereits erwähnten engen Grenzen – eine
deutliche Verringerung des Luftwiderstands
erreicht werden kann. Gegenüber dem Vorgän‑
germodell TGA konnte der cw‑Wert um 4 % ver‑
bessert werden, obwohl die Grundstruktur von
Fahrzeug und Fahrerhaus unangetastet blieb.
Beim Cityliner konnten hier aufgrund der
bereits erwähnten größeren gesetzlichen Frei‑
heiten auch größere Reduzierungen des cw‑Wer‑
tes um 15 % realisiert werden (Bild 7).
Die Entwicklung der Baureihen TGS und TGX
begann 2004 mit der Definitionsphase und dem
Lastenheft. Darin werden u. a. die für die Aero‑
6
dynamik relevanten Verbrauchs‑, Nutzwert‑ und
Komfortziele definiert. In dieser frühen Phase,
die durch eine große Bandbreite unterschied‑
licher Designkonzepte und Proportionsmodelle
geprägt ist, steht für die Aerodynamik insbeson‑
dere die enge Zusammenarbeit mit der Design‑
abteilung im Vordergrund.
Besonders wichtig ist es in dieser kreativen
Phase, den Designer durch schnelle aerodyna‑
mische Untersuchungen bei der Formfindung
zu unterstützen bzw. Gestaltungsideen des
Designers frühzeitig auf Strömungsoptimierung
zu prüfen. Die Möglichkeit der Zusammenar‑
beit zwischen Design und Aerodynamik hilft
und unterstützt den Designer auch in der
Begründung der gewählten Formen, denn die
dann strömungsgünstige Designidee ist auch
wegen des günstigeren cw‑Wertes richtig und
zu bevorzugen.
Als
„schnelles“
Entwicklungswerkzeug
kommt hier die CFD‑Simulation zum Einsatz
(Computational Fluid Dynamics). Sie liefert zeit‑
nah Ergebnisse für die zu erwartenden Luftwi‑
derstandsbeiwerte und Kühlluftvolumenströme
sowie über die zu untersuchenden Designmodelle
und visualisiert die spezifischen Strömungstopo‑
logien, die dem Aerodynamiker stichhaltige Hin‑
weise auf Optimierungspotenziale geben. Diese
wiederum können anschließend im Windkanal
gezielt untersucht und dem Designer anschaulich
zurückgespielt werden.
In dieser Phase müssen Designer und Aero‑
dynamiker dafür Sorge tragen, dass neben einem
6 Strömungsvisu‑
alisierung NEO‑
PLAN Cityliner
7
7 Reduzierung des
Luftwiderstands
beim Modell‑
wechsel (Lkw
und Omnibus)
39
8
8 Strömungsvi‑
sualisierung der
Dachdurch‑
strömung des
MAN‑Hybrid‑
busses „Lion’s
City Hybrid“
9 Entwicklungs‑
prozess [2]
10 Harmonische
Integration
von aerody‑
namischen
Features in das
Gesamterschei‑
nungsbild der
TGX‑ und TGS‑
Seitenspiegel
10
40
aerodynamischen und gestalterisch schönen
Fahrzeug auch die wesentlichen Fahrzeugfunkti‑
onen wie z. B. die Kühlung des Motors oder der
Elektrikkomponenten beim Hybridbus sicher‑
gestellt sind. So wurde u. a. die Gestaltung des
Daches der neuesten MAN‑Hybridbus‑Genera‑
tion ganz entscheidend durch die Strömungsto‑
pologie geprägt (Bild 8).
Auf die Definitionsphase folgt die Kon‑
zeptphase, die vor allem durch Messungen
im Modellwindkanal geprägt ist. Bei MAN
wird in der Regel ein Modellmaßstab von
1 : 4 verwendet. Die Modelle werden mit
einer Windgeschwindigkeit von 290 km/h
angeströmt, was einer Anströmung von
rund 72 km/h in der Realität entspricht.
Zur aerodynamischen Optimierung der
Modelle wird die Geometrie der Bauteile
schrittweise verändert und jeweils der cw‑
Wert der einzelnen Konfigurationen ermit‑
telt. Pro Tag werden so ca. 30 Konfigurati‑
onen im Modellwindkanal „durchgespielt“,
um die aerodynamisch günstigste Form der
untersuchten Bauteile zu erhalten. Bei die‑
sen Windkanalversuchen ist meist auch der
verantwortliche Designer mit im Team, um
die gestalterischen Möglichkeiten voll und
möglichst effizient ausschöpfen zu können.
Mit Beginn der dritten Phase, der soge‑
nannten Serienreifmachung, erfolgt das
Styling‑Freeze für die Grundform des Fah‑
rerhauses. Die ersten Aerodynamikproto‑
typen werden aus GFK‑Außenhäuten aufgebaut,
die Detailoptimierung der Anbauteile erfolgt nun
im 1 : 1‑Windkanal.
Bei diesen Messungen werden neben der
aerodynamischen Verbesserung von Anbautei‑
len auch Details untersucht, die sich im Modell
nur schwer oder gar nicht darstellen lassen, so
z. B. die Kühlluftführung, die Aeroakustik und das
Eigenverschmutzungsverhalten.
MAN
führt diese 1 : 1‑Aerodynamikmessungen
in Europas größten Windkanälen, dem
DNW (Deutsch‑Niederländische Wind‑
kanäle) in Amsterdam und dem RTA (Rail
Tec Arsenal) in Wien durch. Im DNW
werden hierbei die Luftwiderstands‑ und
Aeroakustikmessungen
durchgeführt,
während beim RTA Verschmutzungs‑,
Klima‑ und Motorkühlungsaspekte im
Vordergrund stehen.
Um eine kontinuierliche Entwicklung sicher‑
zustellen, geht MAN mit dem jeweils aktuellen
Musterstand in den Windkanal – mit A‑Mustern
z. B. aus handlaminierten Bauteilen, B‑Mustern
aus Prototypenwerkzeugen und C‑Mustern
aus Serienwerkzeugen. Anschließend erfolgt
eine Validierung mit Serienteilen. Die abschlie‑
9
ßende Prüfung, ob alle entwickelten Maßnah‑
men greifen, erfolgt mit dem an den Kunden
ausgelieferten Serienstand.
Ein besonderes Augenmerk galt der Gestal‑
tung der beiden Außenspiegel, die beim Lkw
aufgrund der strömungsungünstigen rechtwink‑
ligen Grundform des Fahrzeugs eine luftleitende
Funktion übernehmen können: Durch entspre‑
chend geformte Spiegelgehäuse ist es möglich,
die Luft gezielt an der Fahrerhausseite entlang‑
zuleiten und so zu einer Verringerung des Luft‑
widerstands beizutragen. An den Gehäusen der
neu geformten Außenspiegel wird hierzu ein
Teil der vorbeiströmenden Luft daher gezielt an
den Seitenscheiben entlanggeleitet. Der Spiegel‑
nachlauf wurde entsprechend verkürzt. Zudem
wurde ein Wassermanagement integriert, das bei
Regen störendes Spritzwasser auf Seitenscheibe
und Spiegelglas minimiert. Diese Maßnahmen
wurden von den Designern harmonisch in das
Gesamterscheinungsbild integriert, sodass der
Kunde diese allein durch die Technik bestimmten
Features nicht als solche wahrnimmt (Bild 10).
Dieses Zusammenspiel zwischen anspre‑
chendem Design und aerodynamischer Effizi‑
enz wird nicht nur in der Detailgestaltung der
Serienfahrzeuge realisiert, sondern auch bei der
Entwicklung
zukunftsweisender
Fahrzeug‑
konzepte (Bild 11).
Perspektiven: Die aktuellen konventionellen
Lkw‑Frontlenker haben inzwischen ein aerodyna‑
misches Niveau erreicht, das unter den gegebenen
Randbedingungen kaum mehr zu verbessern ist.
Eine wesentliche Senkung des Luftwiderstands
wäre nur möglich, wenn die gesetzlichen Län‑
genbegrenzungen gelockert oder durch alter‑
native Reglementierungen abgelöst würden. So
wird z. B. in den USA nicht die Fahrzeuglänge
limitiert, sondern lediglich der nutzbare Lade‑
raum. MAN hat im vergangenen Jahr anlässlich
der IAA Nutzfahrzeuge einen aerodynamisch
optimierten Sattelzug präsentiert, der sich an der
Strömungstopologie eines Delphins orientiert.
Das um 0,80 m verlängerte Zugfahrzeug sowie
der um 0,20 m erhöhte und mit Heckeinzug ver‑
sehene Auflieger erreichen zusammen einen sehr
niedrigen cw‑Wert von 0,30. Innerhalb kurzer
11
Zeit ließe sich also eine signifikante Verbesserung
der CO2‑Bilanz des Straßengüterverkehrs errei‑
chen – wenn der Gesetzgeber mitspielt.
«
11 Entstehung eines
zukunftwei‑
senden Fahr‑
zeugkonzepts
literatur
[1] Hucho, Wolf‑Heinrich (Hrsg.): Aerodynamik des Automobils. Strömungsmechanik, Wärmetechnik, Fahrdynamik, Komfort. 5., völlig neu bearb. u. erw. Aufl.,
unveränd. Nachdr. Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2008
[2] Hoepke, Erich; Breuer, Stefan (Hrsg.): Nutzfahrzeugtechnik. Grundlagen, Systeme, Komponenten. 5., vollst.
überarb. Aufl. Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2008
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panorama
elektromobilität
elektromobilität
elektrofahrzeuge und batteriesysteme
MAREEN DIEKHAKE, B. ENG. – Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
» Im
1 Arten der Elektromobilität [4]
1
42
Rahmen einer Bachelor-Arbeit im Bereich
der Karosseriekonstruktion bei der Volkswagen
Osnabrück GmbH zum Thema „Entwicklung
eines Batteriewechselsystems unter Leichtbauaspekten und Integration in ein Karosserie-Baukastensystem“ wurde das Thema E-Mobilität
intensiv analysiert.
Nicht nur auf Automobilmessen und Autoshows, sondern auch auf dem Automobilverkaufsmarkt haben im Jahr 2011 Elektrofahrzeuge wie z. B. der Mitsubishi i-MiEV, der Volt
von General Motors, der Nissan Leaf oder der
Tesla Roadster Einzug gehalten.
Zwar wächst die Zahl der jährlich in Deutschland zugelassenen Elektrofahrzeuge, die ausschließlich mit Batterie fahren, nur langsam
und ist mit 1275 Fahrzeugen im Verhältnis
zu den registrierten 1,26 Mio. Gesamtzulassungen zwischen Januar und Juli 2011 deutlich
geringer, aber dennoch zeigt sich eine Tendenz
in Richtung Elektromobilität [1]. Die geringe
Zahl begründet sich in dem begrenzten Angebot durch europäische Hersteller, dem höheren
Kaufpreis im Vergleich zum traditionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, der begrenzten
Reichweite der Batterien und dem noch nicht
ausgebauten Aufladenetzwerk. Für die Elektromobilität sprechen aber Umweltfreundlichkeit,
Innovation, Unabhängigkeit vom Rohstoff Öl
und Integrationsmöglichkeiten der Fahrzeuge
in ein Smart Grid (mobiler Energiespeicher). Für
2013 sind daher Modelle von allen großen deutschen Automobilherstellern in Serie geplant,
sodass sich erst dann tatsächlich realistische und
auswertbare Zulassungszahlen ergeben werden.
Allerdings ist Elektrofahrzeug nicht gleich
Elektrofahrzeug. Die Arten der Elektromobilität
und die Grade der Elektrifizierung können in fünf
Klassen eingeteilt werden (Bild 1).
Unter Hybridfahrzeugen sind Fahrzeuge mit
Verbrennungsmotor zu verstehen, die auch mit
einem Elektromotor ausgestattet sind. Hybride
werden wiederum untergruppiert: zum einen
nach Bauweise (parallel, seriell, gemischt, verzweigt), zum anderen nach Leistung des Elektromotors (Microhybrid, Mildhybrid, Vollhybrid und
Plug-in-Hybrid).
Micro- und Mildhybride verfügen über einen
Motor-Generator bzw. eine E-Maschine, die in
den Verbrennungsmotor integriert ist und der
Beschleunigungsunterstützung dient. Während
Microhybride eine Elektromotorleistung von
2 bis 3 kW haben, liegt sie bei Mildhybriden
bei 10 bis 15 kW. Vollhybride (HEV) haben eine
Elektromotorleistung von mehr als 15 kW und
zeichnen sich dadurch aus, dass das Fahrzeug
auch rein elektrisch betrieben werden kann;
beide Motoren können das Fahrzeug unabhängig voneinander antreiben. Zudem ist dies ein
System, das durch Rekuperation Bremsenergie
in elektrische Energie wandelt, die in der Batterie
gespeichert und für den Antrieb genutzt werden
kann. Dieses System ist am weitesten verbreitet.
Beispiel hierfür ist der Toyota Prius.
Plug-in-Hybride (PHEV) entsprechen dem
Vollhybrid, jedoch kann die leistungsfähige
Batterie neben der Rekuperation auch über das
Stromnetz extern geladen werden. Mit dem
Elektroantrieb kann rein elektrisch gefahren
werden; sobald die Batterie eine untere Ladegrenze erreicht hat, startet der Verbrennungsmotor als Antrieb. Da das Fahrzeug bei
HEV- und PHEV-Antrieb entweder direkt
über den Elektromotor oder direkt über den
Verbrennungsmotor angetrieben werden kann,
wird dieses System auch als paralleles System
bezeichnet.
Sogenannte Hybride mit Range Extender
(serielle Hybride oder EREV), wie z. B. Opel
Ampera, Chevrolet Volt oder Fisker Karma, verfügen über einen Elektromotor als primären
Antrieb für die ersten Kilometer. Danach springt
ein Verbrennungsmotor ein und erweitert die
Reichweite des Fahrzeugs, indem er als Generator Strom für die Batterie produziert. Da der
Antrieb ausschließlich über den Elektromotor
läuft, d. h. der Verbrennungsmotor keine mechanische Verbindung zum Getriebe hat, wird dieses
System auch als serielles System bezeichnet.
Bei
Brennstoffzellenfahrzeugen
(FCV)
wird die Antriebsenergie mittels einer Brennstoffzelle und Wasserstoff gewonnen, wie
panorama
elektromobilität
Blei-Säure-Batterie
Nickel-Metallhydrid- N a t r i u m - N i c k e l - Lithium-Ionen-Batterie
Batterie
Chlorid-Batterie
Spezifische Energiedichte 30–35 Wh/kg
60–70 Wh/kg
100–120 Wh/kg
120–150 Wh/kg
Leistungsdichte
200–300 W/kg
200–300 W/kg
160 W/kg
400–600 W/kg
Anzahl Ladezyklen
300–1500
> 2000
1000
2000
Ladezeit
8–16 h
2–4 h
–
2–4 h
Kosten
100–150 EUR/kWh
300–350 EUR/kWh
< 250 EUR/kWh
300– 600 EUR/kWh
z. B. in Forschungsprogrammen an der MercedesB-Klasse betrachtet.
Reine Elektrofahrzeuge (BEV) beziehen ihre
Antriebsenergie aus lediglich einer Bezugsquelle
– der Batterie. Eine externe Energieneuzufuhr ist
daher zwingend erforderlich.
Wurden bei dieser Art des Elektrofahrzeugs
in den 1990er-Jahren noch Blei- oder NickelCadmium-Batterien genutzt, so setzt die Industrie heute auf Lithium-Ionen-Batterien. Neben
höherer Energiedichte und somit besseren
gewichtsbezogenen Eigenschaften im Vergleich
zu Bleibatterien ist bei dieser Batterieart auch die
Zyklenfestigkeit, d. h. die Anzahl der möglichen
Ladungen/Entladungen, höher. Diesen Vorteilen steht jedoch die Empfindlichkeit für extreme
Temperaturen gegenüber, sodass (zusätzliche)
Kühl-, Heiz- und Kontrollsysteme notwendig
werden, um Leistungsfähigkeit und Lebensdauer
vollständig ausnutzen zu können. Die Kosten für
eine in einer Lithium-Ionen-Batterie gespeicherte
Kilowattstunde liegen heute bei ca. 470 EUR
bzw. 650 USD, was bei einem Verbrauch von ca.
18 kWh für eine Strecke von 100 km ein Batteriemodul im Wert von ca. 8500 EUR erforderlich
macht. Die Batterie wird so zum gewichtigen
Kostentreiber des Elektrofahrzeugs. Der Trend
in der Preisentwicklung bis zum Jahr 2020 ist
zwar positiv, dennoch muss auch dann noch mit
ca. 240 EUR bzw. 325 USD je Kilowattstunde
gerechnet werden [2].
Auch in Bezug auf das Batteriemodulgewicht
von über 100 kg entspricht ein Elektrofahrzeug
nicht dem heute in der Entwicklung favorisierten Leichtbaugedanken. Hier müssen durch neue
Batterietechnologien Gewichtseinsparpotenziale
ermöglicht werden. Denn eine niedrige Batterieund Fahrzeugmasse bedeutet gleichzeitig eine
niedrigere erforderliche Batteriekapazität und so
insgesamt geringere Batteriekosten.
Doch nicht nur die Kosten- und Gewichtsproblematik stellt das Thema Elektromobilität
vor große Herausforderungen, auch die Reichweite eines Elektrofahrzeugs ist im Vergleich
zum Verbrennungsfahrzeug wesentlich geringer.
Die aktuell angebotenen reinen Elektrofahrzeuge
haben im Durchschnitt eine Reichweite von
150 km, sodass das Thema Energieneuzufuhr ein
zentraler Punkt in der Entwicklung eines Elektrofahrzeugkonzepts ist.
Die „Betankung“ des Elektrofahrzeugs kann
auf zwei Weisen geschehen: Durch Aufladen
oder Austauschen. Die Aufladevariante eines
fest in das Fahrzeug integrierten Batteriemoduls durch öffentliche Ladesäulen oder die private Steckdose wird bei großen Energiekonzernen favorisiert. Diese erhoffen sich über den
notwendigen Anschluss der PHEV und BEV an
das Stromnetz eine Integration der Elektrofahrzeugbatterien in das Smart Grid, ein Netzwerk
von Verbrauchern und Stromlieferanten, das auf
Stromschwankungen reagieren kann. So können
tageszeitliche Spannungsspitzen im Netz ausgeglichen werden, indem Strom, der sich in nicht
gebrauchten BEV- und PHEV-Batterien befindet,
zu Zeiten hoher Netzbelastungen abgezogen
werden kann. Bei Überproduktion und geringer
Stromnachfrage dagegen können die fahrzeuginternen Batteriemodule als Speicher genutzt
werden. Der Ladevorgang soll während der
Arbeitszeit oder beim Aufenthalt zu Hause
erfolgen, denn nach Statistiken wird ein
Fahrzeug in Deutschland nur ca. eine Stunde
2
Tabelle 1:
Batteriesysteme
für HEV und
BEV [5]
2 Funktionsprinzip Vehicle
to Grid [6]
43
panorama
elektromobilität
pro Tag tatsächlich bewegt. In der Entwicklung sind auch drahtlose Ladevorgänge an
stehenden Fahrzeugen mittels induktiver
Felder zwischen Ladeplatten am Fahrzeug
und unter der Straßenoberfläche. Diese Ladeform wird an „induktiven“ Tankstellen und
Parkplätzen erprobt.
Die Variante des Komplettaustausches setzt
ein wechselbares Batteriemodul voraus und
wird von der Firma Better Place exemplarisch im
großen Stil bei Personenkraftwagen umgesetzt.
Der derzeitige Marktführer stellte im Mai 2009
seine Wechseltechnologie in Yokohama vor und
errichtete bereits in Israel und in Dänemark mehrere Hundert seiner Systeme, um so die Infrastruktur zu testen. Das von Better Place entwickelte Prinzip „Quickdrop“ ermöglicht einen
Wechsel, der von der Einfahrt in die Wechselstation bis zur Ausfahrt 4 bis 5 Minuten benötigt.
Der Wechselvorgang verläuft wie folgt (Bild 5):
Nachdem der Kunde an der Einfahrt einer
Wechselstation den Batteriewechsel gebucht
hat, wird das Fahrzeug wie in einer automatischen Autowaschanlage zur Batteriewechselvorrichtung geführt, wobei es leicht angehoben
und der Unterboden von Schnee und Schmutz
befreit wird. Nachdem die Bodenstruktur der
Wechselstation den Weg für den Wechselvorgang freigegeben hat, kann eine Transportpalette unter das Fahrzeug gefahren werden und
sich über ein Zentriersystem zur Batterie justieren. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, bekommt
das Fahrzeug die Freigabe, die Batterieverriegelung zu lösen. Im Fall des Verfahrens von Better
Place ist dies ein vollautomatischer fahrzeugseitiger Hakenmechanismus, der in batterieseitige
Aufnahmen greift und über einen Drehmechanismus über die Wechselstation angetrieben wird. Durch das Lösen senkt sich die Batterie auf die Palette ab und kann in das Lager
der Wechselstation verfahren werden, um dort
3
3 Better-PlaceWechselstation [7]
44
3
gleichmäßig unter bestimmten Umgebungsbedingungen (u. a. Temperatur, Feuchte) optimal
geladen zu werden. Eine geladene Batterie wird
von der Wechselvorrichtung aufgenommen und
zum Fahrzeug transportiert. Über einen Zentriermechanismus zwischen Batterie und Fahrzeug
und die Verriegelung des Drehhakenmechanismus wird das Batteriemodul im Fahrzeug positioniert. Die Bodenstruktur der Wechselstation
verschließt sich, und das Fahrzeug wird aus der
Wechselstation entlassen.
