Maschinengestaltung und Konstruktionstechnik

Maschinengestaltung und KonstruktionstechnikMachine and Engineering Design

InhaltsverzeichnisTable of Contents

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Introduction

Tribology– Lifetime of machine elements

– Lubricants and boundary layers

Off-highway drivetrain technology– Variable transmissions

– Vehicle and system modeling

– Electrical drive technology

Drive technology– Physical system models for product life cycle

– Damaging vibrations and NVH

Product lifecycle management & virtual product development – Method and data integration

– Product, process and tool reengineering –

Integralapproachforefficientrationalization

–Digitalizationstrategyandimplementationcontrolling

Engineering design methodology– Exploring technical solution spaces

– Mastering product variance

Eco-design / Multi-material systems– Eco-design

– Multi-material systems

Vorwort

Tribologie– Lagertechnik

–SchmierstoffeundGrenzschichten

Off-Highway-Antriebstechnik– Stufenlose Getriebetechnik

–Fahrzeug-undSystemmodellierung– Elektrische Antriebstechnik

Antriebstechnik– Physikalische Systemmodelle

fürdenProdukt-Lebenszyklus

– Schädigende Schwingungen und NVH

Product Lifecycle Management & Virtuelle Produktentwicklung– Methoden- und Datenintegration

–Produkt-,Prozess-undTool-Reengineering–GesamtheitlicherAnsatzzureffizienten

Rationalisierung

– Digitalisierungsstrategie und Einführungscontrolling

Konstruktionsmethodik– Erschließung technischer Lösungsräume

–BeherrschungvonVarianz

ECO-Design / Multimaterialsysteme– ECO-Design

– Multimaterialsysteme

Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung | 3

Liebe Leserinnen und Leser,Dear readers,

bei der Gestaltung und Auslegung von Maschinen und Anlagen greifen wir auf immer leistungsfähigere Modelle zurück, die künftig mehr denn je zum integralen Bestandteil der Methoden und Prozesse der Produktentwicklung werden müssen. Die Gründe dafür liegen in der entwicklungsbegleitenden Genese der Modelle und ihrer zunehmenden Ver-wendung in den weiteren Lebenszyklusphasen der Produkte (Industrie 4.0).

when designing and sizing machines and systems, we resort to increasingly more power-ful models, which now, more than ever, must form an integral part of future product deve-lopment methods and processes. The reasons for this lie in the genesis of models during development and their increasing use in further life cycle stages of products (Industry 4.0).

Um diese Herausforderungen zu meistern, wurden das Institut für Maschinengestaltung (IME) und das Institut für Konstruktionstechnik (IKT) der RWTH Aachen University zusam-mengeführt. Ich freue mich, Ihnen heute erstmals eine Broschüre des neuen Institutsver-bundes präsentieren zu können.

The Institute for Machine Design (IME) and the Institute for Engineering Design (IKT) have now merged at RWTH Aachen University to overcome such challenges. Today, I am plea-sed to present a brochure for the new joint institute to you for the first time.

Das Institut für Maschinengestaltung forscht auf dem Gebiet der Maschinenelemente und Antriebsstränge und entwickelt – häufig in Kooperation mit Industrieunternehmen – in-novative Lösungen. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung der funktionalen Perfor-mance, des Gebrauchsdauerverhaltens und der Energieeffizienz. Über mehrere Jahrzehn-te sind Simulationsmethoden und Modellbibliotheken entstanden, die sich insbesondere in den Anwendungen Off-Highway-Maschinen, Bahnantriebe, elektrische PKW und Industrieanlagen vielfach bewährt haben. Die individuell erzielten Berechnungsergebnisse können umfassend auf den Prüfständen des IME abgesichert werden.

The Institute for Machine Design carries out research into machine elements and power-trains and develops innovative solutions, often in cooperation with industrial enterprises. This research and development focuses on improving functional performance, service life behaviour and energy efficiency. Simulation methods and model libraries have emerged over several decades, proving their worth many times over, particularly in off-highway machines, traction drives, electric cars and industrial plants. The individually yielded calcu-lation results can be thoroughly corroborated on the IME’s test benches.

Das Institut für Konstruktionstechnik erforscht Methoden und Prozesse der digitalen Pro-duktentwicklung. Die entwickelten Methoden werden am IKT im Sinne des Model Based Systems Engineering und Product Lifecycle Managements aggregiert und in aktuelle Engineering-IT und Wissensmanagement-Systeme integriert. Besondere Anwendungs-schwerpunkte der Konstruktionstechnik liegen auf Produkt-Baukästen, Multimaterialstruk-turen und Produkt-Ökobilanzen.