Batteriewechselstationen überzeugen durch
die Geschwindigkeit des Ablaufs. Auch die Ladezyklen werden erhöht (und damit Kosten reduziert), da anderenfalls Hochgeschwindigkeitsaufladungen und somit hohe Belastungen des
Batteriematerials die Lebensdauer herabsetzen.
Auch eventuelle Kontroll- und Wartungsarbeiten
an den Batteriemodulen und Anbindungsmechanismen können in das Stationslager integriert
werden. Zudem liegt die Besonderheit eines
Wechselsystems neben der Möglichkeit des Fahrers, während des Wechselvorgangs im Fahrzeug
zu bleiben, in der wie bei Verbrennungsmotorfahrzeugen theoretisch unbegrenzten Reichweite des BEV. Dies ist bei PHEV oder BEV mit
alleinigem Aufladeprinzip nicht gegeben, da längere Ladezeiten unvermeidbar sind.
Voraussetzung der unbegrenzten Reichweite
durch ein Wechselprinzip ist allerdings eine ausgebaute Infrastruktur von Wechselstationen, die
zurzeit nicht zur Verfügung steht und somit noch
Investitionen erfordert. Für das Wechselstationsnetzwerk gibt es mehrere Optionen, je nachdem
in welcher Größenordnung die Reichweite der
BEV liegen soll: In Ballungsräumen ist sicherlich
eine zentrale Wechselstation sinnvoll, da die
Fahrzeuge immer in einem bestimmten Radius
um die Quelle bleiben können. Dieser wäre mit
ca. 50 km sinnvoll ausgelegt, da dies ungefähr
der durchschnittlichen täglichen Pkw-Fahrleistung entspricht [3]. Der Einsatz von Elektrofahrzeugen im urbanen öffentlichen Nahverkehr und
im Taxibereich sowie im Pendlerverkehr ist so
praktikabel und erscheint sinnvoll.
Für Knotenpunktverkehre, wie z. B. von Hamburg nach Stuttgart, oder für Fahrten mit großen
Lasten ist eine zentrale Quelle jedoch ungeeignet. Hierfür müsste ein lineares Wechselstationsnetz z. B. entlang der Autobahnen errichtet werden, wie es aktuell beim Tankstellennetz besteht.
Diese Netzwerkform erfordert allerdings wesentlich höhere Investitionen als ein radiales Netzwerk. Für den Fahrer eines Elektrofahrzeugs mit
einer Batteriekapazität für 150 km bedeutet ein
serielles Wechselnetzwerk für die genannte Strecke Hamburg–Stuttgart mindestens 5 Wechselvorgänge zu je 5 Minuten. Im Vergleich zu Elektrofahrzeugen, die aufgeladen werden müssen
und so Pausen zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden benötigen, ist dies eine deutliche
Verbesserung – sowohl unter dem zeitlichen
panorama
elektromobilität
Aspekt als auch in Bezug
auf die Batterielebensdauer, die durch gleichmäßige und langsame
Ladung des Batteriemoduls im temperatur- und
feuchteklimat isier ten
We chsels t at ionslager
deutlich erhöht werden kann.
Voraussetzung sowohl bei radialen als auch
linearen Wechselstationsnetzwerken ist jedoch
eine ausreichende und intelligente Lagerauslastung. Die Variantenvielfalt der Batteriemodule
ist hier eine große Herausforderung. Nicht nur
der große Raumbedarf für die spezifischen Batteriemodule aller Fahrzeughersteller, auch die Verfügbarkeit bei großer Nachfrage ist zu bedenken.
Ein Lösungsansatz liegt hier in der Standardisierung der Batteriemodule oder ihrer Komponenten. Nur so können kleinere Lager (also geringere
Kosten) und eine stetige Verfügbarkeit gewährleistet werden. Übereinkünfte und Absprachen
gibt es derzeit jedoch noch nicht. Eine komplette
Batteriestandardisierung, die es für Elektrogeräte
mit z. B. AAA- oder AA-Batterien bereits gibt,
wird von dem OEMs aufgrund von Entwicklungseinschränkungen negativ bewertet und es
ist fraglich, ob sie sich durchsetzen kann.
Doch auch die Integration des Batteriemoduls und des lösbaren Anbindungsprinzips im
Fahrzeug stellen große Herausforderungen an
das Fahrzeuggesamtsystem und an den Karosserierohbau im Besonderen: Bei großen Automobilherstellern finden erste Entwicklungsuntersuchungen auf Basis von Conversion-Vehicles
statt, d. h., bei einem Elektrofahrzeug, das auf
einem ursprünglichen Verbrennungsmotormodell basiert, müssen zusätzliche Anpassungsmaßnahmen in Bezug auf Crashsicherheit und
Package getroffen werden. So wurde im Rahmen der Bachelorarbeit die Integration in eine
Karosseriebaukastenstruktur untersucht und
umgesetzt. Leichtbau in Bezug auf die Batterietragstruktur, der gerade bei dem hohen
Gewichtseinfluss des Batteriemoduls wichtig ist,
und Modularisierungszwänge für das Anbindungsprinzip wurden mithilfe eines Baukastensystems umgesetzt. Trotz der Möglichkeit einer
Integration in eine vorgegebene Rohbaubodenstruktur stellte sich heraus, dass die Entwicklung
eines Purpose-Built-Vehicles, eines Fahrzeugs,
das von Anfang an in seiner Plattform und
Bauweise als Elektroauto konzipiert ist, weitaus bessere Integrationsmöglichkeiten für ein
Wechselsystem bietet.
Neben diesen Entwicklungsthemen stellt sich
auf der Seite des Gesamtfahrzeugkonzepts die
Eigentümerfrage des Batteriemoduls. Vorstellbar
wäre ein Leasingkonzept, bei dem die Wechselstationen oder die Stromkonzerne Eigentümer
sind. Die gelagerten Batterien könnten so in das
Smart Grid integriert werden. Bei Better Place
4 Details des
Wechselmechanismus [8, 9]
4
ist das Batteriemodul ebenfalls nicht in Besitz
des Fahrzeuginhabers, dieser zahlt vielmehr eine
Kilometerpauschale. So ergibt sich ein Fahrzeugpreis ähnlich zu dem eines Fahrzeugs mit
Verbrennungsmotor.
Nach einschlägiger Patentrecherche scheint
ein Komplettaustauschsystem bei den OEMs
noch nicht umgesetzt zu sein. Die Gründe liegen wahrscheinlich in den oben genannten
Herausforderungen und einem fehlenden eindeutig definierten Gesamtkonzept für ein Elektrofahrzeug mit Wechselsystem. Dennoch liegt
in einem Batteriewechsel bei Klärung der oben
genannten Fragestellungen Potenzial und er
sollte gerade in der Entwicklung eines PurposeBuilt-Vehicles als vielversprechende Variante
berücksichtigt werden.
Größeres Potenzial zeigt nur noch ein weitere
Art des Austausches: Dabei wird die Batterieladung durch Austausch der Elektrolytflüssigkeit
erneuert. Sogenannte Redox-Flow-Zellen befinden sich in der Entwicklung und Erprobung, hier
insbesondere die Vanadium-Redox-Batterie, bei
der die Vanadium-Elektrolytflüssigkeit erneuert
werden kann. Dieses Verfahren, das dem jetzigen
Tankprinzip ähnelt, wird bereits bei Pufferbatterien von Windkraftanlagen eingesetzt. Allerdings
ist dieser Batterietyp im Preis und in spezifischer,
d. h. gewichtsbezogener Energiedichte noch
nicht für die Elektromobilität optimiert. Diese
Austauschvariante würde jedoch die geringsten
Auswirkungen auf das Fahrzeug, seinen Rohbau, die Infrastruktur und die Gewohnheiten
des Kunden haben.
Zusammenfassend kann gesagt werden: Elektrofahrzeuge und ihre Batteriesysteme stellen
heute an die Entwicklung die Herausforderungen
der begrenzten Reichweite und Energiedichte bei
hohem Gewicht. Fahrzeuge mit wechselbaren
Batterien sind eine Lösungsmöglichkeit, erfordern jedoch ein Wechselsystem, das wiederum
geometrische und gesetzliche Anforderungen an
45
panorama
elektromobilität
5 Prinzip der Better-Place-Wechselstation [10]
6 Daimler will
Lithium-IonenBatterien in
die nächste
Generation des
Elektromodells
des Kleinwagens Smart
einbauen [11].
das Fahrzeug stellt und ein geeignetes Marktkonzept bedingt. Bisher gibt es daher nur wenige
aufgebaute Batteriewechselsysteme, wie z. B.
das Quickdrop-Prinzip von Better Place.
Ein Elektrofahrzeug mit Wechselsystem
setzt ein geeignetes Einsatzgebiet und eine
entsprechende Infrastruktur voraus: Hinsichtlich der Langstreckenproblematik bei Elektrofahrzeugen hat ein Wechselsystem nur unter
bestimmten Voraussetzungen wie Normung
und Standardisierung Chancen. Dies wird
jedoch derzeit aufgrund der Einschränkungen im
herstellerübergreifenden
Entwicklungsprozess
und fahrzeugspezifischer Randbedingungen
nur schwer umzusetzen sein. Für den privaten Pkw-Gebrauch im urbanen Gebiet, für
Taxibetriebe und bei öffentlichen Verkehrsmitteln wird ein solches Konzept jedoch als
sinnvoll und umsetzbar erachtet und eröffnet
insbesondere für reine Elektrofahrzeuge neben
den genannten Vorzügen für die Umwelt die Vorteile der Batterieschonung und einer schnellen
Reichweitenerhöhung.
«
5
Literatur
[1] Sorge, Nils-Viktor; Eckl-Dorna, Wilfried: Neuer Antrieb. Holperstart bremst Elektroauto-Euphorie [online]. In: manager magazin online, 2012-07-23. Internet:
<http://www.manager-magazin.de/unternehmen/autoindustrie/0,2828,777679,00.html> [Zugriff: 2011-0808, 17:04 Uhr MESZ]
[2] Lache, Rod; Galves, Dan; Nolan, Patrick: Electric Cars:
Plugged In 2. A mega-theme gains momentum [online]. o. O.: Deutsche Bank Securities Inc., 2009-11-03
(FITT Research). Internet: <http://www.fullermoney.com/
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[3] Partz, Wolfgang: Weltweite TÜV Rheinland-Studie zu
Elektromobilität: China und Indien fahren auf Hochvolttechnik ab [online]. Köln; Frankfurt am Main: TÜV
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de/deutschland/ueber_uns/presse/meldungen/newscontentde_66048.jsp> [Zugriff: 2011-10-13, 13:06 Uhr
MESZ]
[4] Spath, Dieter; Bauer, Wilhelm; Rothfuss, Florian; Voigt,
Simon; Rath, Karola (Red.): Strukturstudie BWe mobil. Baden-Württemberg auf dem Weg in die Elektromobilität,
S. 6 [online]. Stuttgart: Wirtschaftsministerium BadenWürttemberg; Wirtschaftsförderung Region Stuttgart
GmbH (WRS); Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft
und Organisation (IAO), 2010. Internet: <http://
www.e-mobilbw.de/Resources/strukturstudie-bwe-mobil.
pdf> [Zugriff: 2012-07-25, 17:15 Uhr MESZ]
[5] Braess, Hans-Hermann; Seiffert, Ulrich (Hrsg.): Vieweg
Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 5., überarb. u. erw. Aufl.
Wiesbaden: Vieweg, 2007
[6] Vehicle to Grid (V2G) – Elektroauto am Netz [online].
Calw: GreenGear o. J. Internet: <http://www.greengear.
de/vehicle-to-grid-v2g> [Zugriff: 2011-08-16, 07:46 Uhr
MESZ]
[7] Bild links: <http://www.heise.de/newsticker/
meldung/350-Millionen-Dollar-fuer-E-Car-Projekt-BetterPlace-912627.html?view=zoom%3Bzoom=1> [Zugriff:
2012-08-14, 09:24 MESZ], Bild rechts: <http://www.
motorvision.de/artikel/gegen-den-strom-renault-setztauf-wechselakkus,10285.html> [Zugriff: 2012-08-14,
09:25 MESZ]
[8] Battery switch technology demo [online]. o. O. o. J. Internet: <http://www.youtube.com/
watch?v=OHHvjsFm_88> [Zugriff: 2011-09-23,
15:35 Uhr MESZ]. – Screenshots aus Demovideo
[9] Better Place GmbH; Agassi, Shai; Heichal, Yoav; Agassi,
Tal: System for electrically connecting batteries to electric
vehicles. Schutzrecht WO 2010/033881-A1
(2010-03-25)
[10] Plug-and-Play Batteries: Trying Out a Quick-Swap
Station for E.V.’s. In: New York Times, 2011-07-29
[online]. Internet: <http://www.nytimes.com/
imagepages/2011/08/02/automobiles/2swaps-graphic.
html?ref=automobiles> [Zugriff: 2011-08-16, 08:42 Uhr
MESZ]
[11] http://www.teleboerse.de/nachrichten/Li-Tec-geht-inSerie-article3321411.html [Zugriff: 2012-08-14,
10:35 Uhr MESZ]
[12] Dudenhöffer, Ferdinand: Ein Markt für morgen? –
Hypothesen und Prognosen zur Elektromobilität. In:
Unikate (2011), Nr. 39, S. 103–109
6
46
[13] Hybrid Einstufung [online]. Heilbronn: Hybrid-Autos.
info, o. J. Internet: <http://www.hybrid-autos.info/
Hybrid-Einstufung> [Zugriff: 2011-10-02, 10:35 Uhr
MESZ]
panorama
EuroMold 2012
EuroMold 2012
innovative themen versprechen eine erfolgreiche messe
DEMAT GmbH, Frankfurt am Main
» Zur 19. EuroMold, der
Weltmesse
für
Werkzeug- und Formenbau,
Design und Produktentwicklung, werden vom 27.
bis 30. November 2012 in
Frankfurt am Main 1500
Aussteller aus 45 Ländern
und 60 000 Fachbesucher
erwartet. Die internationale Leitmesse der Produktentwicklung zeigt neben dem Gastland
Österreich und innovativen Themenparks ein
attraktives Rahmenprogramm. Daneben lässt
auch die gestiegene Zahl der Erstaussteller eine
sehr erfolgreiche Messe erwarten. Highlights
der EuroMold 2012 sind neben dem Gastland
Österreich der Themenpark „Schmuckindustrie“
sowie hochkarätige Konferenzen und Foren.
Neben dem Schwerpunkt Werkzeug- und Formenbau werden auch die Bereiche Rapid Prototyping, Modell- und Prototypenbau, CAD/
CAM, Simulation + VR, Werkzeugmaschinen
sowie Werkzeuge, Engineering-Dienstleistungen
und Design angeboten.
Hohe Internationalität der Erstaussteller:
Bereits sechs Monate vor Messebeginn verzeichnete die EuroMold mit 64 Erstausstellern eine
deutliche Steigerung der Zahl der Erstanmeldungen – im Vergleich zum Vorjahr eine Steigerung um 12,2 %. Neben Deutschland (48,4 %)
sind Italien (10,9 %), Österreich und Portugal
(jeweils 6,3 %), Frankreich, die Türkei und Südkorea (jeweils 4,7 %) die wichtigsten Länder
in dieser Kategorie.
Gastland Österreich: Die EuroMold trägt mit der
Wahl des Gastlandes 2012 der Bedeutung Österreichs für die deutsche Wirtschaft sowie speziell für die Produktentwicklung und den Werkzeug- und Formenbau Rechnung. Das Gastland
wird auf der EuroMold 2012 mit zahlreichen
renommierten Unternehmen sowie mit Verbänden und Forschungseinrichtungen vertreten sein.
Für Österreich ist Deutschland mit Abstand der
wichtigste Handelspartner. Neben dem Maschinenbau spielt Österreich auch im Kunststoffbereich mit einem Umsatz von 13 Mrd. EUR eine
bedeutende Rolle.
Highlights und Sonderthemen: Die EuroMold
2012 präsentiert erstmals den Themenpark
„Schmuckindustrie“. Darin
wird die gesamte Prozesskette der Schmuckherstellung vom Design über
Rapid Prototyping bis zur
Gussmaschine abgebildet.
Die EuroMold ist für die
Schmuckindustrie traditionell eine wichtige internationale Plattform, da
hier die für die gesamte
Prozesskette notwendigen Techniken und Serviceleistungen präsentiert werden. Auch durch
die gestiegene Bedeutung der generativen Verfahren (3-D-Druck) und deren Einbindung in
die Schmuckherstellung ist die Bedeutung der
EuroMold in diesem Sektor noch weiter gestiegen. Ebenso feiern die Themenparks „Rotationsformen“ und „Thermoformen“ Premiere auf der
EuroMold 2012.
Halle 11 – „House of Creation“: Halle 11 bildet als „House of Creation“ ein weiteres Highlight der EuroMold 2012. Die Themenbereiche
„design + engineering“, „Werkstoffe“, „Simulation + VR“ sowie „Rapid Prototyping und
Manufacturing“ sind hier vereint. In Verbindung
mit diesem Angebot findet das 4-tägige „design
+ engineering forum“ statt. Das „House of Creation“ bietet damit einen einzigartigen Marktplatz
der modernen Produktentwicklung. Zudem ist
die EuroMold im Bereich der additiven Verfahren
(Rapid-Technologien) seit mehreren Jahren der
größte und wichtigste Marktplatz in Europa.
Internationale Konferenzen, Foren und Workshops: Auch 2012 unterstreicht die EuroMold
mit mehreren internationalen Fachkonferenzen
sowie zahlreichen Foren und Workshops ihre
Bedeutung als internationale Kontakt-, Innovations- und Technologiebörse. Bereits zum 14. Mal
findet auf der EuroMold die internationale
„Wohlers Konferenz“ statt. Darüber hinaus bietet die EuroMold 2012 traditionell das erwähnte
„design + engineering forum“ in Halle 11 mit
Sessions zu den Themenbereichen „design +
engineering“, „Virtuelle Realität“ „Rapid Prototyping“ und „Industriedesign“, sowie weitere
Konferenzen zu den Themen Design und Photonik. Die Teilnahme an diesem Forum ist für
EuroMold-Besucher kostenfrei.
«
Weitere Informationen: www.euromold.com
47
panorama
kreativwerkstätten mit modernster technik
Rücker AG, Wiesbaden
»
Die Styling- und
Design-Studios Stuttgart,
Wiesbaden und Barcelona der Rücker AG sind
Kreativwerkstätten
mit
hochmotivierten
Teams
und modernster Technologie: Hier werden künftige Automobile vom
ersten Federstrich bis zum
Einstiegsmodell konzipiert.
„Was unsere Mitarbeiter hier leisten, geht
schon in Richtung künstlerisches Schaffen …“ Markus Schneck, der Leiter
des Rücker-Designwerks
in Stuttgart sagt das mit
sichtlichem Stolz. Die Stylingabteilung der 1979
gegründeten baden-württembergischen Rücker-Niederlassung ist noch jung: sie wurde erst
im Dezember 2010 eröffnet. Das sogenannte
„Designwerk“ in Stuttgart soll das zweite feste
Standbein für den Designbereich des technologischen Entwicklungsunternehmens werden, das
seinen Hauptsitz in Wiesbaden hat. Das erste
Designstandbein – die Rücker Lypsa S.L. in Barcelona – hat eine bereits über 20-jährige erfolgreiche Tradition. „Die spanische Dependance
galt bis dato als Kompetenzzentrum der RückerGruppe für Styling, Design und Modellbau und
hat eine führende Position auf dem spanischen
Markt“, erläutert Vorstandsvorsitzender Wolfgang Rücker. Doch die Nachfrage der deutschen
Automobilhersteller nach einer gleichwertigen
Entwicklungsabteilung stieg stetig.
So wurde der Kernbereich in Stuttgart, mit
dem die Rücker AG bereits technologische Konstruktions- und Entwicklungsaufträge für Automobilhersteller und deren Zulieferer erledigt, um
ein Styling- und Designzentrum erweitert. „Jetzt
können wir hier die komplette Dienstleistungskette unserer Ingenieurgesellschaft anbieten“,
leitet Klaus-Henning Schaake, Geschäftsführer
der Rücker GmbH, seine Erläuterung des Leistungsportfolios ein, das die Entwicklung eines
Automobils vom Projektmanagement über den
ersten Federstrich bis zum handgefertigten und
fahrfähigen geprüften Prototypen und zur Serienkonstruktion des Modells umfasst, aber auch
dessen begleitende Dokumentation und Systemtechnik beinhaltet.
48
Heute, anderthalb Jahre nach der Eröffnung
des zusätzlich etablierten Designstudios, sind in
der Stuttgarter Niederlassung mehr als 300 Mitarbeiter beschäftigt. „Designer, die ihre Entwürfe
aus der kreativen Hand heraus mit dem Bleistift
zeichnen und dann mit dem CAD-Rechner optimieren. Studio-Ingenieure, die die Konstruktionen berechnen und absichern, die technische
Machbarkeit der Komponenten prüfen. Wir
haben die Formgestalter, die nach den Stylingvorgaben und Maßen das physische Clay-/Hartmodell erstellen. Und dann gibt es die spezialisierten Lackierer und Sattler – allesamt sehr gute
Handwerker.“ In den zwei Designstudios in Stuttgart können bis zu fünf Fahrzeugmodelle parallel
entwickelt werden.
Die Spezialisten können bei ihren Arbeiten
auf modernste Infrastruktur und Technologien
zurückgreifen. „Unsere CAD-Software wird permanent aktualisiert. Im Schnitt aktualisieren wir
die Materialien und Verfahren, mit denen wir
arbeiten, alle sechs Monate. Diese modernsten
Technologien garantieren uns eine hohe Produktivität und außerordentliche Qualität“, erklärt
Klaus-Henning Schaake.
Studioleiter Markus Schneck betont vor allem
die Vorteile des aktuellsten Scansystems: „Mit
diesem berührungslosen Verfahren zum Vermessen der erzeugten Flächen der Clay-/Hartmodelle, die dann wiederum im Zuge des Reverse
Engineering in den Rechner rückgeführt und im
CAD überarbeitet werden, können wir die Daten
wesentlich schneller und genauer erfassen und
verarbeiten, als mit den noch vor einiger Zeit üblichen taktilen Messverfahren.“ Auch die neuesten 3-D-Verfahren zur Darstellung von Exterieur und Interieur eines geplanten Fahrzeugs im
virtuellen Raum brächten, so Schneck, erhebliche
Fortschritte: Bei der Konzeption und Vermessung
von Fahrzeuginnenräumen sowie deren ergonomischer Bewertung trage diese Simulation zu
einer deutlichen Kostenersparnis bei.
„Die Vorgaben und Vorschläge aus den
Studios der OEMs sind niemals in Zement gegossen“, so Markus Schneck. „Wir sind als Dienstleister zwar in erster Linie damit beauftragt,
sie umzusetzen. Doch es ist üblich, dass unsere
Designer auf deren Basis ihre eigenen Ideen
einbringen. In diesem Sinne arbeiten wir daran, den
Kreativbereich der Rücker GmbH Stuttgart
sukzessive zu erweitern und künftig auch
Designaufträge für Firmen aus anderen Industriebereichen abzuwickeln.“
«
panorama
leichtbautagung
leichtbautagung
vom konzept zum produkt - „in geschlossenen ketten denken!“
Sevgi batal, b. eng. – Redaktion mobiles, Hamburg
1
» „Die
teuersten Fehler resultieren aus der
technischen Mechanik 1 und 2.“ Mit dieser
Feststellung begann Christian Wolf, Eurocopter
Deutschland GmbH, den ersten Vortrag der
Leichtbautagung im Maritim Konferenzhotel
in Darmstadt, der Heimatstadt des FraunhoferInstituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF). Die von der Fraunhofer-Allianz
Leichtbau organisierte Tagung gab aus verschiedenen Blickwinkeln Einblicke in die Leichtbaustrategie mit Faserverbundwerkstoffen.
Die rund 65 Teilnehmer der Tagung und
die Redaktion mobiles haben am 31. Januar
und 1. Februar 2012 an zwölf Fachvorträgen in
vier Sessions teilgenommen. Nach der Begrüßungsrede von Prof. H. Hanselka, Sprecher der
Fraunhofer-Allianz sowie Institutsleiter der LBF,
und der Vorstellung der Fraunhofer-Allianz von
Prof. A. Büter, wurde die erste Session der Tagung
gestartet. Den Teilnehmern wurden mit Vorträgen zu den Themen Werkstoff- und Produktentwicklung, Serienfertigung, Zulassung und Produkteinsatz sowie Füge- und Reparaturverfahren
ein Überblick über die Wertschöpfungskette
vom Molekül bis zum Bauteil in der Faserverbundtechnologie gegeben. Thema der Tagung
war auch, die Herausforderungen und Ziele
bei Umgang und Einsatz von faserverstärkten
Materialien aufzuzeigen. Leichtbau darf nicht
bedeuten, an der Sicherheitsmarge zu sparen,
vielmehr soll er Perspektiven für Innovationen
eröffnen, die durch neue Herausforderungen
beschleunigt werden.
Für eine größere Anschaulichkeit der vorgestellten Forschungsarbeiten wurde in den Pausen
die Möglichkeit geboten, sich die Leichtbaustrukturen, Fertigungselemente und Prüfverfahren
von den jeweiligen Forschungsleitern zeigen und
erläutern zu lassen. Außerdem ermöglichte diese
Ausstellung technologiefördernde Gespräche
und Klärungen erster Fragen an Ort und Stelle.
Das Rahmenprogramm, wie das gemeinsame
Abendessen der Abendveranstaltung, unterstützten den fachlichen Austausch zusätzlich.
Leichtbau bietet zwar viel Potenzial für
Gewichtsminderungen bei ausreichender Robustheit, doch darf dabei die Kosten-Nutzen-Analyse
nicht aus dem Blick geraten. Unabhängig von
der anvisierten innovativen Technologie muss ein
Kompromiss zwischen Gewichtseinsparung, Prozesszeit, Kosten und Qualität gefunden werden.
Dabei spielen die Fertigungs- und Bearbeitungsverfahren die entscheidende Rolle.
Dieser Aspekt wird Gegenstand der 2. Leichtbau-Tagung am 5. und 6. Februar 2013 in Dresden sein, auf der unter dem Motto „Lasertechnik
im Leichtbau - ein Teil der interdisziplinären Herausforderungen im Leichtbau“ die Techniken des
Trennens, Fügens und Bearbeitens durchleuchtet
werden. Begleitend wird wieder parallel zu den
Vorträgen eine Fachausstellung die Möglichkeit
für einen ersten Informationsaustausch bieten. Mit
einer Abendveranstaltung und der Besichtigung
des Leichtbauinstituts in Dresden soll die Plattform für den Informationsaustausch weiter verbreitert werden.
«
Die nächste Leichtbautagung findet am 5. und 6.
Februar 2013 mit Vorträgen aus der Industrie und den
Fraunhofer-Allianz Partnerinstituten zum Thema Lasertechnik im Leichtbauinstitut in Dresden statt.
Na consequis num acinis at nullan ver sit vullaoreet
in ut adio doloreet vel utpat, se dit in ut wisit autpatue
tetum nit veliqui psuscil landit lumsandre con velendre
dolore dolore commodio odoleniam, consed exeraese te
te faccumm oloreet vel euipsusto commy nit, consed tet
ut2diam nos nullut am, con vercip et, quisl iriusting exer
se ea feugiat. Duisi bla facilit nullaor sent la feugait
1 Organisator der
Tagung: Prof.
Dr.-Ing. Andreas
Büter, Geschäftsführung der
FraunhoferAllianz Leichtbau
im FraunhoferInstitut für
Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit
2 Gelegenheit zur
Diskussion und
zum Austausch
fanden die Teilnehmer bei der
Ausstellung, die
parallel zu der
Tagung stattfand.
49
panorama
faserverbundkonzept für dachmodule
Dr.-ing. clAuS DAllner – BASF SE; Dr.-ing. JAn SAnDler – BASF SE; Dr. KAtrin nienKemPer – BASF Polyurethanes GmbH;
Dr.-ing. mArtin hilleBrecht – EDAG GmbH & Co. KGaA; DiPl.-ing. (Fh) WolFgAng reul – EDAG GmbH & Co. KGaA
» Die
Fahrzeugmasse ist in der urbanen Mobilität aufgrund der ständigen Beschleunigungsund Bremsvorgänge der Hauptfaktor für den
Energiebedarf eines Fahrzeugs. Leichtbau ist hier
der gelebte Zielkonflikt zwischen Gewichtsoptimierung, Funktionserfüllung und Herstellkosten.
Durch den Erfolgsdruck der Automobilhersteller
ist Leichtbau dabei kein aktueller Hype wegen
anspruchsvoller CO2-Grenzwerte und drohender
Strafzahlungen, sondern wie schon immer die
Königsdisziplin der Fahrzeugentwicklung.
Das Competence Center Leichtbau der EDAG
unter Leitung von Dr. Martin Hillebrecht erarbeitet für seine Automotive-Kunden innovative Denkansätze und technische Lösungen zur
Gewichts- und Funktionsverbesserung. Dabei
verfolgt das unabhängige Entwicklungsunternehmen der internationalen Mobilitätsindustrie
sowohl die Multi-Material-Bauweisen als auch
die klassischen Bauweisen des energieeffizienten
und/oder bezahlbaren Leichtbaus. Das Motto
lautet: Jeder Werkstoff muss sein Bestes geben
– am richtigen Ort und in der richtigen Funktion.
Faserverstärkte
Kunststoffe:
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten im Vergleich zu
metallischen Leichtbauwerkstoffen ein noch
höheres Gewichtseinsparpotenzial. FVK sind
durch eine einbettende Matrix sowie durch die
verstärkenden Kohlefasern (CFK) oder Glasfasern in Form eines Gewebes oder Geleges
definiert. Durch die Wechselwirkungen der
Komponenten Matrix und Verstärkungsfasern
erhält ein FVK höherwertige Eigenschaften als
jede der beiden beteiligten Einzelkomponenten. Im FVK-Leichtbau sind die entscheidenden
Erfolgsfaktoren die lastgerechte Auslegung und
1 CabrioletDachmodul in
FaserverbundSandwichBauweise. Die
zentrale Schicht
der Sandwichstruktur des
Demonstrators
ist ein geschlossenzelliger PURStrukturschaum
der Marke
Elastolit® D.
50
1
Gestaltung sowie der kostenverträgliche Herstellungsprozess eines Bauteils.
Mit dem Mitte 2011 unter der Leitung von
Dr. Claus Dallner gegründeten LightweightComposite-Team geht die BASF einen Schritt
weiter in Richtung Kunststoffanwendungen in
Karosserie und Chassis: Hier werden parallel
die Potenziale der drei Kunststoffmatrixsysteme
Epoxidharz, Polyurethan (PUR) und Polyamid
bezüglich großserienfähiger Endlosfaserverstärkung für Harzinjektionsverfahren, speziell für das
Resin Transfer Moulding (RTM), untersucht.
Pilotprojekt für zukünftige Anwendungen und
Serienprozesse in FVK: Um die Möglichkeiten der
Gewichtsreduktion und Funktionsverbesserung
mit neuartigen FVK greifbar zu machen, haben
die Kunststoffexperten der BASF in Zusammenarbeit mit EDAG einen Faserverbund-SandwichDemonstrator am Beispiel eines Cabriolet-Dachmoduls entwickelt (Bild 1).
Der Demonstrator zeigt die typischen Merkmale und verdeutlicht das Leichtbaupotenzial eines maßgeschneiderten FVK-Bauteils. Er
demonstriert, wie sich solche sehr leichten Bauteile für automobile Anwendungen lastgerecht
dimensionieren und in kurzen Prozesszykluszeiten sowie zu vertretbaren Kosten herstellen
lassen. Die Faserverbund-Sandwich-Bauweise ist
auf normale Dachsysteme in Mischbauweise und
andere Automotive-, aber auch auf Non-Automotive-Anwendungen übertragbar.
Die Wahl des Demonstrators fiel auf ein Cabriolet-Dachmodul, da dieses einerseits aufgrund
der relativ moderaten Stückzahlen von nur ca.
20 000 pro Jahr einen relativ schnellen Markteinstieg für FVK im Premiumsegment verspricht, die
panorama
Stückzahl andererseits aber schon
so großvolumig ist, dass ohne einen
industriellen und automatisierten
Herstellprozess die FVK-Technologie
wirtschaftlich nicht realisierbar wäre.
Zudem wirkt eine Gewichtsminimierung oberhalb des Fahrzeugschwerpunkts äußerst positiv auf die
Fahrdynamik. Daher könnte sich die
im Vergleich zu Stahl oder Aluminium heute noch wesentlich teurere
FVK-Leichtbauweise am ehesten
umsetzen lassen.
Konzeption, Auslegung und optimierung: Aus verschiedenartigen
Herstellungsprinzipien und Bauweisen, die für einen RTM-Prozess
geeignet sind und die Funktionalität des Bauteils gewährleisten,
wurde ein One-Shot-Verfahren mit
Schaumkern ausgewählt. Hierbei werden die
CFK-Gelege als Deckschichten mit eingebettetem Schaumkern und unidirektionalen Verstärkungen in einem Prozessschritt imprägniert
und ausgehärtet.
Unter Berücksichtigung der geometriebestimmenden und funktionellen Merkmale wie der
Anbindungspunkte für Kinematik und Schließsystem sowie der Dichtungen wurde das erste
konstruktive Konzept abgeleitet. In mehreren
Entwicklungsschleifen konnte dann der Lagenaufbau hinsichtlich Funktion und Gewicht verbessert werden. Zudem wurden Aluminiumeinleger integriert, lokal applizierte unidirektionale
Verstärkungen eingebracht und die Drapierbarkeit der Gelege abgesichert.
Im Zusammenspiel zwischen Entwicklung,
CAE und akkreditiertem Prüflabor bei EDAG
wurden die Anforderungen aus Beanspruchungsund Missbrauchslastfällen definiert und anschließend in iterativen Optimierungsschleifen untersucht und erfüllt. Auf diese Weise erhält das
Faserverbund-Sandwich eine hohe Bauteilgesamtsteifigkeit, größtmögliche Funktionsintegration und Beständigkeit gegen Beulen.
Das entwickelte Faserverbund-SandwichDachmodul ist mit einem Gewicht von nur 2,9 kg
gegenüber der Aluminium-Referenz über 35 %
leichter (Bild 2). Darüber hinaus lässt der konzipierte automatisierte Herstellprozess pro eingesparten Kilogramm deutlich geringere Kosten als
bei heute noch üblichen FVK-Bauweisen erwarten. Das Faserverbund-Sandwich-Dachmodul
weist folgende technische Merkmale auf:
• trockene CFK-Gelege mit lastgerecht definierten Faserausrichtungen
• Polyurethanschaumkern mit geringer Dichte, aber hoher Druckbeständigkeit
• schnell aushärtende RTM-Harzsysteme mit
sehr guter Fließfähigkeit im Werkzeug
2
• unidirektionale Verstärkungen
• Krafteinleitungspunkte mit metallischen
Einlegern
• Inserts aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen
Werkstoffkonzepte für Faserverbund-Sandwich-Bauweisen: Bei den verwendeten Werkstoffen handelt es sich um aufeinander abgestimmte Systemkomponenten der BASF. Die
zentrale Schicht der Sandwich-Struktur besteht
aus einem geschlossenzelligen PUR-Strukturschaum der Marke Elastolit® D. Er dient bei
geringem Raumgewicht als Abstandhalter zwischen den kohlefaserverstärkten Laminatdeckschichten und bewirkt so die hohe Bauteilsteifigkeit. Darüber hinaus verleiht er dem Dachmodul
gute Dämmeigenschaften – ein Aspekt, der für
zukünftige Elektrofahrzeuge, in denen nicht
mehr die Abwärme eines Verbrennungsmotors zur Verfügung steht, interessant wird. Der
PUR-Schaumstoff, der in einem Arbeitsgang im
RTM-Werkzeug imprägniert wird, zeichnet sich
durch hohe Druckfestigkeit und Temperaturbeständigkeit bei niedriger Dichte aus. So lässt sich
eine Komprimierung des Schaumkerns während
der Injektionsphase vermeiden. Nach außen
wird das Bauteil schließlich durch einen Lack mit
dem BASF-Additiv Tinuvin® CarboProtect vor
UV-Strahlung und anderen Umwelteinflüssen
geschützt.
2 Das CFK-Dachmodul ist mit nur
2,9 kg deutlich
leichter als eine
4,5 kg schwere
Aluminium-Referenz-Bauweise.
Das generische
CFK-Bauteil
beinhaltet
alle typischen
Merkmale eines
FaserverbundSandwichs für
eine großserientaugliche
Produktion im
RTM-Verfahren
und erzielt
vergleichbare
Beanspruchbarkeiten in den für
Fahrzeugdächer
üblichen Auslegungslastfällen.
Zusammenfassung: Das von BASF und EDAG
konzipierte Cabriolet-Dachmodul verbindet die
zentralen Merkmale einer Faserverbund-Sandwich-Bauweise mit der typischen Vorgehensweise zur Konzeption und Auslegung eines
Faserverbundbauteils. Die BASF stellte das Bauteil erstmals auf der JEC 2012 in Paris vor. Es wird
seitdem für den intensiven Dialog mit den Automobilherstellern verwendet.
«
51
panorama
zukunftsvision: forschungsprojekte
SEVGI BATAL, B. ENG. – TECCON Consulting & Engineering GmbH
» Ohne
Sevgi Batal,
B. Eng.
arbeitet als
Project Engineer
bei TECCON
und unterstützt
weiterhin die
Redaktion
mobiles, für
die sie seit
ihres Studiums
ehrenamtlich
tätig war
das richtige Maß an Begeisterung und
Know-how, können keine innovativen Lösungsansätze entstehen. Und ohne Innovation kein
Fortschritt. Der technologische Fortschritt unterliegt immer kürzeren Innovationszyklen und hat
eine rasante Geschwindigkeit angenommen. Die
Zeit rennt schneller denn je und erfordert schnellere und bessere Ergebnisse denn je. Vor diesem
Hintergrund sind gerade in der Luftfahrt engagierte und kreative Technikexperten gefragt,
die sich der Herausforderung, Innovationen zu
entwickeln, stellen. Dies machen auch die Mitarbeiter des Engineering-Dienstleisters TECCON,
denn das Unternehmen ist, neben vielen anderen Luftfahrtprojekten, auch Teil eines großen
Forschungsprojektes.
Das auf vier Jahre angesetzte EU-geförderte
Forschungsprojekt „SARISTU“ (Smart Intelligent Aircraft Structures) umfasst die Entwicklung
zukünftiger intelligenter Flugzeugstrukturen.
Dabei übernimmt TECCON nicht nur Verantwortung für technische Aufgaben, sondern auch
für die organisatorische Unterstützung des Projektmanagements, welches übergreifend beim
großen Flugzeugbauer Airbus liegt. Im Rahmen
des PMO leistet TECCON Hilfe bei Prozessbeschreibungen, unterstützt die Koordination der
internationalen Partner, übernimmt Projektplanpflege und -controlling sowie die Entwicklung,
Bereitstellung und Weiterentwicklung einer Software-Plattform zur Partnerkommunikation und
zum Datenaustausch. Zudem umfasst das Projekt
die Unterstützung in vielen weiteren organisatorischen Bereichen. Gestartet ist das Projekt mit
65 Partnern aus insgesamt 16 Ländern im September 2011 und ist insgesamt auf ca. 51 Mio.
Euro budgetiert.
52
Bei der Entwicklung wandlungs- und anpassungsfähiger sowie leichter Flugzeugstrukturen,
erfolgt bei SARISTU eine Unterteilung in rumpfund flügelspezifische Flugzeugstrukturen. Technologien wie, Multi-Site Damage Assessment,
Structural Health Monitoring, Carbon Nanotube
reinforced CFRP und Sensitive Coatings werden
dabei von TECCON hinsichtlich Gewichts- und
Kosteneffizienz im Bereich Rumpf bewertet und
parallel dazu ein Technologieimplementierungssowie Risikominderungsplan erstellt. In einem
weiteren Arbeitsbereich übernimmt TECCON die
Bewertung von Mehrfachschäden auf einer Flugzeugstruktur unter der Anwendung von unterschiedlichen Selbstüberwachungssystemen, die
virtuell untersucht und dargestellt wird.
Leichtbau muss beispielsweise Anforderungen
an Gewichtsreduktion, minimalen Fertigungsaufwand und eine sichere Konstruktion zugleich
erfüllen. Zu beachten ist hierbei, dass eine ausreichende Steifigkeit, Festigkeit und dynamische
Stabilität sowie die erforderliche Lebensdauererwartung bei einer Gewichtsminderung erfüllt
sind. Die Wahl der Leichtbaustruktur erfolgt nach
Parametern wie Werkstoffeigenschaften, Form,
Geometrie, Bauweise, Herstellungsprozess, Qualität und Betriebskosten. Zunächst ist der neue
Werkstoff zu beschreiben und zu charakterisieren. Im Weiteren müssen Fertigungssimulationen
erfolgen und Prüf- und Berechnungsmethoden
für Stabilität und Festigkeit entwickelt werden, da
neue Schadensmechanismen zu erwarten sind.
Abschließend müssen nach der erfolgreichen
Dimensionierung Prüfungen an den Prototypen
durchgeführt werden. Zudem sollen Verfahren
für zerstörungsfreie Prüfmethoden bereitgestellt,
automatisiert und in den Fertigungsprozess und
das Bauteil integriert werden.
Neben zerstörungsfreien Prüfmethoden, sollen sogenannte Structural-Health-Monitoring(SHM-)Systeme vorab schon Informationen
bereitstellen. Durch eine optimale Sensorkombination soll bestmögliche Auskunft darüber eingeholt werden, ob ein Schaden in der Struktur vorliegt, wo der Schaden lokalisiert ist, wie groß er
ist und welchen Einfluss er auf die Struktur hat. Zu
berücksichtigen sind hier Schadensfälle der Kategorie Accidental Damage (AD), Beschädigungen
durch Bodenfahrzeugen sowie Vogel-, Stein- und
Hagelschlag. Dabei können Delaminationen, also
Ablösungen im Faser-Matrix-Verbund, sowie
Faserrisse auftreten. Die in der Flugzeuginspektion bewährten Sichtprüfungen von Alumini-
Welcome to the Network of Competence
umflugzeugstrukturen sind bei Faserverbundwerkstoffen
allerdings nicht mehr ausreichend, da die sogenannten
Impactschäden am Material lediglich kleinste Beulen im
Millimeterbereich hinterlassen, die die Materialfestigkeit
bereits drastisch herabsetzen können. Bei einer Sichtprüfung bliebe das Ausmaß des Schadens im Unklaren, da
ja kein homogenes Material, sondern eine Aneinanderreihung von Fasern in einem Kunstharz vorliegt.