Vorwort

Introduction

4 | Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung

The Institute for Engineering Design (IKT) researches digital product development methods and processes. The IKT brings together the developed methods under model-based systems engineering and product life cycle management, integrating them into current engineering IT and knowledge management systems. Engineering design applica-tions centre on product modular systems, multi-material structures and product life cycle assessments.

Eine aktuelle Übersicht zu den Forschungsaktivitäten beider Institute haben wir für Sie in dieser Broschüre zusammengestellt.

We have compiled a current overview of research activities at both institutes for you in this brochure.

Turnusgemäß erfolgt der Transfer der Forschungsergebnisse durch das Antriebstechni-sche Kolloquium (ATK), das Konstruktionstechnische Kolloquium (KT) und halbjährliche Industrieworkshops des Centers for Mobile Machinery (CMM) und des Centers for Wind Power Drives (CWD). Insbesondere letztere ermöglichen durch den Industriedialog die Berücksichtigung drängender Fragestellungen in der Forschungsroadmap der Institute.

Research results are shared at scheduled events, consisting of the Drive Train Technology Conference, the Engineering Design Conference and the twice-yearly industry workshops at the Center for Mobile Machinery (CMM) and the Center for Wind Power Drives (CWD). The latter, in particular, ensure that urgent issues are incorporated into the institutes’ research roadmap thanks to dialogue with industry.

Zur Teilnahme an unseren Konferenzen und Workshops laden wir Sie herzlich ein. Nähere Informationen zu diesen Veranstaltungen und den Instituten finden Sie auf unseren Inter-netseiten unter www.ime.rwth-aachen.de und www.ikt.rwth-aachen.de

We warmly invite you to attend our conferences and workshops. You will find more de-tailed information on these events and the institutes on our websites at https://www.ime.rwth-aachen.de/1/home/ and http://ikt.rwth-aachen.de/en/ikt/

Ich wünsche Ihnen eine interessante Lektüre.I hope you enjoy reading this brochure.

Georg Jacobs


Für die Lebensdauer von Maschinenelementen wie Wälz- und Gleitlagern sowie Freiläufen sind die von den Betriebsbedingungen beeinflussten Wechselwirkungen zwischen dem Schmierstoff und den Kontaktkörpern ausschlaggebend. Dabei kann die Lebens-dauer bisher nur für wenige Schadensarten und Lagerdimen-sionen mit ausreichender Sicherheit vorhergesagt werden. Bei ausführlich erforschten Schadensarten wie der Ermüdung kann mit etablierten Auslegungsrichtlinien eine grundlegende Prognose der Lebensdauer erfolgen. Bei Gleitlagern erfolgt die Auslegung jedoch auf Basis statischer Werkstoffkennwerte, was dazu führt, dass das Potential des ausgelegten Lagers nicht komplett aus-genutzt wird. Auch bei der Prognose der Wälzlagerlebensdauer ist eine gezielte Berücksichtigung lokaler Werkstoffeigenschaften nicht gegeben. In Forschungsprojekten am IME wurden daher Me-thoden zur Prognose der Lebensdauer des Maschinenelements unter Berücksichtigung lokaler Werkstoffeigenschaften erforscht. So konnten für Radial- und Axialgleitlager Modelle zur Prognose der Dauerfestigkeit von Gleitlagern unter Berücksichtigung lokaler Spannungszustände im Werkstoff abgeleitet werden. Die neuen Modelle erlauben eine Erweiterung der bisherigen Auslegungs-grenzen um bis zu 100 %. Aktuelle Forschungsaktivitäten dienen der Erweiterung der Modelle, sodass lokale Werkstoffphasen der üblicherweise inhomogenen Gleitlagerwerkstoffe wie beispiels-weise Weißmetall in die Prognose einfließen können. Im Bereich der Lebensdauerprognose von Wälzlagern werden in aktuellen Forschungsprojekten insbesondere für Großwälzlager Methoden erarbeitet, um lokale Werkstoffeigenschaften berücksichtigen zu können. Insbesondere für Großwälzlager (Durchmesser bis zu sechs Metern) können somit bereits Inhomogenitäten (Einschlüsse) sowie Eigenspannungen (durch Randschichthärten) berücksich-