Außer des Versuchs der frühestmöglichen Schadenserkennung für jegliche Kostenvorteile, gibt es auch Möglichkeiten der Schadenskompensation. Die Nanotechnologie
z. B. befasst sich mit winzigen Objekten von nur wenigen
Nanometern Größe. Nanoröhrchen werden in einschalige (SWCNT: single-wall carbon nanotubes) und mehrschalige Formen (MWCNT: multi-wall carbon nanotubes)
unterteilt, die sich in Dichte und Zugfestigkeit unterscheiden. Welcher der beiden Typen zum Einsatz kommt, ist
von der jeweiligen Anwendung abhängig. Eine Herausforderung stellt dabei weniger die Herstellung der Nanoröhrchen dar als ihre Einbettung in das Faserverbundmaterial.
Es muss daher untersucht werden, wie Nanoröhrchen in
das Harz eingebracht und im Faser-Matrix-Verbund verteilt werden können und unter welchen Bedingungen
eine merkliche Verbesserung in der Robustheit eintritt.
Zusätzlich zu der Verbesserung der Robustheit, ist die
Leitfähigkeit der Nanoröhrchen von Bedeutung, da sie
eine Leitfähigkeit des Faserverbundwerkstoffs bewirken
könnte, die wiederum metallische Zusatzkomponenten
überflüssig machen würde.
Im Rahmen des Projektes SARISTU werden die
beschriebenen Leichtbaueinsparpotenziale in insgesamt zehn Arbeitspaketen, die in zwei übergreifenden
Arbeitspaketen – Flügel und Rumpf – zusammengefasst
sind, untersucht und bewertet. In die Bewertungskriterien der Kosten-Nutzen-Analyse spielt auch die Wartung
und Reparatur ein. Die Instandhaltung eines Flugzeugs
besteht im Wesentlichen aus den drei Bereichen Wartung, Inspektion und Instandsetzung. Ziel der Instandhaltung ist, dauerhaft die Funktionalität des Sollzustands
zu gewährleisten. Dafür wird in verschiedenen Zyklen
der Istzustand erfasst und bewertet und – sofern erforderlich – der Sollzustand wieder hergestellt. Für die Erfassung
sind unterschiedliche Sicht, Zustands- und Detailkontrollen notwendig. Je nach Flugzeugmuster und Nutzungsgrad werden dabei unterschiedliche Überprüfungsmethoden eingesetzt.
Die Anforderungen an den Ingenieur von Heute richten
sich nicht nur an sein technisches Können, sondern immer
mehr an seine Bereitschaft, komplexe und neue Inhalte
anzunehmen und diese eigenständig themenübergreifend
zu erarbeiten und anzuwenden. Erst recht in sehr umfangreichen Projekten wie SARISTU, erfordert EngineeringKnow-how den simultanen Einsatz von technischer Kompetenz und organisatorischem Geschick. Denn gerade im
Forschungsbereich bieten sich viele spannende Erkenntnisse und daraus resultierende Perspektiven.
Dies ist Grund dafür, dass das Projektmanagement bei
TECCON einen entsprechend hohen Stellenwert einnimmt
sowie kontinuierlich erweitert und verbessert wird.
«
Weitere Informationen zum Forschungsprojekt SARISTU finden
sich auf der Website www.saristu.eu.
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2
Codename „Opel“ – die Corvette wi
THER ESA SIT TEL – Redaktion mob
iles, Hamburg
Logo der Chevrolet
Corvette C1 1953 [6]
rd 60
© General Motors
Zum aktuellen Jahrgang 2012/2013 von
mobiles passt wohl kein Jubiläum so gut
wie das der Corvette, die am 30. Juni
1953 das erste Mal vom Band lief. Nac
h dieser Jahreszahl gehört der 60. Geb
urtstag zwar in das Jahr 2013, doch in
USA begann für den Autobauer Chevro
den
let schon 2012 das Modelljahr 2013, soda
ss der Geburtstag der „Vette“, wie sie von
ihren Fans liebevoll genannt wird, bere
its jetzt gefeiert werden darf.
Aller Anfang ist schwer
Anfang der 1950er-Jahre wurde es in
den USA immer populärer, einen
Sportwagen zu besitzen, und Autobauer
wie Jaguar und Porsche bedienten
diesen Markt bereits erfolgreich. Der
Autodesigner und Ingenieur Harley Ear
l,
der bereits erfolgreich dafür gesorgt hatt
e, dass die berühmten Heckflossen der
1948er Cadillacs populär wurden, kam
zu dem Schluss, dass General Motors
dringend einen Sportwagen in der Pal
ette benötige. Am 2. Juni 1952 wurde
bei
GM grünes Licht für die Entwicklun
g des Sportwagens gegeben. Harley Ear
l
stellte zur Inspiration einen Jaguar XK
120 in das Studio und startete das Pro
jekt
eines zweisitzigen Sportwagens, das unt
er dem Codenamen „Opel“ unter strengst
er
Geheimhaltung lief.
Premiere auf der Motorama Show in New York [6]
© General Motors
Die erste Präsentation des Roadsters fand
im Januar 1953 auf der Motorama in
New York statt, der erste seriennahe
Prototyp lief am 30. Juni 1953 in Flin
t, Michigan, vom Band. Leider wurden
es bis zum Ende des Jahres nur 314 Wag
die den Weg aus den Produktionshallen
en,
fanden, da sich die Fertigung aufg run
d der aufwendigen Kunststoff karosserie
als sehr schwierig gestaltete. Zudem kam
die Corvette bei den Kunden nicht gut
an: Die ersten Modelle hatten weder
Türgriffe noch Seitenfenster und unter
die Haube hatte es gerade mal ein übe
rarb
eiteter 3,8-l-Blue-Flame-SechszylinderReihenmotor geschaff t. Mit ihren 152
PS kam die Corvette auf lediglich auf
172 km/h Höchstgeschwindigkeit und
damit langsamer als die damaligen Spo
war
rtwagen der Konkur renz. Chevrolet kon
nte nicht einmal die Hälfte der Produk
absetzen.
tion
Aus 6 mach 8 – der Durchbruch der
Cor vette C1
Der neue Chefingenieur, Zora Arkus-D
untov, den die Geschichte auch als „Va
ter der Corvette“ kennt, wusste, was dem
Wagen zum Erfolg fehlte. 1955 ersetzte
er den Blue-Flame-Motor durch einen
195 PS freisetzenden 4,3-l-V8-Smallmit 3-Gang-Schaltgetriebe und 191 km/
Block
h Höchstgeschwindigkeit. Die Corvett
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einigen optischen Veränderungen feierte
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das geänderte Modell 1956 Premiere im
New Yorker Waldorf-Astoria-Hotel. Die
Heckflossen waren vollständig verschw
unden. Außerdem war die Corvette das
erste Auto mit einer Zweifarblackierun
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1957 wurden sowohl die Karosserie als
auch der Antrieb noch einmal überarb
eitet. Nach einer Verbesserung des Fah
konnte ein noch stärkerer Motor mit 4,6
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wurde. Wahlweise konnte auch ein Lei
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vette auf 250 bis 283 PS, was den
marketingträchtigen Wert von 1 PS pro 3
in lieferte. Sie beschleunigte von 0 auf
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Designer von GM der Corvette noch einm
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Die 1968er Chevrolet Corvette C3 [6]
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Die C3-Version lief bis 1982 vom Band und hatte damit knapp 15 Jahre
Zeit, sich in das Gedächtnis der Autofans einzuprägen. Viele sehen daher in
der Corvette C3 die letzte „klassische“ Corvette. Insgesamt wurden 542 861
C3 gebaut, zeitweise lief die Produktion parallel in den Werken in St. Louis,
Missouri, und Bowling Green, Kentucky.
1984 bis 2004
1984 war es nach dem langen Produktionszeitraum der Corvette C3 und
einem komplett produktionsfreien Jahr 1983 Zeit für ein neues Modell. Die
Abteilungen Design und Technik hatten
den Anspruch, einen qualitativ hochwertigen Sportwagen herauszubringen.
Er sollte aerodynamisch ausgeklügelt,
komfortabel und besser lenkbar sein, um die Konkurrenz ausstechen zu können
. Die Corvette C4 wies daher viele
Neuerungen auf. Chefdesigner Jerry Palmer verpasste der C4 eine klarere und
einfachere Linienführung und sorgte auch
mit der um 64° geneigten Windschutzscheibe für hervor ragende Werte im Windk
anal. Die europäische und asiatische
Konkurrenz konnte mit dem c -Wert von 0,34 kaum mithalten.
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Die eingelassene Motorhaube wurde durch eine sogenannte Clamshell Hood
ersetzt, eine Motorhaube, die sich inklusive
der Kotflügel bis zu den Zierleisten öff nen ließ. Der Motor wurde weiter in
die Mitte Richtung Spritzwand verschoben,
um eine bessere Gewichtsverteilung und ein besseres Handling zu erzielen,
und die Karosserie durch die Verbreiterung
des Kardantunnels versteift und stabilisiert. Um zusätzlich Gewicht einzusp
aren, waren erstmals mehrere Teile aus
Aluminium gefertigt, so z. B. Fahrwerkskomponenten des oberen und unteren
vorderen Querlenkers, die Halterung
der Lichtmaschine, Teile der Servolenkung und des Klimaanlagenkompressors
und einige Rippen des Kühlers. Die
Antriebswelle wurde aus geschmiedetem Leichtmetall hergestellt. Der Ausglei
chsbehälter bestand aus Kunststoff, ebenso
ab 1985 das Gehäuse des Bremskraftverstärkers. Eine neue Kraftstoffeinspri
tzung von Bosch erhöhte die Leistung
des 5,7-l-V8-Motors von 205 PS auf 230 PS bei 11 % Verbrauchsreduzierun
g. 1986 wurden Aluminiumzylinderköpfe
verbaut und die C4 mit ABS und der Diebstahlsicherung VATS (Vehicle Anti-Th
eft System) ausgestattet: Der Motor
sprang nur an, wenn ein in den Zündschlüssel der Corvette integrierter Widers
tand einen spezifischen Wert aufwies.
Beim Versuch, die C4 mit einem Schlüssel ohne den korrekten Widerstand zu
starten, blockierten die Benzinpumpe und
das Starter relais für ca. 2 Minuten.
1988 hatte die Corvette 35-jähriges Jubiläum. In diesem Jahr wurde die Marke
von 900 00 abgesetzten Fahrzeugen fast
erreicht; 1992 wurde die Marke von 1 000 000 überschritten.
1990 löste das Modell ZR-1, von der Presse als „King of the Hill“ bezeichnet,
das bis dahin leistungsstärkste Modell ZL-1
ab. Die ZR-1 hatte einen 375-PS-V8-Motor mit 32 Ventilen. Beim 24-Stu
nden-Rennen von Le Mans verbuchte die
ZR-1 mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 282 km/h einen Weltrek
ord. Bei ihr wurde erstmals ein SelectiveDrive-Control-Fahrwerk mit vom Innenraum verstellbaren Dämpfern verbau
t.
Mit der fünften Generation kam erstmals eine vollständig neu entwickelte
Corvette auf den Markt, nachdem bis
dahin alle Modelle aus Teilen anderer GM-Modelle gebaut worden waren.
Die C5, die von 1997 bis 2004 produziert
wurde, gab es in drei Karosserievarianten: Coupé, Targa und Cabrio. Der
350-PS-Motor aus Aluminiumlegierungen
beschleunigte die C5 in 4,7 Sekunden von 0 auf 100 km/h und machte sie damit
zu einem der schnellsten Autos der Welt
ihrer Zeit. Sie fuhr 3 km/h schneller als ihr Vorgängermodell und war nur 15
km/h langsamer als die ZR-1.
Der Innenraum der C5 war auf stärker Komfort ausgelegt. Es wurde mehr
Platz für Kopf, Schultern und Hüften
realisiert und aufgrund der niedrigeren Motorhaube waren von der Straße
vor dem Auto 5,4 m mehr einsehbar als bei den
Vorgängermodellen. Der Packraum konnte im Vergleich zur C4 verdoppelt
werden. Der Antrieb war zur Vermeidung
störender Vibrationen gänzlich vom Chassis getrennt. Obwohl dieses Modell
in Breite und Länge deutlich gewachsen
war, ermöglichte der Einsatz von Leichtbauteilen eine Gewichtsreduzierung
um 36 kg. So wartete die C5 z. B. an der
Vorderachse mit Doppelquerlenkern aus geschmiedetem Leichtmetall und Blattfe
dern aus Kunststoff auf, die auch bei
niedrigem Gewicht die geforderte Festigkeit besaßen.
Eine 60-jährige Erfolgsgeschichte
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Seit 2005 ist das aktuelle Modell der Corvette, die C6, auf dem
Markt. Diese Modellreihe wird mit Abschluss des Modelljahres 2013
auslaufen. Dem Nachfolger darf mit Spannung entgegengeblickt
werden. Die C6 trägt nicht mehr den Namen „Chevrolet“, sondern
heißt einfach nur „Corvette C6“, da inzwischen auch die Marke
Deawoo unter dem Namen „Chevrolet“ angeboten wird und
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57
sicherheitstechnik
crashoptimierung
crashoptimierung
vergleich intuition und algorithmus
PROF. DR.-ING AXEL SCHUMACHER; CHRISTOPHER ORTMANN, M. SC. – Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
1 Graph des
automatisch
erzeugten
Optimums
2 Anordnung
des Anwendungsbeispiels
3 Startentwurf
(links) und Optimum (rechts)
zum Zeitpunkt
der maximalen
Deformation
im Lastfall 1
» Die Auslegung von Crashstrukturen ist auch
mit heutigen Rechnermöglichkeiten immer
noch sehr anspruchsvoll. Dies liegt unter anderem daran, dass Crashstrukturen keine glatten
Struktureigenschaften
aufweisen,
sondern
physikalische und auch rechnerische Verzweigungspunkte besitzen. Kleine Änderungen der
Konstruktion können daher zu völlig verändertem Strukturverhalten führen. Zudem gibt es,
insbesondere für neu entwickelte Werkstoffe,
nur wenige verlässliche Materialdaten. Die vorhandenen Materialdaten haben herstellungsbedingt Streuungen, die berücksichtigt werden
2
müssen. Vonseiten der numerischen Simulation
kommt erschwerend hinzu, dass die Ergebnisse
einer Finite-Elemente-Berechnung abhängig vom
Berechnungsnetz sind. Die Simulationsmodelle
sind für ein bestimmtes Design erstellt worden;
moderate Veränderungen sind zwar möglich,
eine größere Veränderung kann jedoch zur Reduzierung der Berechnungsgüte führen.
Sollen nun automatische Verfahren zur
Gestaltung dieser Strukturen eingesetzt werden, so erhöht sich die Komplexität noch einmal erheblich. In diesem Themenfeld wird am
Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau
der HAW Hamburg das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Forschungsprojekt „Methodische und
software-technische Umsetzung der Topologieoptimierung crashbeanspruchter Fahrzeugstrukturen (CRASH-TOPO)“ bearbeitet. Forschungspartner sind das Automotive Simulation Center
Stuttgart e. V. – asc(s, die DYNAmore GmbH und
die SFE GmbH. Assoziierte Partner sind Daimler, Opel, Porsche und die Goethe-Universität
58
Frankfurt am Main. Ziel
1
ist, ein industriell einsatzfähiges Verfahren
zur Topologieoptimierung für Crashlastfälle
zu entwickeln. Es geht
also um die Optimierung der Lage und
Anordnung von Strukturelementen in einer
Fahrzeugkarosserie [1].
An der HAW wird
ein Verfahren zur kombinierten
Topologieund Gestaltoptimierung von Profilquerschnitten
unter Berücksichtigung aller relevanten Crashlastfälle entwickelt. Dieses Verfahren ist besonders für den Entwurf von Strangpressprofilen aus
Aluminium geeignet, weil dort die Designfreiheiten sehr groß sind. Die Entwurfsaufgabe wird
in eine innere Schleife zur Gestaltoptimierung
und eine äußere Schleife zur Topologieoptimierung aufgeteilt. Die innere Optimierungsschleife
wird mit mathematischen Optimierungsalgorithmen durchgeführt. Die äußere Schleife verwendet neben der Mathematik auch Heuristiken
(Regeln), die aus Expertenwissen abgeleitet
wurden. Eine flexible Beschreibung der Geometrie über Graphen ist die Basis für die mit einem
CAE-Programm (CAD und Finite-ElementePre-Prozessor) erzeugten Eingabedecks für die
Crashsimulationen. Erste Ergebnisse sind äußerst
vielversprechend [2, 3].
Ein Anwendungsbeispiel: Bild 2 zeigt die Anordnung eines Anwendungsbeispiels, in dem nicht
das gesamte Fahrzeug, sondern eine Fahrzeugkomponente optimiert werden soll. Es geht um
3
sicherheitstechnik
crashoptimierung
4
die Auslegung des abgebildeten Schwellerausschnitts, der als Aluminiumstrangpressprofil hergestellt werden soll. Der Schwellerausschnitt ist
mit einem Stück des Sitzquerträgers verbunden.
Der Crashlastfall ist an den EURO-NCAP-Pfahlaufprall angelehnt. Die Struktur wird mit einer
Anfangsgeschwindigkeit von 29 km/h in negative
y-Richtung gegen einen starren Pfahl bewegt.
Um dem Lastfall noch zusätzliche Energie hinzuzufügen, befindet sich an dem anderen Ende des
Sitzquerträgerstücks eine starre Wand, die sich
ebenfalls mit 29 km/h und einer Masse von 85 kg
in negative y-Richtung bewegt.
Zusätzlich werden noch zwei statische Lastfälle berücksichtigt. Dabei ist ein Ende des
Schwellerausschnitts eingespannt, während an
dem anderen Ende über eine Spinne aus starren
Balkenelementen in Lastfall 2 (Biegung) eine Last
in negative z-Richtung und in Lastfall 3 (Torsion)
ein Moment um die x-Achse aufgebracht wird.
Das Ziel der Optimierung ist eine Minimierung der maximal auftretenden Reaktionskraft
an der starren, schiebenden Wand, die sich
an dem einen Ende des Sitzquerträgerstücks
befindet. Durch dieses Optimierungsziel wird
ein möglichst gleichmäßiger Kraft-Zeit- bzw.
Kraft-Weg-Verlauf angestrebt, da die Struktur
gezwungen ist, die gesamte kinetische Energie
des Lastfalls aufzunehmen, aber das Kraftmaximum möglichst gering sein soll. Die funktionalen Restriktionen orientieren sich an dem
Startentwurf der Optimierung, also an einem
leeren Schwellerprofil mit einer Wanddicke
von 3,5 mm. Dessen Masse von 2,801 kg darf
während der Optimierung nicht überschritten werden. Außerdem muss die Steifigkeit des
optimierten Profils in den Lastfällen 2 und 3 mindestens 50 % der Steifigkeit des Startentwurfs
betragen. Diese Werte erscheinen zunächst
recht gering, allerdings besitzt das Ausgangsprofil mit seiner Wanddicke von 3,5 mm eine unrealistisch hohe Steifigkeit in diesen beiden Lastfällen. Die Intrusion des Schwellerausschnitts
wird ebenfalls restringiert, um zu berücksichtigen, dass in der industriellen Auslegung
von crashbelasteten Strukturen im Sinne der
Robustheit in der Regel nicht der gesamte zur
Verfügung stehende Deformationsraum genutzt
wird. Die Spezifikationsliste der Optimierung
lässt sich zusammenfassen als:
Optimierungsziel:
• Minimierung des maximal auftretenden
Betrags der Reaktionskraft an der starren,
schiebenden Wand in Lastfall 1
Entwurfsvariablen:
• Topologie, Gestalt und Wanddicke des Profils des Schwellers
Funktionale Restriktionen:
• Masse der Struktur: ≤ 2,801 kg
• Betrag der Translation des Lastangriffspunkts in Lastfall 2 in z-Richtung:
≤ 0,3867 mm
• Betrag der Rotation des Lastangriffspunkts
in Lastfall 3 in x-Richtung: ≤ 3,5544 · 10 –3
Fertigungsrestriktionen:
• 1,6 mm ≤ Wanddicke der Struktur ≤ 3,5 mm
• Verzweigungswinkel zwischen zwei Stegen:
≥ 15°
• Abstand zwischen zwei Stegen: ≥ 10 mm
Ergebnisse der automatischen
Optimierung: In Bild 2 ist das
automatisch gefundene Optimum des Schwellerquerschnitts
in Form der verwendeten Graphendarstellung abgebildet. Die
Knoten (kreisförmige Punkte im
Bild) im dargestellten Graphen
beinhalten alle Strukturinformationen wie z. B. Koordinaten und
Wanddicken. Bild 3 zeigt die
Verformungsbilder des leeren
Schwellers (Startentwurf) und des
optimalen Schwellers. In Bild 4
ist die Reaktionskraft der starren, schiebenden Wand über der
Zeit aufgetragen. Es ist erkennbar, dass das automatisch gefundene Optimum tatsächlich einen
fast optimalen Kraft-Zeit-Verlauf
besitzt. Die Kraft steigt sehr rasch
auf ein Niveau von ca. 43 kN an
und dieses Kraftniveau wird dann
so lange nahezu konstant aufrechterhalten, bis die Entlastung
der Struktur einsetzt und die
Reaktionskraft an der starren,
schiebenden Wand wieder den
Wert 0 annimmt. Alle geforderten Restriktionen sind erfüllt.
Ergebnisse der studentischen
Arbeitsgruppen im Rahmen der
Bachelor-Vorlesung
„Passive
Sicherheit“: Es stellt sich die
Frage, ob mit interaktiven und
kreativen Ansätzen möglicherweise genauso gute oder bessere Ergebnisse erzielt werden
können. Hierzu wurde die Aufgabe vier studentischen Arbeitsgruppen
übertragen,
deren
4 Reaktionskraft
der starren,
schiebenden
Wand im
Lastfall 1
5 Schwellerprofilentwürfe
der Arbeitsgruppe R1
5
6
59
sicherheitstechnik
crashoptimierung
Tabelle 1:
Schwellerprofilentwürfe
9 Auswahl der
jeweils besten
Entwürfe der
Arbeitsgruppen
10 Deformationen
des Startentwurfs und der
besten Schwellerprofilentwürfe
der einzelnen
Arbeitsgruppen sowie der
Optimierung
60
Mitglieder in den Prinzipien
Maximale RW- Masse
Intrusion Wanddicke
Tabelle 1
der Crashauslegung und in
Force (kN)
(kg)
(mm)
(mm)
die Crashberechnung einStartentwurf
55,82
2,801
69,03
3,50
gearbeitet waren. Beteiligt
R1
44,76
2,51
69,79
2,18
haben sich Andreas Mennen,
R2
44,65
2,47
68,73
1,79
Sebastian Ortmann, Michael
Wtorow, Leon Hartung, Malte
R3
44,30
2,36
69,99
1,82
Schmidtke, Marie Möbius,
R4
45,97
2,34
69,77
2,00
Thomas Köstenbauer, Sören
Optimierer
43,42
2,29
69,95
1,63
Picker und Dominic Maximilian Kloth. Alle Arbeiten
Schwellers. Die schräg stehenden Komponenten
wurden im gemeinsamen Rechenzentrum der
sind weicher und ermöglichen so einen gleichmäDepartments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau
ßigen Kraftverlauf zu unterschiedlichen Zeiten.
sowie Maschinenbau und Produktion durchgeDurch die Abstützung, die auch schräg angeführt. Softwareseitig standen CATIA, PATRAN,
bracht ist, kollabieren die Komponenten nicht.
HyperMesh und LS-DYNA zur Verfügung.
In den Bildern 5 bis 8 sind die erstellten und
Resümee: Alle Beteiligten haben viel über strukmithilfe der Crashberechnung bewerteten Profilturelle Mechanismen bei großen Deformatiquerschnitte abgebildet. Die im Optimierungsonen gelernt. Hier ist z. B. das systematische
lauf berücksichtigten Lastfälle 2 und 3 wurden
Nutzen von Kontaktphänomenen innerhalb der
nicht explizit betrachtet. Die einzelnen ArbeitsStruktur zu nennen. Das Projekt zeigt einmal
gruppen verfolgten unterschiedliche Ansätze
mehr die Wechselwirkung von Forschung und
zur Strukturverbesserung, haben sich aber auch
Lehre. Einige der beteiligten Studierenden beteilijeweils von den anderen Gruppen inspirieren
gen sich im Nachgang an dem Forschungsprojekt
lassen. Neben den intuitiven Herangehensweiin Form eines Schwerpunktentwurfs. Dadurch
sen wurden auch konkrete Verbesserungsstratewird der Leistungsumfang im Projekt gesteigien festgelegt und eingesetzt. Diese lauten z. B.
gert. Für die Lehre wirkt das Forschungsprojekt
folgendermaßen:
insbesondere deshalb sehr positiv, weil es mit
Liegt ein gutes Profil vor: 1. Beulen im Verseinen Themen die Vorlesungs- und Übungslauf analysieren, 2. Profil leicht modifizieren,
inhalte aktualisiert.
3. Wandstärke variieren.
«
In Bild 9 sind die jeweils besten Entwürfe der
Arbeitsgruppen zusammengestellt. Bild 10 zeigt
10
die maximalen Deformationen des Startentwurfs
und der besten Schwellerprofilentwürfe der einzelnen Arbeitsgruppen sowie der Optimierung. In
Tabelle 1 sind die zahlenmäßigen
Ergebnisse des Startentwurfs und
der besten Schwellerprofilentwürfe der einzelnen Arbeitsgruppen sowie der Optimierung
zusammengefasst.
Festzustellen ist, dass alle Arbeitsgruppen
im Vergleich zum Startentwurf
deutlich
bessere
Ergebnisse
erzielt haben. Alle ArbeitsgrupLiteratur:
pen konnten die Intrusionsre[1] Schumacher, Axel: Optimierung mechanischer
striktion voll ausschöpfen. Der
Strukturen. Grundlagen und industrielle AnwenOptimierungslauf hat mit der
dungen. Berlin; Heidelberg: Springer, 2005
geringsten maximalen Reaktions7
kraft der starren, schiebenden
[2] Ortmann, Christopher; Schumacher, Axel: KombinaWand und der geringsten Masse
tion von mathematischen Verfahren und aus Experdas beste Ergebnis erzielt.
tenwissen abgeleiteten Heuristiken zur topologischen
Für alle Strukturen wurde das
Auslegung crashbelasteter Profilquerschnitte in KaDeformationsverhalten über der
rosseriestrukturen. Beitrag auf der SIMVEC, Baden8
Crashzeit intensiv untersucht. So
Baden, 20./21.11.2012 [erscheint als VDI-Bericht]
lautet z. B. die Interpretation des
Ergebnisses R3 folgendermaßen:
[3] Schumacher, Axel; Ortmann, Christopher: Regelbasiertes
Die größte Aufprallkraft entsteht
Verfahren zur Topologieoptimierung von Profilquerbei Aufprall auf das steife waageschnitten für Crashlastfälle,. In: Tagungsbuch Karosse9
rechte Profil im unteren Teil des
riebautage Hamburg 2012, Vieweg-Verlag, Wiesbaden
interieur
oberflächenwerkstoffe
oberflächenwerkstoffe
neue superleichte polyurethananwendungen im interieur
BASF Polyurethanes GmbH, Lemförde
» Seit
Jahrzehnten ist Leichtbau eine der zentralen Herausforderungen bei der Entwicklung
von Automobilen. Und ebenso lange geben die
Spezialisten aus den Forschungslaboren der BASF
Polyurethanes immer wieder neue Antworten
auf diese Herausforderung.
Mit Elastoskin®, einem neuen Polyurethansprühsystem für hochwertige Oberflächen in
Soft-Touch-Qualität für I-Tafeln, Türmodule,
Armauflagen, Mittelkonsolen im Pkw- und
Nutzfahrzeugsegment, und Elastoflex® E, einem
Werkstoff für die perfekte Hinterschäumung von
Folien, Häuten oder Leder, stehen zwei neue,
sehr leichte Oberflächenwerkstoffe für den
Autoinnenbau zur Verfügung.
Elastoskin®: Häute mit der neuen Elastoskin®Spray-Technik für die Innenanwendung in Automobilen, Trucks, Bussen und sogar Treckern sind
um bis zu 35 % leichter als PVC und 20 % leichter
als eine herkömmliche Polyurethanhaut. So bietet diese Technik erhebliche Vorteile im Vergleich
zu etablierten Verfahren wie der PVC-SlushHaut, TPO oder der aliphatischen Sprühhaut. Die
eingesetzten Galvanowerkzeuge werden auf eine
konstante Temperatur von 80 °C gebracht und
bestehen zumeist für den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs – der sonst übliche Aufwärm- und Abkühlvorgang entfällt.
Das Profil von Elastoskin®:
• Abbildung auch komplexer Konturen
• Möglichkeit zur Integration zusätzlicher
Bauteile
• große Designfreiheit bei Farbe und Oberflächenstruktur
• Verwendung auch sehr heller Farben möglich
• kurze Prozesszeiten und niedrige Kosten
• mehrfarbige Häute durch Maskentechnik
• gleichmäßige Hautdicken
• keine Wechselwirkung zwischen PU-Haut
und PU-Schaum
• hervorragende Oberflächenqualität (Soft
Touch)
Elastoflex® E: Dieser Werkstoff gehört zu
einer neuen Generation von Halbhartschäumen zur Hinterschäumung von Folien, Häuten oder Leder im automobilen Innenraum. Elastoflex® E ermöglicht einen hohen
Fahrkomfort und bietet eine sehr gute Vibra-
tions- und Schalldämmung sowie einen
verbesserten Insassenschutz durch intelligente
Lastenverteilung.
Schwerpunkte für den Einsatz von Elastoflex® E sind das Armaturenbrett – z. B. Handschuhfächer – Türseitenteile, Schiebehimmel für
Glasdächer und Dachverkleidungselemente.
Das Profil von Elastoflex® E:
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• optimales Fließverhalten (ermöglicht dünne
Schaumquerschnitte)
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• Verwendbarkeit für alle neuen Dichtungsund Werkzeugkonzepte
• hohe Prozesssicherheit
• gute Verarbeitbarkeit (nur geringe Nacharbeitsraten)
• kurze Entformzeiten
• geringe Wechselwirkung mit PVC-Oberflächen
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Hautmaterialien
• Einsetzbarkeit auf allen Hautmaterialien
• sehr weiche, angenehme Druckhaptik
• hohe mechanische Festigkeit
• geringe Emissionen
• hohe Alterungsbeständigkeit
«
1
Na consequis num acinis at nullan ver sit vullaoreet
in ut adio doloreet vel utpat, se dit in ut wisit autpatue
tetum nit veliqui psuscil landit lumsandre con velendre
dolore dolore commodio odoleniam, consed exeraese te
te faccumm oloreet vel euipsusto commy nit, consed tet
ut diam nos nullut am, con vercip et, quisl iriusting exer
se ea feugiat. Duisi bla facilit nullaor sent la feugait
1 Leichtbau im
AutomobilCockpit
61
interieur
kabinensysteme
kabinensysteme
integration eines kabinensystems in ein kabinen-mockup
alexander springorum, m. sc. – Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
» Seit
alexander
springorum,
m. sc.,
arbeitet seit
Juli 2012 bei
der Lufthansa
Technik AG
als Ingenieur
für elektrische
Kabinen- und
Kommunikationssysteme.
Seine Masterarbeit hat er im
Labor für Kabine und Kabinensysteme der
HAW Hamburg
geschrieben.
dem Wintersemester 2005/06 kann
an der HAW Hamburg Flugzeugbau mit dem
Schwerpunkt Kabine und Kabinensysteme studiert werden. Für die HAW Hamburg unüblich,
gab es bisher keine spezifischen Laborräume,
in denen die Studierenden in diesem Studienschwerpunkt ihre studienbegleitenden Laborversuche durchführen konnten. Mit dem Engagement der HAW Hamburg im Hamburg Centre of
Aviation Training (HCAT) [1] wurde schnell klar,
dass das Labor für Kabine und Kabinensysteme
(KKS) der HAW Hamburg unter diesem Dach,
unterstützt durch die Stadt Hamburg, das Bundesministerium für Bildung und Forschung und
viele Kooperationspartner, seine Heimat finden
würde. Der inzwischen stattfindende Aufbau
des Labors ist der Ausgangspunkt für die im
Folgenden beschriebene Masterarbeit im Studienschwerpunkt Kabine und Kabinensysteme im
der HAW Hamburg mit dem Titel „Integration
eines Kabinenmanagementsystems in ein Kabinen-Mockup“ [2].
1 CAD-Modell
von Rack und
Laborarbeitsplatz vor dem
Rumpfsegment
aufgabe: In den Räumlichkeiten des Labors für
Kabine und Kabinensysteme befindet sich ein
Rumpfsegment aus Stahl, das in seinen Abmaßen dem hinteren Teil eines Airbus der A320Familie entspricht. In diesem Rumpfsegment
wird eine originalgetreue Flugzeugkabine eingebaut, um einerseits Studierenden für spezielle Laborversuche die Illusion zu vermitteln,
1
62
sich in einem Flugzeug zu befinden, und ihnen
die Systeme und Betriebsabläufe möglichst realistisch zeigen zu können. Andererseits sollen
als Teil des Studiums im Rahmen des Laborunterrichts und von Projekt- und Abschlussarbeiten innerhalb der Kabinennachbildung
Untersuchungen zu Systemen und Prozessen
durchgeführt werden können.
Im Flugzeugbau wird ein solcher Nachbau als Mockup bezeichnet. Zu den Systemen,
die in diese spezielle Kabine eingebaut werden
sollen, gehört u. a. ein originalgetreues Kabinenmanagementsystem. Wie in der Realität,
so muss auch in diesem Mockup das Kabinenmanagementsystem exakt auf die Details der
Kabine und ihre Einbauten abgestimmt werden.
Im Flugzeugbau ist dies Teil des CustomisationProzesses, der z. B. von den Kabineningenieuren
bei Airbus jedes Mal durchgeführt wird, wenn
eine sogenannte Head of Version, also das erste
Exemplar von Flugzeugen eines Typs für eine
Fluggesellschaft mit einer einheitlichen Kabinenausstattung, gebaut werden soll. Für das im
Labor befindliche Mockup gab es keine Definition einer Head of Version.
Die Masterarbeit wurde initiiert, um eine
solche Definition zu erhalten. Ein zweiter wichtiger Aspekt war, das Mockup bei aller Detailnähe so zu gestalten, dass die Verwendung als
Ausbildungsobjekt im Laborbetrieb jederzeit
möglich ist. Die Masterarbeit wurde durch zwei
der im KKS-Labor tätigen Professoren mit den
interieur
kabinensysteme
Lehrgebieten „Elektrische Kabinensysteme und
Systementwurf“ sowie „Architektur von Kabinen
und Human Factors“ betreut. Technische Unterstützung gab es auch durch die Ingenieure der
Airbus Operations GmbH in Buxtehude, die für
den Entwurf und den Bau der Kabinenmanagementsysteme aller Airbus-Flugzeuge verantwortlich sind. Im Folgenden wird das in dieser Masterarbeit entwickelte Konzept erläutert.
systembeschreibung: Bei einem Kabinenmanagementsystem handelt es sich um ein zentrales, hochintegriertes System, das die verschiedenen Systeme und Teilsysteme, die in
einer Flugzeugkabine verbaut sind, verwaltet,
steuert und auf eine harmonisierte Weise für
die Kabinenbesatzung bedienbar macht. Zu den
typischen Kabinensystemen gehören z. B. die
Lautsprecheranlage, die Kabinenbeleuchtung,
die Gegensprechanlage oder Rauchsensoren. Die
verschiedenen Systeme in der Kabine sind aus
unterschiedlichen Gründen erforderlich. In erster
Linie sind hier die rechtlichen Vorgaben zu nennen, die z. B. eine Lautsprecheranlage fordern: In
der Vorschrift für den kommerziellen Betrieb von
Passagierflugzeugen [3] heißt es: „Der Luftfahrtunternehmer darf ein Flugzeug mit einer höchsten genehmigten Fluggastsitzzahl von mehr als
19 nur betreiben, wenn er über eine eingebaute
Kabinen-Lautsprecheranlage verfügt [...].“ Diese
Vorschrift fordert ebenfalls eine Beleuchtungsanlage. Da es dem Komfort der Passagiere dient,
ist es nahe liegend, dass die Beleuchtung in der
Kabine über mehr als eine Helligkeitsstufe verfügt. Wünsche von Passagieren und Fluggesellschaften sind ein weiterer Anlass zum Einbau von
Kabinensystemen.
Durch das Kabinenmanagementsystem wird
nicht nur die Regelung und Überwachung der
Systeme durch das Personal, sondern auch die
Kommunikation der Kabinensysteme untereinander sowie mit weiteren Flugzeugsystemen
gewährleistet. So kann ein Kabinenmanagementsystem z. B. die Lautstärke für Lautsprecherdurchsagen in der Kabine automatisch anheben, wenn die Triebwerke laufen.
3
2
Für den Einbau in das Rumpfsegment im
Labor für Kabine und Kabinensysteme wurde
dem Flugzeugvorbild entsprechend das Cabin
Intercommunication and Data System (CIDS)
aus den Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen des
Herstellers Airbus gewählt.
Die Topologie des CIDS-Systems ist durch den
Hersteller im Grundsatz festgelegt [4]. Die Anzahl
der Komponenten und ihre exakte Anordnung
können aber variieren. Sie sind von Faktoren wie
Anzahl und Anordnung der Passagiersitze und
von Bedienkonzepten des Flugzeugbetreibers
abhängig.
Das CIDS-System zeichnet sich durch zwei
zentrale bidirektionale Datenbussysteme aus,
die sich in erster Linie durch die Funktionen der
angeschlossenen Komponenten unterscheiden.
An dem ersten Datenbus sind die Komponenten
angeschlossen, die Funktionen ausführen, die die
Passagiere betreffen. Hierzu gehören z. B. die
Anzeige der Anschnallpflicht und des Rauchverbots durch elektrisch beleuchtete Zeichen oder
die Steuerung der Leselichter oberhalb der Passagiersitze. An dem zweiten Datenbus befinden
sich nur Komponenten, die Funktionen realisieren, die die Flugbegleiter verwenden. Hierzu
gehört u. a. eine flugzeuginterne Telefonanlage
mit den zugehörigen Handapparaten.
Zu den Komponenten, die die Passagiere
betreffen, gehören auch die Beleuchtungseinheiten zur generellen Beleuchtung der Kabine.
Hieran wird deutlich, dass sich die mit CIDS
verknüpften Komponenten über die gesamte
Kabine verteilen. Handtelefone für Flugbegleiter
befinden sich üblicherweise sowohl im vorderen
als auch im hinteren Eingangsbereich des Flugzeugs. Folglich müssen beide Datenbusse durch
die gesamte Kabine führen. Die Komponenten in
2 Rumpfsegment
mit Sitzen und
Verkleidungsteilen im HCAT
3 Passenger Service Unit, wie sie
in das Mockup
eingerüstet wird
63
interieur
kabinensysteme
gelegenen Laborarbeitsplatz geführt. Hier sind
alle CIDS-Komponenten
mindestens einfach vorhanden und können
so auch außerhalb der
üblichen
Umgebung
betrachtet werden. Auch
ein Ablesen der verschiedenen Systemstatus und
die Eingabe von Befehlen in das CIDS-System
sind dadurch möglich.
Dies wird im Flugzeug
z. B. durch zwei Passenger Service Units (PSUs)
ermöglicht, die über den
Passagieren angebracht
sind und ihnen Leselichter und einen Lautsprecher
bereitstellen.
Durch diese Komponenten ist es den Passagieren auch möglich, einen
Flugbegleiter zu rufen.
4
4 Konzept des
Systemlayouts
mit den Komponenten innerhalb
und außerhalb
des Mockups
5 Bedienung des
CIDS-Systems
in einem Airbus
64
der Kabine sind jeweils über Netzknoten an die
Datenbusse angeschlossen. Die Netzknoten dienen als Sammelpunkte und wandeln die empfangenen oder zu sendenden Daten in das entsprechende Format um.
Beide Datenbusse sind an den Zentralrechner
des CIDS-Systems angebunden, der im Bereich
für Avionik unterhalb des Cockpits untergebracht
ist. Da im Mockup kein Bauraum für Avionik
vorgesehen ist, wird für den Zentralrechner des
CIDS-Systems im Labor ein Rack neben dem
Rumpfsegment installiert. Am Zentralrechner
befinden sich Schnittstellen zu anderen Flugzeugsystemen. Um für diese Schnittstellen die
jeweiligen Systeme simulieren zu können, werden die elektrischen Kontakte der Schnittstellen auf die Front des Racks geführt, um dort
den Anschluss von Systemen und Messgeräten
zu ermöglichen. In dem Rack wird ebenfalls die
zentrale Bedieneinheit des CIDS-Systems, das
sogenannte Flight Attendant Panel (FAP), untergebracht, das sich im Flugzeug üblicherweise
im vorderen Eingangsbereich befindet. Dadurch
wird das Eingreifen in das System von außerhalb
des Mockups ermöglicht. Innerhalb des Rumpfsegments wird eine weitere Bedieneinheit dieser
Art untergebracht. Ebenso finden sich alle systemtypischen Komponenten, die für Passagiere
oder Flugbegleiter im Flugzeug zur Verfügung
stehen, in der Kabinennachbildung, damit hier
typische Situationen innerhalb einer Flugzeugkabine nachgestellt werden können.
Die Datenbusse, die vom Zentralrechner zu
den jeweiligen Daten verarbeitenden Komponenten im Rumpfsegment führen, werden beim
Versuchsaufbau noch über einen außerhalb
umsetzung: Grundlegend für die Anpassung
des Systems ist die Konfiguration des zentralen Rechners. Hierfür wurde ein Systemlayout entwickelt, das alle Komponenten innerhalb und außerhalb des Stahlrumpfes enthält.
Da es sich bei dem Nachbau nur um einen Teil
einer Flugzeugkabine handelt, musste ein komplett individuelles Layout entworfen werden.
Das entwickelte Layout beinhaltet sowohl die
entsprechende Verkabelung der Stromversorgung als auch die der Datenleitungen. Bei der
Energieversorgung muss zwischen den Leitungen für 115 V Wechselstrom und denen für
28 V Gleichstrom unterschieden werden [5]. Die
28-V-Leitungen werden, wie im Flugzeug üblich,
wiederum in eine Standard- und eine Notstromversorgung unterschieden. Bei den Datenleitungen musste der jeweils an dieser Stelle verwendete
Datenbusstandard
berücksichtigt
werden. Die verwendeten Standards sind sehr
unterschiedlich ausgeprägt. Sie reichen von dem
auch im Heimgebrauch üblichen Ethernet-Standard (IEEE802.3) bis zum speziell für die Luftfahrt entwickelten ARINC-429 [6].
Die sehr unterschiedlich ausgeprägten
Schnittstellen zu anderen Systemen sind in
dem entworfenen Layout ebenfalls enthalten. Teilweise können sie durch einfache Schalter als Verbindung zur elektrischen Masse
nachgebildet werden, teilweise sind es Datenbusse, die vorerst nur als elektrische Kontakte
angelegt werden, über die eine spätere rechnergestützte Simulation des Fremdsystems realisiert
werden kann.
Die Auslegung der erforderlichen Verkabelung
konnte im Vergleich zum Flugzeug vereinfacht
Witte.
Perfect Fixturing
5
Führend im
modularen
Vorrichtungsbau
werden, da keinerlei Luftfahrtzulassungen benötigt werden und das Gewicht der
Kabel nicht von Bedeutung ist. In erster Linie hat die zu erwartende mechanische
Belastung der Kabel die jeweilige Dimensionierung bestimmt. Auch wenn für die
zu erwartenden Ströme sehr kleine Kabelquerschnitte genügt hätten, müssen die
Kabel während der Einrüstung in das Rumpfsegment gewissen Biegeradien und
Zugkräften standhalten.
Für die Strom führenden Leitungen können handelsübliche Kabel verwendet
werden, die für eine Betriebsspannung von 230 V und Stromstärken bis 16 A ausgelegt sind, Werte, die bei dem verwendeten Kabinenmanagementsystem nicht
vorgesehen oder zu erwarten sind.
Die mechanische Integration der Komponenten erfolgt vor allem in Hinblick
auf die Sicherheit bei der späteren Nutzung als Ausbildungshilfsmittel. So müssen Gefahren von Verletzungen oder elektrischen Schlägen ausgeschlossen werden können. Dies gilt insbesondere in den externen Bereichen von Rack und
Laborarbeitsplatz, wo die CIDS-Komponenten für Laborversuche frei zugänglich
untergebracht werden.
ausblick: Die Erarbeitung der Anpassung des CIDS-System in dieser Masterarbeit
und der Entwurf für die spätere Labornutzung im Rahmen des Flugzeugbaustudiums an der HAW Hamburg waren ein wichtiger, grundlegender Schritt für den
anschließenden Aufbau des Mockups. Mit Sitzen, einem Waschraum, den sichtbaren inneren Verkleidungsteilen und einem Kabinenmanagementsystem ausgerüstet, können dort dann auch weitere Kabinensysteme und Betriebsabläufe
anschaulich dargestellt und untersucht werden. Diese Möglichkeiten werden den
Praxisbezug des Flugzeugbaustudiums in der Vertiefungsrichtung Kabine und
Kabinensysteme weiter steigern.
«
literatur:
[1] Konieczny, Gordon: KKS-Labor im HCAT. Das Labor Kabine und Kabinensysteme [online]. Hamburg: 2012. Internet: <http://www.fzt.haw-hamburg.de/laboratorien/kabine-kabinensysteme-labor/index.html> [Zugriff: 24.07.2012]
Horst Witte
Gerätebau Barskamp KG
[2] Springorum, Alexander: Integration eines Kabinenmanagementsystems in ein Mockup. Hamburg, HAW Hamburg, Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, Masterarbeit, 2012
Horndorfer Weg 26-28
D-21354 Bleckede • Germany
[3] Verordnung (EG) Nr. 859/2008 der Kommission vom 20. August 2008 zur Änderung der Verordnung (EWG) Nr. 3922/91 des Rates in Bezug auf gemeinsame technische Vorschriften und Verwaltungsverfahren für den gewerblichen Luftverkehr mit Flächenflugzeugen, Amtsblatt der Europäischen Union, 20.09.2008, Nr. L 254, S. 1–238,
hier Anlage III, OPS 1: Gewerbsmäßige Beförderung in Flugzeugen, S. 3–238
Tel.: +49 (0)5854/89-0
Fax: +49 (0)5854/89-40
Email: [email protected]
www.horst-witte.de
[4] Cabin Electronic System (CES). Training Manual – Cabin Intercommunication Data System. Buxtehude: Airbus - Cabin Electronic System, 2011
[5] Moir, Ian; Seabridge, Allan: Aircraft Systems: Mechanical, Electrical, and Avionics Subsystems Integration. Chichester: Wiley, 2008
[6] Flühr, Holger: Avionik und Flugsicherungstechnik. Berlin: Springer, 2009
Sie treffen uns auf
der AMB in Stuttgart.
18. bis 22.9.2012,
4
Halle 1, Stand 1|17
haw hamburg
ECO-Team
ECO-Team
erfolgreiche saison sorgt für ansporn
Andrey Mellin – EfficientCarOperation-Team, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
1 Das ECO-Team
2012 beim Shell
ECO-Marathon
in Rotterdam
66
» „Bring das Baby nach Hause!“ Mit diesen
Worten verlässt mich Teamchef Oliver Gerdts in
der Startaufstellung. Eine Dreiviertelstunde oder
10 Runden später auf dem Kurs in Rotterdam ist
dann geschafft, was in den vergangenen zwei
Jahren auf dem Lausitzring nicht gelingen wollte:
Das ECO-Team der HAW Hamburg hat es in die
Wertung des Shell Eco-Marathons geschafft!
Unser Pingu II ist weitgehend bewährt und
erprobt, was dabei helfen soll, möglichst viel
zu fahren und zu optimieren, ohne dabei an
der Strecke große technische Rätsel zu lösen.
Wesentliche Neuerung am Auto ist die Hinterachse mit Reifen der Größe 45/75 R16, die
speziell für diesen Event entwickelt wurden.
Davon erhoffen wir uns einen reduzierten Rollwiderstand. Im Vorfeld war vor allem die Frage
zu klären, ob der maximale Lenkausschlag der
Drehschemellenkung für die fünf 90°-Kurven
auf dem teils auf einem Parkplatz abgesteckten,
teils auf einer öffentlichen Straße befindlichen
Kurs ausreichend ist. Diese Sorgen erweisen sich
nach Testfahrten auf dem Verkehrsübungsplatz
Hamburg-Rothenburgsort aber als unbegründet.
Nach Ankunft in Rotterdam gelingt die technische Abnahme nicht auf Anhieb, jede festgestellte Nonkonformität mit dem Reglement des
Fahrzeugs bedingt seine Neuvorstellung. Nach
Beseitigung einiger Störfaktoren kann die Strecke
in Angriff genommen werden. Es stehen zwei
Motoren zur Verfügung, ein Radnabenmotor mit
Planetengetriebe und ein Motor mit Stirnradgetriebe und Freilauf, was einen besseren Kraftübertragungswirkungsgrad verspricht. Bei Letzterem
gilt es jedoch zunächst, ein Problem mit dem
Potenziometer zu beseitigen, sodass zunächst der
Radnabenmotor zum Einsatz kommt. Im Verlauf
des ersten Trainingstages gelingt ein Lauf über
die volle Wertungsdistanz – 10 Runden à 1,6 km
–, nach dem im Wasserstoffdruckspeicher noch
20 bar Restdruck vorhanden sind (Druck bei vollem Speicher: 200 bar).
Das stimmt optimistisch für die Wertungsläufe. In den letzten Trainings fahren wir schließlich mit dem Stirnradmotor, entscheiden uns aber
beim ersten Wertungslauf für den bewährten
Radnabenmotor, nachdem im Training kleinere
Probleme auftreten. Der
erste Versuch gelingt
dann auf Anhieb und ein
1
großer Druck fällt vom
Team. Am nächsten Tag fahren wir mit dem Stirnradmotor, der zweite Versuch ist jedoch überraschenderweise schlechter als der erste. Das ist
wohl darauf zurückzuführen, dass das Auto den
großen Teil einer Runde mit „Vollgas“ gefahren
werden muss, um die vorgegebene Mindestzeit für die Distanz zu erreichen. Die gewählte
Übersetzung ist bereits die größtmögliche von
einem Stirnrad auf das nächste, und dennoch
beschleunigt der Pingu zu langsam. Das angestrebte Segeln, d. h. Gleiten mit nahezu konstanter Geschwindigkeit ohne Antriebskraft, ist kaum
möglich, da das Auto nach Kurven oder Steigungen zu lange braucht, um wieder auf Geschwindigkeit zu kommen. Unser Elektroniker Nino Penkov hat schließlich die Idee, die Wertungsdistanz
so schnell wie möglich zu absolvieren, um den
Stromverbrauch zu minimieren. Hintergrund: Der
Motor nimmt etwa 100 bis 150 W elektrische
Leistung auf und die Steuerungselektronik 50 W.
Wenn wir also früher ins Ziel kommen, haben wir
einen Teil des Stromverbrauchs der Steuerungselektronik gespart. Leider vereitelt ein Defekt
unsere Pläne, das Rootsgebläse, das die Brennstoffzelle mit Frischluft versorgt, arbeitet nicht
einwandfrei, die Zelle schaltet sich ab. So starten wir unseren letzten Versuch mit derselben
Strategie, nur um festzustellen, dass das Resultat
noch schlechter ist.
Im Nachhinein fehlt uns der verloren gegangene Wertungslauf, denn in einem zusätzlichen
Versuch mit dem Radnabenmotor hätten wir das
Resultat über die Fahrtechnik möglicherweise noch
verbessern können. Dank des guten Beschleunigungsvermögens dieses Antriebs konnte
sehr viel gesegelt werden, allerdings ist etwas
Training nötig, um die Punkte des Antreibens und
des Segelns auf der Strecke genau aufeinander
abzustimmen zu können. Trotzdem ist das Team
mit dem Resultat zufrieden, letztendlich belegten
wir unter 29 Teilnehmern in der Klasse der Brennstoffzellenfahrzeuge, von denen 15 gewertet
wurden, den 12. Platz. Die ermittelte Reichweite
des Pingu beträgt dabei 113 km je Kilowattstunde
Strom, umgerechnet auf Superbenzin entspricht
das etwa 1000 km je Liter.
Angespornt von diesem Erfolg möchte unsere
Mannschaft im nächstes Jahr mit einem vollkommen neuen Fahrzeug in der vierrädrigen UrbanCar-Kategorie starten.
«
Informationen: http://www.eco-haw.de
Kontakt: [email protected]
haw hamburg
BWB AC20.30
BWB AC20.30
die kabine von morgen
BWB Team, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
» Das
studentische
Projekt
AC20.30 an der HAW Hamburg
analysiert die Umsetzbarkeit und
Eigenschaften eines Blended Wing
Bodys (BWB) anhand eines eigenen experimentellen Flugmodells
(Bild 1). Eine wichtige Rolle spielt
dabei die Betrachtung möglicher
Kabinenkonfigurationen.
Auch im vergangenen Jahr wurde
weiter an der Kabine der Zukunft
gearbeitet. In den mobiles-Ausgaben 35 und 36 wurden bereits die Positionen der
Türen und des hinteren Druckschotts vorgestellt.
Die gewählten Lösungen hatten allerdings starke
Einschnitte in die Kapazität des BWB zur Folge:
Im Vergleich zu vorherigen Layouts konkretisierte
sich die maximale Passagierzahl nun auf ca. 900.
2
1 Flugmodell
des Blended
Wing Body
2 Darstellung der
Kabinenkapazität auf dem
Hauptdeck
3 Unterschiede
der Deckenhöhe
des Oberdecks
67
Aufgrund der ungewöhnlichen Rumpfform
des BWB wirft die Integration der Kabine erhebliche Probleme auf. Im Hauptdeck, das eine
durchgehend gleiche Deckenhöhe aufweist,
bringt die Anordnung der Sitze an den Außenseiten Platzverluste mit sich. Wegen der dreieckigen Form des Rumpfes verläuft die Außenwand nicht parallel zur Flugzeuglängsachse,
sodass beim Einbringen von rechteckigen Sitzen
stets dreieckige Bereiche entstehen, die nicht
effizient nutzbar sind. Außerdem enden äußere
Längsgänge in Sackgassen, da die Kabinenbreite
nach vorne hin stetig abnimmt (Bild 2 verdeutlicht diese Situation auf dem Hauptdeck). Der verfügbare Platz erlaubt zwar, weitere Sitze in diese
Bereiche einzufügen, doch da zwischen einem
Passagier und dem nächsten Gang nur maximal
2 weitere Sitznachbarn platziert werden dürfen
(Zulassungsvorschrift CS25), müssten bei mehr
als 3 Sitzen pro Reihe beidseitig Längsgänge
positioniert werden. Der verbleibende Abstand
zur Seitenwand würde dann teilweise nur noch
für einen Einzelsitz ausreichen. Die Deckenhöhe
des Oberdecks folgt im Unterschied
zum Hauptdeck der Krümmung des
Rumpfes (Bild 3). Da die Kabine
für eine komfortable Sitzposition
eine Deckenhöhe von mindestens
1,60 m (besser noch 1,80 m) über
den äußersten Sitzen aufweisen
muss, geht sehr viel Bodenfläche verloren: Mit jeder Vergrößerung der Deckenhöhe der Kabine
1
um
0,50 m
verringert
sich
die nutzbare Bodenfläche jeweils
um 100 m². Rings um den bestuhlten Bereich
gibt es daher große Flächen, die anderweitig
verwendet werden müssen.
Im hinteren Bereich sind auf beiden Decks
noch nutzbare Bodenflächen vorhanden. Weitere
Sitze können hier jedoch nicht hinzugefügt werden, da sich das Fassungsvermögen der Flugzeugkabine aus der Summe der Türkapazitäten ergibt:
Flugzeugtüren können in Abhängigkeit von ihrer
Größe im Notfall innerhalb einer bestimmten Zeit
nur von einer bestimmten Anzahl Personen passiert werden. Sowohl das Hauptdeck als auch das
Oberdeck haben hierdurch ihre Kapazitätsgrenzen erreicht. Für mehr Sitzplätze müssten neue
Türen eingefügt werden, aus denen sich weitere
Quergänge ergäben. Außerdem müssten zusätzliche Küchen und Toiletten eingebaut werden.
Hierdurch würde sich wiederum der zur Verfügung stehende Platz für Sitze stark reduzieren.
Zudem nimmt die Krümmung der Außenhaut des
Rumpfes im hinteren Bereich der Kabine immer
stärker zu, sodass sehr aufwendige Türformen
notwendig wären.
Die aerodynamisch günstige Form des BWB
stellt die Integration der Kabine daher vor große
Herausforderungen. Das Layout ist – über den
gesamten Rumpf gesehen – an den Seiten zwar
ungleichmäßig, im Innenbereich insgesamt aber
effizient und vielseitig nutzbar.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass
noch viele Probleme zu lösen sind. Mit
jeder Lösung kommen wir der Zukunft aber
einen Schritt näher.
«
3
haw hamburg
Hawks Racing Team
Hawks Racing Team
to finish first, you must first finish!
rick maers – Hawks Racing Team, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
1
» Ein
1 Der H08
2 Das Hawks
Racing Team
2012
68
Team, ein Auto, ein Ziel! Wie jedes Jahr
seit bereits 11 Jahren war es auch 2012 wieder so
weit: Am 8. Juni präsentierte das Hawks Racing
Team den H08!
Der H08, dem Namen nach das achte Auto
der Garage, entstand im ca. 70 Mann starken
Team und aus der Zusammenarbeit der verschiedensten Fachbereiche der HAW Hamburg. Das
Team vereint in der Saison 2011/12 Studierende
aus den Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, Wirtschaft, Maschinenbau und Produktion sowie Informations- und Elektrotechnik.
Mit dieser Vielfalt an Know-how, Perspektiven und Meinungen stellt das Hawks Racing
Team das interdisziplinärste Projekt der HAW
Hamburg dar und bietet den Studierenden, die
sich aktiv beteiligen, so die Möglichkeit, Schnittstellenkommunikation und -koordination, Organisation zu erlernen und soziale wie fachliche
Kompetenzen zu erwerben, zu schulen und
weiterzuentwickeln. „Thinking outside the box“
ist das Stichwort.
Das aktuelle Fahrzeug, der H08, ist nun das
greifbare Endprodukt eines stetigen Entwicklungsprozesses. Die seit zwei Jahren bewährte
Hybridkonstruktion aus einem CFK-Monocoque
und einem Stahlheckrahmen wurde beibehalten
und optimiert. Ein sehr enges Package ermöglicht die Zentrierung der Masse. Handhabung
und Zugänglichkeit sind durch die Trennung der
beiden Bauteile dennoch gewährleistet.
Das bereits weit entwickelte Fahrwerk wurde
wieder aus sehr hochwertigen und leichten Materialien wie Titan (Radnaben, Stabilisatoren), hochfestem Aluminium (Radträger) und Kohlefaser
(Querlenker) gefertigt. Ein weiteres Highlight
sind die selbst entwickelten Bremssättel.
Beim Motor setzt das Team auf Kontinuität:
Seit geraumer Zeit fahren Hawks-Boliden mit
einem Kawasaki-Motor, dem ZX-6R. Unberührt
bleibt dabei allerdings nur das Gehäuse: Abgedrehte Kurbelwellen, bearbeitete Nockenwellen
und viel Zeit auf dem Prüfstand der HAW, die
der Optimierung des Drehmomentverlaufs dient,
machen den Motor zu einem leistungsstarken
Antrieb für den H08. Zudem wurde der gesamte
Motor um 12 mm abgesenkt, das Gewicht reduziert und eine Schaltung über Elektromotoren
und eine elektromechanische Kupplung verwirklicht, die über Wippen am Lenkrad bedient wird.
Auch die Elektronik wird bei Hawks großgeschrieben: Das Display ist frei programmierbar
und es bietet die Möglichkeit einer umfangreichen
Datenaufzeichnung und Telemetrie. Zudem ist
der Kabelbaum selbst deutlich robuster geworden, was in Zukunft für hoffentlich nur wenige
elektronisch bedingte Ausfälle sorgt.
Was das Design angeht, wird jeder Betrachter sofort den Zuwachs an großen Aerodynamikbauteile vermerken. Wo Hawks bisher nur auf
einen aerodynamischen Unterboden setzte, finden sich in diesem Jahr sowohl Heck- als auch
Frontflügel, die das Team bei den Events in
Österreich, Deutschland und Italien weit nach
vorne bringen sollen.
«
2
Bleiben Sie dran und fiebern Sie mit dem Team mit:
www.hawksracing.de
https://www.facebook.com/pages/HAWKS-RacingeV/185121741530395
https://twitter.com/hawksracingev
http://www.youtube.com/user/HawksRacingEV
haw hamburg
förderkreisvitrine
Aktuelles aus dem Förderkreis
Die Karosseriebautage Hamburg 2012, ausgerichtet vom Vieweg Technology Forum und dem Förderkreis, waren auch
in diesem Jahr wieder eine bemerkenswerte Veranstaltung. Neben attraktiven Vorträgen gab es in der umfangreichen
begleitenden Fachausstellung interessante Fahrzeuge und innovative Technikexponate zu sehen. Einen großen Beitrag
zum Erfolg dieser Veranstaltung leisteten Herr Prof. Tecklenburg und Herr Prof. Stucke. Sie bewältigten gemeinsam
mit dem Vieweg Technology Forum die organisatorische Abwicklung der Großveranstaltung. Mit diesem bewährten
Veranstaltungsteam sehe ich den Karosseriebautagen Hamburg 2014 schon heute mit großen Erwartungen, aber
auch großer Gelassenheit entgegen.
Satzungsgemäß wurde im Rahmen der Mitgliederversammlung der Vorstand des Förderkreises neu gewählt. Die
Wahl aller Vorstandsmitglieder erfolgte einstimmig. Ein guter Ausgangspunkt für eine Erfolg versprechende Zusammenarbeit im Förderkreis. Der Vorstand setzt sich für die nächsten drei Jahre aus folgenden Mitgliedern zusammen:
Vorsitzender
1. Stellvertretender Vorsitzender
2. Stellvertretender Vorsitzender
Schatzmeister
1. Beisitzer
2. Beisitzer
3. Beisitzer
4. Beisitzer
5. Beisitzer
6. Beisitzer
7. Beisitzer
8. Beisitzer
Schriftführer
Herr Michael Dukat
Herr Thomas Albers
Herr Axel Anders
Herr Prof. Dr. Christoph Großmann
Herr Mark Witschel
Herr Winfried Bunsmann
Herr Karlheinz Bauer
Herr Dr. Hilmar Peitz
Herr Christian Mengel
Herr Sven Lange
Herr Gerald Frielinghaus
Herr Willi Schwarz
Herr Prof. Hans-Dieter Stucke
(Porsche)
(BMW)
(Volkswagen)
(HAW)
(Ford)
(VW Osnabrück)
(Daimler)
(EADS)
(Opel)
(Audi)
(Lufthansa Technik)
(EDAG)
(HAW)
Aus dem Vorstand ausgeschieden ist Herr Prof. Dr. Kammerl, unser langjähriger Schatzmeister.
Ich danke ihm ausdrücklich für die vielen Jahre erfolgreicher Tätigkeit als Schatzmeister, auch im Namen des gesamten Präsidiums!
Den neu bzw. wiedergewählten Vorstandskollegen spreche ich meine Gratulation aus und bedanke mich gleichzeitig
für das mir entgegengebrachte Vertrauen mit der Wiederwahl zum Vorsitzenden. Die weitere Zusammenarbeit zur
Förderung des Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau wird uns allen auch zukünftig ein wichtiges Anliegen
sein.
Im Kalenderjahr 2012 wird der Förderkreis Vorhaben der HAW Hamburg mit einem Gesamtvolumen von 88 000 EUR
unterstützen. Wesentliche Projekte sind hierbei das Hawks Racing Team, das ECO-Team und das Nurflügelflugzeug
AC20.30. Zusätzlich wird mit größeren Beträgen die Ausstattung des Fachbereichs ergänzt und die Öffentlichkeitsarbeit des Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau gefördert.
Mit freundlichen Grüßen
Michael Dukat
Vorsitzender
69
haw hamburg
HCAT
HCAT
kluge köpfe für eine zukunftsfähige industrie
Prof.Dr.-ing.HArtmut zingEl – Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
1 Das Gebäude
des Hamburg
Centre of Aviation Training
70
» Der Luftfahrtcluster Metropolregion Hamburg
gehört weltweit zu den drei größten Standorten
der zivilen Luftfahrtindustrie. Um diese herausragende Position zu sichern und zu stärken, müssen
Jahr für Jahr genügend Fachkräfte ausgebildet
werden [1]. Das wurde in Hamburg auch schon
1935 erkannt, also vor mehr als 75 Jahren, als an
den Technischen Staatslehranstalten, einer der
Vorläufereinrichtungen der HAW Hamburg, die
Abteilung Flugzeugbau eingerichtet wurde [2].
Zwei Jahre zuvor hatten die Brüder Walther
und Rudolf Blohm die Hamburger Flugzeugbau
GmbH gegründet. Ihr
Ziel war es, die aufstrebende Luftfahrtindustrie
mit großen Flugbooten
für den TransatlantikLuftverkehr zu beflügeln. Heute wird das
größte Verkehrsflugzeug
der Welt, die A380, von der Airbus Operations
GmbH in Hamburg-Finkenwerder gebaut.
Der Startschuss für den Bau des Airbus A380
fiel im Jahr 2000. Kurz darauf wurde in Hamburg die Qualifizierungsoffensive Luftfahrtindustrie ins Leben gerufen. Ziel war, die Akteure
aus Unternehmen, staatlichen und privaten Bildungseinrichtungen sowie Kammern und Verbänden zusammenbringen, um den Erfolgsfaktor
„Personal“ zu sichern. Die Qualifizierungsoffensive bildete die Keimzelle für die 2001 von
Wirtschaft, Wissenschaft und Senat der Freien
und Hansestadt Hamburg gegründete Initiative
Luftfahrtstandort Hamburg, die sich schließlich
zum Luftfahrtcluster Metropolregion Hamburg
entwickelte, der mit seiner Strategie „Neues
Fliegen“ im Spitzenclusterwettbewerb des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
2008 als einer der ersten fünf Spitzencluster
ausgezeichnet wurde.
Die Qualifizierungsof1
fensive Luftfahrtindustrie
initiierte seither zahlreiche
Maßnahmen, die einen
maßgeblichen Beitrag zur
Sicherung des Fachkräftebedarfs leisteten. Genannt
seien die Aufbaukurse für
Architekten,
Bauingenieure und Maschinenbauer,
die zu Flugzeugbauingenieuren mit der speziellen
Ausrichtung
Flugzeug-
kabine und Kabinensysteme weiterqualifiziert
wurden. Aus diesen Aufbaukursen ging 2005
der einzigartige Studienschwerpunkt Kabine und
Kabinensysteme der HAW Hamburg hervor, mit
dem der anhaltende Ingenieurbedarf in diesem
für Hamburgs Luftfahrtindustrie so wichtigen
Bereich gesichert wird.
Hochschulstudium, Weiterbildung, Anpassungsqualifizierung und Erstausbildung unter
einem Dach: In der Qualifizierungsoffensive Luftfahrtindustrie ist auch das Konzept des Hamburg
Centre of Aviation Training (HCAT) entstanden.
Operativ ist das HCAT eine in Europa einmalige Lernortkooperation von Luftfahrtindustrie,
HAW und der Gewerbeschule G15. Institutionell bildet der Beirat des HCAT ein neues Dach
für die Fachkräfteentwicklung des Luftfahrtclusters Metropolregion Hamburg e. V. Die
Aufgaben der Qualifizierungsoffensive Luftfahrtindustrie sind auf den Beirat übergegangen. In
ihm sind alle Partner des Luftfahrtclusters vertreten, die sich mit der Fachkräftequalifizierung
beschäftigen. Vom Beirat werden erforderliche Qualifizierungsmaßnahmen angestoßen,
umgesetzt werden sie von den Partnern des
HCAT. Mit der bedarfsorientierten Fachkräfteentwicklung liefert das HCAT eine wesentliche
Grundlage für die wachsende Innovationskraft
des Luftfahrtclusters.
Die Lernortkooperation des HCAT kombiniert
die schulische, betriebliche und akademische Ausund Weiterbildung in den Technologiefeldern
Avionik, Fertigungs- und Reparaturverfahren
für Werkstoffe aus Metall und faserverstärkten
Kunststoffen sowie Kabine und Kabinensysteme.
Sie bildet damit weitgehend die Produktwelten
• Flugzeuge und Flugzeugsysteme,
• Aviation Services und
• Kabine und Kabinensysteme
des Luftfahrtclusters ab.
Die Lernortkooperation gliedert sich in zwei
Bereiche: Der Bereich ASQ (Avionik- und Struktur-Qualifizierung) wird verantwortet von der
Gewerbeschule für Fertigungs- und Flugzeugtechnik G15. Den Bereich KKS (Labor für Kabine
und Kabinen-Systeme) leitet die HAW Hamburg.
Weitere Partner der Lernortkooperation sind
Lufthansa Technical Training (LTT) und Airbus.
Der innovative Charakter des HCAT besteht
darin, dass die genannten Qualifizierungsmaß-
haw hamburg
HCAT
nahmen unter einem Dach vereinigt sind (Bild 1).
Alle beteiligten Institutionen können die Schulungs- und Laborausstattung des HCAT nutzen
und so eine optimale Auslastung gewährleisten.
Die Lehrenden – also Professoren, Berufsschullehrer und Trainer – arbeiten in unmittelbarer
Nachbarschaft zueinander. Sie tauschen sich aus,
sodass die Qualifizierung auf den verschiedenen
Stufen optimal aufeinander abgestimmt wird.
Und schließlich werden Schulungsmaßnahmen
quer durch die Institutionen durchgeführt: Trainer von LTT unterstützen die Laborlehre der
HAW Hamburg in den Werkstätten für die Fertigung von Flugzeugstrukturen in Metall und
Faserverbundwerkstoffen, Professoren der HAW
Hamburg schulen die Trainer in den modernen
Berechnungsverfahren für Composites und Auszubildende legen Hand an beim Aufbau von
Mock-ups und Systemprüfständen des Labors
für Kabine und Kabinensysteme.
Avionik- und Struktur-Qualifizierung (ASQ):
Im Bereich ASQ bildet die Gewerbeschule für
Fertigungs- und Flugzeugtechnik G15 die Luftfahrttechniker mit dem Schwerpunkt Avionik
aus. Lufthansa Technical Training hat in diesem
Bereich die Werkstatt für Strukturreparatur und
Compositefertigung mit einem Nietraum, einem
Laminierraum, einem Schleifraum und einem
Werkstattraum eingerichtet. Dort werden Trainingsmaßnahmen zur Anpassungsqualifizierung
durchgeführt. Airbus steuert eine Sektion des
Flugzeugrumpfes eines Airbus A300 bei, in dem
Schulungsmaßnahmen für die Kabelinstallation
durchgeführt werden.
Kabine und Kabinensysteme (KKS): Für eine
Hochschule für Angewandte Wissenschaften
ist die praxisnahe Lehre ein Markenzeichen. Im
Labor für Kabine und Kabinensysteme ergänzen
und vertiefen die Studierenden ihr in den Vorlesungen erworbenes theoretisches Wissen durch
Anschauung und praktische Versuche (Bild 2).
Die hochwertige Laborausstattung ermöglicht
darüber hinaus anwendungsnahe Forschungsprojekte, die später im Zentrum für Angewandte
Luftfahrtforschung (ZAL) weitergeführt werden
können. Finanziert wird die Ausstattung des
Labors für Kabine und Kabinensysteme aus Mitteln des Spitzenclusterwettbewerbs des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.
Im Einzelnen ist das KKS-Labor mit folgenden
Komponenten und Systemprüfständen ausgestattet: Ergonomie- und Designaspekte werden
an den Mock-ups eines Cockpits und eines CrewRest-Compartments studiert. Das Mock-up
eines Airbus A319 bildet die Plattform für die
Integration verschiedener Kabinenkomponenten und Kabinensysteme in einer realistischen
Umgebung, z. B. für die Sitze und das Lining,
das Kabinenmanagementsystem, das Lichtsystem und das Luftverteilungssystem. Die
Airbus-A300-Rumpfsektion wird mit einem
funktionsfähigen
Frachtladesystem
ausgestattet. Den Systembereich komplettieren
Demonstratoren des Remote-Chiller-Systems,
des Sauerstoffsystems und des Wasser-Abwasser-Systems. Die kombinierte Akustik-KlimaKammer mit einem Standardrumpf bildet die
Plattform für Untersuchungen von klimatischen
und akustischen Eigenschaften einer Flugzeugkabine. Der Ausstellungs- und Präsentationsbereich, ein mit Konferenztechnik ausgestatteter
Hallenbereich, lädt zum Zusammenkommen
und Diskutieren ein.
2 Labor für Kabine
und Kabinensysteme.
fazit und Ausblick: Am 27. April 2009 wurde
das Richtfest für den ersten Bauabschnitt des
HCAT gefeiert. Schon wenige Monate später begann die Fachschule für Luftfahrttechnik
der Gewerbeschule G15 mit dem Lehrbetrieb zum
Luftfahrttechniker Avionik. Am 26. Mai 2011
weihte der Erste Bürgermeister der Freien und
Hansestadt Hamburg, Olaf Scholz, den gesamten HCAT-Komplex feierlich ein. Seitdem wird
der Werkstattbereich
von LTT intensiv für
Schulungsmaßnahmen
genutzt. Das Labor
für Kabine und Kabinensysteme
ist
in
den Lehrbetreib der
HAW Hamburg integriert,
wenngleich
hier noch sehr viel
Aufbauarbeit zu lei2
sten ist. Daran werden
auch die Studierenden
durch Projekt-, Bachelor- und Master-Arbeiten beteiligt. Und auch
Auszubildende von Airbus leisten wertvolle
Unterstützungsarbeit.
Mit dem HCAT wurde ein Ort geschaffen, an dem sich die Partner in einem nicht
hierarchischen System vernetzen und ihr Wissen austauschen. Damit bildet das HCAT
die Keimzelle für weitere Innovationen zur
Fachkräftesicherung für den Luftfahrtcluster
Metropolregion Hamburg.
«
literatur
[1] Schilling-Kaletsch, Ingrid; Zingel, Hartmut; Strelau,
Lennart: Innovative Maßnahmen zur Sicherung der
Fachkräfte – Spitze im Cluster: das Beispiel der Qualifizierungsoffensive im Luftfahrtcluster Metropolregion
Hamburg. In: Globisch, Sabine; Hartmann, Ernst A.;
Loroff, Claudia; Stamm-Riemer, Ida (Hrsg.): Bildung
für Innovationen – Innovationen in der Bildung. Die
Rolle durchlässiger Bildungsangebote in Clusterstrukturen. Münster: Waxmann, 2012, S. 84–88
[2] Zingel, Hartmut (Hrsg.): 75 Jahre Flugzeugbaustudium in Hamburg. Hamburg: Hochschule für
Angewandte Wissenschaften Hamburg, Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, 2010
71
haw hamburg
CCNF
CCNF
Competence Center Neues Fliegen der HAW Hamburg
PROF. DR.-ING. HARTMUT ZINGEL – Leiter des CCNF, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Flugzeugbauingenieur
in den Fächern Flugzeugentwurf und Leichtbau ausgebildet. Inzwischen hat sich Hamburg
zum Kompetenzzentrum
für die Flugzeugkabine
entwickelt. Ingenieure
und Ingenieurinnen wurden gerade in diesem
Bereich dringend benötigt. Deshalb bietet die
HAW Hamburg seit 2005
zusätzlich den Studienschwerpunkt
„Kabine
und Kabinensysteme“
an. Die Studieninhalte
werden eng mit der Industrie abgestimmt; Airbus
steuerte die Stiftungsprofessur „Architektur der
Flugzeugkabine“ bei.
Etwa 15 % der Flugzeugbaustudienplätze
werden in der dualen Studienform angeboten.
In dieser Studienform erhalten die Studierenden
eine Ausbildungsvergütung von dem Unternehmen, das sie beschäftigt, zusätzliche Praxisphasen ergänzen das Hochschulstudium in idealer
Weise. Das duale Studienangebot übt eine große
Anziehungskraft auf Studienbewerberinnen und
-bewerber aus; auf Industrie- und Bildungsmessen werden diese Studienprogramme besonders
stark nachgefragt.
In ihrem Bachelor-Studium, das aus der Bologna-Reform hervorgegangen ist, erwerben die
Studierenden alle Kenntnisse und Fähigkeiten,
die sie als Ingenieur oder Ingenieurin für eine
erfolgreiche Berufstätigkeit benötigen. Mit dem
„Bachelor-Ingenieur“ der HAW Hamburg findet das Erfolgsmodell „Diplom-Ingenieur“ (FH)
seine Fortsetzung. Deutlich aufgewertet wird
die Qualität der Abschlüsse mit dem Master-Studium. Die Luftfahrtindustrie benötigt die MasterAbsolventen für die anspruchsvollen Aufgaben
in der Flugzeugentwicklung. Deshalb liegt die
Übergangsquote vom Bachelor- in das MasterStudium im Flugzeugbau bei 70 %. Die meisten Flugzeugbau-Absolventen und -Absolventinnen werden also mit dem Master-Abschluss in
den Beruf eintreten.
Der Luftfahrtcluster Metropolregion Hamburg benötigt jedoch nicht nur die spezifisch
ausgebildeten Flugzeugbauingenieure und -ingenieurinnen. Von großer Bedeutung sind auch die
klassischen Ingenieurstudiengänge der Fakultät
1
»
1 Studierendenprojekt BlendedWing-Body AC
20.30 (Foto:
Konieczny)
72
Mit 14 700 Studierenden ist die Hochschule
für Angewandte Wissenschaften Hamburg eine
der größten Fachhochschulen in Deutschland.
Sie bietet mit ihren vier Fakultäten Technik und
Informatik, Life Sciences, Design, Medien und
Information sowie Wirtschaft und Soziales ein
vielfältiges Spektrum an Studienmöglichkeiten
für jährlich 4400 Studienanfängerinnen und
-anfänger. Etwa 50 % von ihnen beginnen ein
Ingenieurstudium.
Der Flugzeugbau ist die umsatzstärkste
Industrie in der Metropolregion Hamburg, die
mit knapp 40 000 Beschäftigten den weltweit
drittgrößten Standort der zivilen Luftfahrt bildet. Um die Innovationsfähigkeit der Unternehmen zu erhalten und zu stärken, gewinnt
die Verfügbarkeit von Fachkräften immer mehr
an Bedeutung [1]. Zentrale Aufgabe der HAW
Hamburg ist es, exzellente Ingenieurinnen und
Ingenieure auszubilden. Im Flugzeugbau erfüllt
sie wie ihre Vorgängereinrichtungen diese
Aufgaben seit mehr als 75 Jahren mit großem
Erfolg [2]. Damit auch in Zukunft genügend
hervorragend ausgebildete Ingenieurinnen und
Ingenieure die Luftfahrtmetropole voranbringen,
gründete die HAW Hamburg 2008 das Competence Center Neues Fliegen (CCNF). Aufgabe
des CCNF ist es, die Luftfahrtkompetenzen der
HAW Hamburg zu bündeln und die klügsten
Köpfe nach Hamburg zu holen, um sie für einen
anspruchsvollen Beruf in der norddeutschen
Luftfahrtindustrie auszubilden.
Flugzeugbaustudium an der HAW Hamburg:
An der HAW Hamburg wurde zunächst
über viele Jahrzehnte hinweg der klassische
haw hamburg
CCNF
Technik und Informatik. Doch ebenso haben die
Studiengänge der Fakultäten Design, Medien
und Information, Life Sciences sowie Wirtschaft
und Soziales Anteil am wirtschaftlichen Erfolg
des Flugzeugbaus in Hamburg. Exemplarisch
genannt seien die Kabinenbeleuchtung aus dem
Department Medientechnik, Außenwirtschaft,
Logistik und Marketing des Departments Wirtschaft sowie Verfahrenstechnik und Umwelttechnik der Fakultät Life Sciences.
Rekrutierung von Studienbewerberinnen und
-bewerbern und von Alumni: Seit vielen Jahren
bewerben sich deutlich mehr junge Menschen
auf einen Studienplatz, als Studienplätze vorhanden sind. Zuletzt kamen auf einen Studienplatz etwa vier Bewerberinnen und Bewerber.
Ursache für diese erfreuliche Lage ist sicherlich
die Attraktivität des Luftfahrtclusters Metropolregion Hamburg mit seinen ausgezeichneten
Beschäftigungsmöglichkeiten.
Hinzu
kommt die Reputation der HAW Hamburg als
exzellente Hochschule mit einer qualifizierten,
praxisbezogenen Ingenieurausbildung. Die gute
Bewerberlage ist aber auch Ergebnis der vielschichtigen Öffentlichkeitsarbeit des Luftfahrtclusters, der Hochschule und des Departments
Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, z. B. auf
Industriemessen und Bildungsmessen und durch
Studierendenprojekte.
Industriemessen: Das Messe-Team des Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau präsentiert die Studiengänge des Departments
regelmäßig auf den einschlägigen Fachmessen wie der ILA in Berlin und der AERO in
Friedrichshafen.
Bildungsmessen: Die Mitglieder des Luftfahrtclusters nehmen regelmäßig mit einem eigenen Messestand an Bildungsmessen teil. Professoren und Studierende der HAW Hamburg
unterstützen die Auftritte auf Messen wie z. B.
EINSTIEG und Vocatium in Hamburg oder ILA
CareerCenter in Berlin.
Studierendenprojekte: Anziehend auf Studienbewerberinnen und -bewerber wirken ebenfalls
die Studierendenprojekte. Im Flugzeugbau ist das
Projekt Blended Wing Body AC20.30 auf allen
Messen ein herausragender Blickfang (Bild 1).
Auch ehemalige Studierende werben für
2
unsere Studiengänge. Sie
sind Multiplikatoren und
schlagen eine Brücke zur
Wirtschaft. Die Verbindung zu unseren Absolventinnen und Absolventen ist uns wichtig.
Sie sollen regelmäßig
über das Geschehen in
ihrer Hochschule informiert werden. Idealerweise
sind sie Mitglied im Förderkreis des Departments
Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau (Bild 2).
Nachwuchsgewinnung: Die Faszination des Fliegens kann schon sehr früh bei Kindern geweckt
werden: Vögel, Insekten und Flugzeuge gleiten
durch die Luft, als seien sie schwerelos. Regelmäßig kommen Kinder mit ihrer Kita in das
Aerodynamiklabor. Hier spüren sie am eigenen
Leib, welche Kräfte von einer Luftströmung
entfacht werden können. Seit 2006 bietet die
HAW Hamburg gemeinsam mit den Partnern
des Luftfahrtclusters Metropolregion Hamburg
die Vorlesungsreiche „Technik für Kinder – Faszination Fliegen“ für Kinder von 8 bis 12 Jahren
mit großem Erfolg an. 2012 wurde zum vierten
Mal das Sommercamp „Faszination Fliegen“ für
12- bis 15-jährige durchgeführt – mit abschließendem Fliegercamp beim Segelflug-Club Fischbek. Das Department Fahrzeugtechnik und
Flugzeugbau beteiligt sich außerdem am „Girls’
Day“ (bzw. jetzt „Girls’ and Boys’ Day“) und an
der Herbsthochschule. Und es unterstützt das
Projekt „Pro Technicale“, mit dem junge Frauen
nach ihrem Abitur für ein Flugzeugbaustudium
begeistert werden sollen (Bild 3).
Forschung: Die Forschungsprojekte an der HAW
Hamburg eröffnen besonders begabten Absolventinnen und -absolventen des Flugzeugbaustudiums die Perspektive, nach ihrem MasterStudium ihre Fähigkeiten weiterzuentwickeln. In
einem Forschungsprojekt fertigen sie ihre Dissertation an, mit der sie an einer kooperierenden
Universität promovieren. Den Professoren der
HAW Hamburg wird die Möglichkeit gegeben,
ihre spezifische Fachkompetenz weiterzuentwickeln und mit ihrer Forschungstätigkeit Innovationen im Luftfahrtcluster zu fördern.
Das Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau erzielt mit seinem Forschungsschwerpunkt „Flugzeugbau – Neues Fliegen“ eine
respektable Forschungsleistung. Das Gesamtvolumen der 2011 bearbeiteten Forschungsprojekte
betrug 440 000 EUR zuzüglich 2 400 000 EUR
Projektmittel aus der Spitzenclusterförderung
für das Labor für Kabine und Kabinensysteme.
Für zukünftige Forschungsprojekte ab 2012
sind 1 700 000 EUR Fördermittel bewilligt.
Bearbeitet werden Projekte, die z. B. durch die
Luf t fahr t for schung sprogramme Hamburgs
und des Bundes, aus
dem Spitzenclusterwettbewerb des Bundes
sowie durch private
Auftraggeber
gefördert werden. Zurzeit
arbeiten zehn wissenschaftliche Mitarbeiter
in Drittmittelprojekten
2 Absolventinnen
und Absolventen auf der
Abschlussfeier für den
Jahrgang 2011
73
haw hamburg
CCNF
3 Lehrveranstaltung des
Programms
Pro Technicale
im Labor für
Kabine und
Kabinensysteme
des Forschungsschwerpunkts
„Flugzeugbau
– Neues Fliegen“. Die
Mitwirkung der HAW
Hamburg im Zentrum für
Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) bietet
Raum für zukünftige
Forschungsaktivitäten.
Die
HAW
Hamburg
kooperiert ferner als eine
von sieben von Lufthansa Technik (LHT)
priorisierten Hochschulen
eng mit LHT. Darüber
hinaus ist die HAW Hamburg Mitglied im AirbusLenkungsausschuss Kabineninnovation.
3
Weiterbildung: Die Kompetenz der Professoren,
der wissenschaftlichen Mitarbeiter und der
Labormitarbeiter der HAW Hamburg soll nicht
nur den Studierenden zugutekommen, sondern
auch den in den Luftfahrtunternehmen beschäftigten Ingenieurinnen und Ingenieuren: Lebenslanges Lernen ist die Devise. Seit 2007 wird an
der HAW Hamburg regelmäßig der einwöchige
„Short Course Aircraft Design“ durchgeführt.
Ab dem Wintersemester 2012/2013 kann das
Master-Studium Flugzeugbau auch berufsbegleitend in Teilzeit studiert werden.
Gemeinsam mit den Behörden für Wirtschaft,
Verkehr und Innovation, für Wissenschaft und
Forschung und für Schule und Berufsbildung der
Freien und Hansestadt Hamburg sowie mit der
Gewerbeschule für Fertigungs- und Flugzeugtechnik G15 und den Luftfahrtbetrieben Airbus
und Lufthansa Technical Training richtet die
HAW Hamburg das Hamburg Centre of Aviation
Training (HCAT) ein. Hier führen die Gewerbeschule, die HAW Hamburg und die Industriebetriebe unter einem Dach Qualifizierungsmaßnahmen durch. Sie stimmen sich dabei eng ab,
entwickeln neue und gemeinsame Bildungsangebote und nutzen Schulungsräume, Labore und
Werkstatteinrichtungen kooperativ. Das HCAT
ist ein zentrales Projekt in der Spitzenclusterstrategie. In seiner innovativen Konzeption hat es in
Europa keine Entsprechung. Innerhalb des HCAT
betreibt die HAW Hamburg das Labor für Kabine
und Kabinensysteme.
Internationalisierung: Das Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau unterhält Beziehungen zu zahlreichen Partnerhochschulen in
Europa, in den USA und in Australien. Etwa ein
Dutzend Studierende verbringen jedes Jahr ein
Semester im Ausland. Ebenso viele kommen an
unsere Hochschule zum Fahrzeug- und Flugzeugbaustudium. Der Auslandsaufenthalt fördert den
kulturellen Austausch und verbessert die Sprach-
74
kompetenz der Studierenden. Insbesondere im
Flugzeugbau mit seiner internationalen Verflechtung sind diese Kompetenzen unverzichtbar.
Fazit und Ausblick: Zentrale Aufgabe der HAW
Hamburg ist es, ihren Studierenden eine erstklassige Ausbildung für einen erfolgreichen
Berufsweg mitzugeben. Mit dem BachelorMaster-System, den Studienschwerpunkten,
den Studieninhalten und der Laborausstattung
besitzt die HAW Hamburg hierfür die besten
Voraussetzungen. Gerade diese exzellent ausgebildeten Ingenieure und Ingenieurinnen benötigen die Unternehmen des Luftfahrtstandorts
Hamburg. Gemeinsam mit den Unternehmen
arbeitet die HAW Hamburg auch an geeigneten
Konzepten für die Weiterbildung berufstätiger
Ingenieure. Mit ihren Forschungsschwerpunkten
wendet sich die HAW Hamburg neuen Technologien zu, um den Herausforderungen der Zukunft
zu begegnen. Das Competence Center Neues
Fliegen CCNF bündelt diese Kompetenzen und
verknüpft sie mit dem Netzwerk des Luftfahrtclusters Metropolregion Hamburg.
«
Literatur
[1] Schilling-Kaletsch, Ingrid; Zingel, Hartmut; Strelau,
Lennart: Innovative Maßnahmen zur Sicherung der
Fachkräfte – Spitze im Cluster: das Beispiel der Qualifizierungsoffensive im Luftfahrtcluster Metropolregion
Hamburg. In: Globisch, Sabine; Hartmann, Ernst A.;
Loroff, Claudia; Stamm-Riemer, Ida (Hrsg.): Bildung
für Innovationen – Innovationen in der Bildung. Die
Rolle durchlässiger Bildungsangebote in Clusterstrukturen. Münster: Waxmann, 2012, S. 84–88
[2] Zingel, Hartmut (Hrsg.): 75 Jahre Flugzeugbaustudium in Hamburg. Hamburg: Hochschule für
Angewandte Wissenschaften Hamburg, Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, 2010
Weitere Informationen
http://www.fzt.haw-hamburg.de
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Fuelling the Climate 2012
Am 16. Mai 2012 fand im Rahmen des Internationalen
Klimawandel-Informationsprogramms (ICCIP) in Hamburg
die Fachtagung „Fuelling the Climate 2012 – Klimaschutz
und Elektromobilität: Herausforderungen, Handlungsbedarf und innovative Ansätze“ statt. Organisiert wurde die
Tagung vom Forschungs- und Transferzentrum „Applications of Life Sciences“ (FTZ-ALS) der HAW Hamburg
mit Unterstützung der Handelskammer Hamburg. Das
ICCIP ist eine Initiative der HAW Hamburg in Kooperation mit dem Umweltprogramm der Vereinten Nationen
(UNEP), der Weltorganisation für Meteorologie (WMO),
der Global Environment Facility (GEF) und weiteren global
aktiven Einrichtungen.
Die Tagung beschäftigte sich mit der Frage, welche
Anforderungen die Batterietechnologie in Zukunft erfüllen muss, um Elektromobilität in Deutschland sinnvoll und
flächendeckend etablieren zu können. In diesem Zusammenhang wurden technologische Ansätze und laufende
Initiativen auf dem Gebiet der Energiespeicherung und Batterieforschung diskutiert sowie ein Erfahrungs- und Informationsaustausch zwischen allen Fachbesuchern aus Wirtschaft und Wissenschaft angeregt. Die Zusammenkunft
diente der Vorstellung von ausgewählten Forschungsprojekten und dem Ausbau persönlicher Kontakte. Referenten
und Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft und Behörden wie z. B. von der NOW GmbH (Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie), vom
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte
Materialforschung und vom Karlsruher Institut für Technologie nutzten die Plattform für einen angeregten Austausch. Den Abschluss bildete eine Interdisziplinäre Diskussionsrunde zum Thema „Klimaschutz und Elektromobilität
– Kostenfaktor und/oder Wettbewerbsvorteil?“.
Die Vertreter der verschiedenen Fachrichtungen konnten in einer Begleitausstellung die Besucher der Tagung
über ihre Arbeit informieren.
Karosseriebautage 2012
Die von der ATZ-Mediengruppe in Zusammenarbeit
mit der HAW Hamburg und dem Förderkreis Wagenbauschule e. V. organisierten 12. Karosseriebautage fanden am
10. und 11. Mai 2012 im Congress Center Hamburg (CCH)
statt. Die Tagung versteht sich als Informations- und Kommunikationsplattform sowohl für die Karosserieentwickler
der OEMs, für Zulieferer und Dienstleister als auch für die
Studierenden der entsprechenden Studiengänge.
Da die CO2-Emissionen entscheidend durch das Fahrzeuggewicht und damit durch die Karosserie beeinflusst
werden, standen in diesem Jahr Leichtbau, innovative
Werkstoffe und Fahrzeugkonzepte sowie die Wechselwirkung zwischen Leichtbau, Kosten und Sicherheit im
Zentrum der Fachtagung. Die Referenten aus der Industrie stellten Produkte und Konzepte vor und berichteten in
Fachvorträgen aus erster Hand, wie Kundenanforderungen
in innovative Konzepte umgesetzt werden.
Abschlussfeier 2011
Mit dem Ende des Wintersemesters 2010/2011 richtete
das Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau die
Abschlussfeier der Absolventinnen und Absolventen des
Jahrgangs 2010 aus. Die besten Absolventinnen und Absolventen wurden mit dem Hans-Bohnsack-Preis, dem Buchpreis des Förderkreises Wagenbauschule, dem WaltherBlohm-Preis sowie den Preisen der Fritz-Kirchberg-Stiftung
ausgezeichnet.
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Abschlussfeier 2012
4. Nacht des Wissens
Mit rund 60 weiteren wissenschaftlichen Einrichtungen
nahm die HAW Hamburg am 29. Oktober 2011 an der
4. Nacht des Wissens teil. In vielen Experimenten, Mitmachaktionen, Vorträgen und Führungen wurden den
knapp 20 000 Besucherinnen und Besuchern wissenschaftliche Projekte vorgestellt. Vor allem für Kinder und Jugendliche gab es zahlreiche Veranstaltungen, um ihr Interesse
für Wissenschaft und Forschung zu wecken. So hat u. a. die
Fakultät Technik und Informatik auf dem Campus Berliner
Tor spannende Projekte wie den H06.9 des Hawks Racing
Teams präsentiert. Neben zahlreichen Hamburger Einrichtungen nahmen auch Institute aus Norddeutschland an der
Nacht des Wissens teil und präsentierten ihre Projekte.
Faszination Fliegen 2012
In diesem Jahr fand die traditionelle Abschlussfeier
am 3. Februar mit den Absolventinnen und Absolventen
des Jahrgangs 2011 statt. Herausragende Leistungen von
Diplomanden wurden wieder gesondert gewürdigt. Preise
erhielten u. a. Christopher Ortmann, Christof Rautmann,
Andre Shurkewitsch und Armin Weiss.
Neben Professoren, Studierenden und den Diplomanden, die 2011 ihren Abschluss am Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau gemacht haben, erschienen
zahlreiche Angehörige sowie viele Departmentmitarbeiter.
Firmenkontaktmesse 2012
Am 9. Mai 2012 fand die Firmenkontaktmesse der
Fakultät Technik und Informatik in den Räumen des
Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugtechnik statt.
Auch in diesem Jahr war die Redaktion mobiles mit einem
Messestand vertreten. Mit rund 70 teilnehmenden Unternehmen aus unterschiedlichen Industriebereichen bietet
die Messe den Studierenden die Möglichkeit, sich über
Praktika, Bachelor- und Masterarbeiten sowie berufliche
Perspektiven zu informieren. Zudem bot das Hawks Racing
Team gegrillte Würstchen und verschiedene Erfrischungen.
Vom 8. Februar bis 7. März 2012 wurde für technikbegeisterte Kinder im Alter von 8 bis 12 Jahren in der
Vorlesungsreihe „Faszination Fliegen“ an der HAW Hamburg ein vielfältiges Programm angeboten. So erhielten
die Kinder Antworten auf Fragen wie „Warum fliegt ein
Flugzeug?“, „Wie macht man eine Flugzeugkabine leise?“
oder „Warum sitzen immer zwei Piloten im Cockpit?“. Wie
wichtig es ist, im Cockpit zu zweit zu sitzen, erläuterte
die Lufthansa-Pilotin Kerstin Felser, die das größte Passagierflugzeug der Welt, die A380, steuert. Am 21. März
fand außerdem ein Praxistag statt, an dem Kinder an
Versuchen im Windkanal, im Flugzeugsystemsimulator,
im Leichtbaulabor oder im Fahrzeuglabor teilnehmen
konnten. Weitere Informationen und Veranstaltungstermine gibt es unter www.faszination-fuer-technik.de und
www.technik-fuer-kinder.net.
Girls’ and Boys’ Day
Der „Girls’ and Boys’ Day“ fand bundesweit am
26. April 2012 statt. Auch an der HAW Hamburg konnten
Mädchen und Jungen von 11 bis 14 Jahren in verschiedene
Berufe schnuppern, die traditionell vor allem vom anderen Geschlecht ausgeübt werden. Die HAW Hamburg gab
Jungen die Gelegenheit, die Berufsbereiche Pflege, Kinderbetreuung, Gestaltung und Life Sciences kennenzulernen.
Den Mädchen wurden technische und naturwissenschaftliche Berufe nähergebracht. So wurden ihnen an zwei Flugzeugsystemsimulatoren des Departments Fahrzeugtechnik
und Flugzeugbau die Abläufe in einem Flugzeugcockpit
erläutert. Auch wurde gezeigt, warum ein Hubschrauber
fliegt und wie er gesteuert wird.
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Studiengebühren
Die SPD setzt eines ihrer Wahlversprechen um und
schafft die allgemeinen Studiengebühren zum Wintersemester 2012/2013 in Hamburg ab. Zunächst wurden 2007
die Studiengebühren in Hamburg auf 500 Euro pro Semester festgesetzt und 2008 auf 375 Euro reduziert.
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RUBRIK
titel des artikels (gekürzte version)
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Pro Technicale
Die HAW Hamburg beteiligte sich 2011 mit dem Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau am Studienvorbereitenden Jahr „Pro Technicale - Frauen und Technik, Luft-/
Raumfahrt, erneuerbare Energien“. Das umfassende Programm richtet sich an Abiturientinnen, die gute Noten in
den Naturwissenschaftlichen Fächern haben und sich auf
das technische Studium vorbereiten möchten.
HAW auf Marsmission
Am 06. August 2012 ist der NASA-Roboter „Curiosity“
planmäßig auf dem Mars gelandet. Nicht nur die NASA
hatte durch die Landung des Marsrovers allen Grund zum
Jubeln, sondern auch 40 Studierende und vier Professoren des Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau der HAW Hamburg. Denn mit „Curiosity“ sind auch
die digitalen Unterschriften der Studierenden und Professoren auf dem Mars gelandet. Diese wurden in den Jahren 2008 und 2009 auf der USA Exkursion in einer Dokumentenmappe des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der
NASA in Pasadena (Kalifornien) hinterlegt, eingescannt und
dem Rover übermittelt.
Die alljährliche 14-tägige USA Exkursion führt quer
durch die USA und bietet jede Menge Highlights für die
Studierenden. Renommierte Universitäten, Luft- und Raumfahrt- sowie Fahrzeugunternehmen, Entwicklungsfirmen
und Designbüros werden jedes Jahr besucht. So konnten die
Studierenden bis 2011 die Montage des Marsrovers live miterleben und sich mit ihren Unterschriften verewigen.
zugänge
Prof. Dr.-Ing. Eiris Schulte-Bisping ist seit dem 1. März
2012 Professorin am Department F+F und lehrt die
Fächer Finite Elemente mit Labor, Statik, Festigkeitslehre
und Dynamik (TM 1-3). Prof. Dr.-Ing. Schulte-Bisping
hat an der Leibniz Universität Hannover Bauingenieurwesen studiert und promovierte ebenfalls in Hannover
im Fachbereich Maschinenbau. Von 2007 - 2012 war
sie bei dem Unternehmen Germanischer Lloyd AG in
Hamburg tätig.
Prof. Arne Freytag ist seit dem Sommersemester 2012
Professor für CAD und Karosseriekonstruktion. Zu seinen Aufgaben gehören im Grundstudium die Fächer
Darstellende Geometrie und CAD Grundkurs, im Hauptstudium die Fächer der Karosseriekonstruktion sowie
CAD im Flugzeugbau. Er hat sein Studium 1995 am
Departement F+F mit dem Schwerpunkt Karosseriekonstruktion abgeschlossen und seitdem als selbstständiger
Ingenieur für die Automobil- und Flugzeugbauindustrie
gearbeitet.
Prof. Jan Friedhoff unterrichtet seit dem 1. Mai 2012
am Department F+F in den Fächern Strak, Package und
Ergonomie, Darstellende Geometrie und Freihandzeichnen. An der TU Braunschweig studierte er Maschinenbau in der Fachrichtung Konstruktionstechnik und hat
sich in den Bereichen Strak und Gesamtfahrzeugentwicklung bei IVM Automotive und bei der Volkswagen
AG im Strak und in der Konzeptentwicklung eingebracht.
Prof. Dr.-Ing. Jens Marsolek lehrt seit 01.10.2011
im Department F+F die Fächer Strukturkonstruktion
und simulationsbasierte Karosserieentwicklung sowie
Mathematik. Seine Schwerpunkte liegen in der Strukturmechanik von Leichtbaustrukturen und der numerischen Simulation. Prof. Dr.-Ing. Marsolek studierte
Luft- und Raumfahrttechnik an der TU Berlin und an
der RWTH Aachen, promovierte 2002 am Institut für
Leichtbau der RWTH Aachen und hat bis 2011 unterschiedliche Funktionen bei Dassault Systemes/SIMULIA.
Zuletzt war er dort im Umfeld der Automobilindustrie
tätig.
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Markus Linke lehrt seit dem
Sommersemester 2012 die Fächer Technische Mechanik
und Festigkeit im Leichtbau. Er studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der RWTH Aachen, wo er am Institut
für Leichtbau promovierte. Von 2006 bis 2010 leitete er
den Competence Center Automotive Technologies der
TWT GmbH Science & Innovation. Anschließend war er
Leiter des Bereichs Faserverbundtechnologie am Institut
für Textiltechnik der RWTH Aachen, wo textile Technologien für die Produktion von Faserverbundwerkstoffen
erforscht und entwickelt werden.
Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Kletschkowski lehrt seit dem Sommersemester 2012 Technische Mechanik und Angewandte Schwingungslehre
am Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau. Er studierte an der
TU Berlin Physikalische Ingenieurswissenschaften und promovierte an der
Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg, an der er zudem Oberingenieur
und Privatdozent im Fachbereich Maschinenbau war.
in eigener sache
CCNF Broschüre
Im Wintersemester 2012 erstellt die Redaktion eine Broschüre zum Competence Center Neues Fliegen, die zum
Jahreswechsel 2012/2013 erscheinen wird. In der Broschüre
werden verschiedene Projekte des Forschungsschwerpunktes Flugzeugbau des Departments Fahrzeugtechnik
und Flugzeugbau vorgestellt.
Die Redaktion begrüßte dieses Jahr im Team neue Redaktionsmitglieder.
Neu im Team ist Kimberly Dippel, 1. Semester Flugzeugbau (Master).
Zudem erhielt die Redaktion bei dieser Ausgabe Unterstützung von Jana
Büttner, 2. Semester Fahrzeugbau, Serdar Yildiz, 3. Semester Fahrzeugbau,
und Erik Holznagel, 5. Semester Fahrzeugbau.
Weiterhin ist die Redaktion auf der Suche nach neuen Mitgliedern, die von
den Erfahrungen der älteren mobiles-Generationen im alltäglichen Redaktionsbetrieb profitieren und Aufgaben eigenverantwortlich und kreativ
übernehmen können.
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impressum
ausgabe 2012/2013
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Kimbe
Seba
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Herausgeber
Redaktion mobiles
Layout, Redaktion und Kundenbetreuung
Kirstin Ablett
Jana Büttner
Kimberly Dippel
Sebastian Donath
Erik Holznagel
Theresa Sittel
Serdar Yildiz
Lektorat
Büro für Lektorate und Übersetzungen, Dieter
Schlichting, Hamburg, www.ds-lektorat.de
Kirs tin
Druck
creo Druck & Medienservice GmbH, Bamberg
Erscheinungsweise
Einmal jährlich, jeweils zum Wintersemester
Auflage
8000 Exemplare
Abonnement
mobiles wird Fachlesern kostenlos zugestellt.
Abonnements können per Brief oder Fax, per
E-Mail ([email protected]) oder über die
mobiles-Website bestellt werden.
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Artikel geben nicht unbedingt die Meinung der
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mobiles – Fachzeitschrift für Konstrukteure
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Jana
Inserentenverzeichnis
WS Atkins International Ltd. ……………
BMW Group ………………………………
csi entwicklungstechnik GmbH …………
EDAG GmbH & Co. KGaA ………………
GFI mbH ……………………………………
Lufthansa Technik AG ……………………
TECCON Consulting & Engineering GmbH…
Verlag Visueller Medien GmbH …………
Horst Witte Gerätebau Barskamp KG ……
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Vernetztes Engineering
MEIN WEG: EINMALIG
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