The lifetime of machine elements such as freewheels and rolling and journal bearings is mainly determined by the interaction be-tween the lubricant and contact surfaces. At present, an accurate prognosis of the lifetime can only be indicated for a few damage types and bearing dimensions. Established methods are able to give a basic prognosis of lifetime for well-document types of damage, such as fatigue. However, in the case of journal bearings, prognosis is provided with high safety margins and using static material parameters. Lifetime prognosis for rolling bearings does not allow local material properties to be included either. Research projects at the IME are developing methods for lifetime prognosis for machine elements which take local material properties into account. A study in cooperation with research partners in material science derived methods to predict fatigue strength in axial and radial sliding bearings while taking local stresses in the material into account. The new models allow stress limitation to increase by up to 100 %. Local material properties, such as phases of mostly inhomogeneous sliding bearing materials, are being implemented in models in current research activities. As far as lifetime progno-sis for rolling bearings is concerned, current research projects at the IME aim to include local material properties. Inhomogeneities (inclusions) and residual stresses (caused by surface hardening) can be taken into account, especially for large bearings (diameters up to six meters). These extended methods can identify critical local conditions in machine elements during the dimensioning process. In the future, these results may be used in combination with condition monitoring methods to assess the remaining lifetime of machine elements.Sensors have been developed to assess wear behaviour in rolling and journal bearings on the basis of electrical contact resistance

Lifetime of machine elements

TribologieTribology

In der Tribologie werden das Verschleiß- und das Reibungs-verhalten von Maschinenelementen erforscht. Das Ziel dieser Erforschung ist die Ableitung von verbesserten Methoden, um Lebensdauer und Reibungsverluste zu prognostizieren. Außerdem ermöglicht das Verständnis grundlegender Verschleiß- und Rei-bungsmechanismen eine Einflussnahme auf die Lebensdauer und die Effizienz durch Modifikationen von Oberflächen und Schmier-stoffen. Am IME werden diese Zusammenhänge schwerpunktmäßig an Wälz- und Gleitlagern erforscht, die die am häufigsten eingesetz-ten Lagerungen in Maschinen und Anlagen darstellen.

Lagertechnik

Tribology involves the study of wear and friction behaviour in machine elements to develop improved methods for lifetime and friction prognosis for applications. The understanding of the underlying wear and friction mechanisms increases lifetimes and efficiency thanks to modifications to surfaces and the lubricant.Current research activities at the IME centre on rolling and sliding bearings, the bearings most frequently used in machines.


and thermoelectric voltage signals. These sensors allow online monitoring of safe wear protection. Condition monitoring provides an assessment of the risk of failure in machine elements in con-nection with improved methods for lifetime prognosis.The IME is also conducting research into damage mechanisms which are not taken into account in current dimensioning guide-lines at present. The focus includes aspects such as wear, micro pitting, hardening by overheating and white etching cracks (WEC). Increasingly more systems failures are observed far earlier than the calculated lifetime as a result of WEC. The IME research projects on this phenomenon aim to gain understanding of the damage mechanism, so that test methods can be established – there is currently a lack of such methods – and the risk of WEC can be assessed under real load conditions. The IME is able to evaluate single influencing factors (such as slip and electrical current) effici-ently on model test rigs, such as a 2-disc test rig. Real load collec-tives and bearings of real size are currently being used to develop test guidelines for assessing the risk of WEC in rolling bearings, especially bearings in wind energy turbine gear boxes.

tigt werden. Durch die erweiterten Methoden können so lokale kritische Zustände in den Maschinenelementen bereits im Ausle-gungsprozess bewertet werden. Die Forschungsergebnisse sollen zukünftig in Kombination mit Methoden zur Zustandsüberwachung zur Restlebensdauerbewertung von Maschinenelementen genutzt werden. Zur Bewertung des Verschleißverhaltens von Wälz- und Gleitlagern wurden am IME Sensoren auf Basis des elektrischen Kontaktwi-derstands beziehungsweise von thermoelektrischen Spannungen entwickelt. Diese erlauben eine online-Überwachung im Lager und zeigen sicher an, ob ein Verschleißschutz gegeben ist. Die Zustandsüberwachung in Verbindung mit erweiterten Modellen zur Lebensdauerprognose erlaubt die Bewertung des Ausfallrisikos von Maschinenelementen in Anlagen. Weiterhin werden am IME Schädigungsvorgänge erforscht, die derzeit nur bedingt in Auslegungsrichtlinien Beachtung finden. Hierzu zählen Verschleiß, Graufleckigkeit, Neuhärtung und White Etching Cracks (WEC). Insbesondere im Zusammenhang mit WEC kommt es weit vor der errechneten Lebensdauer zu vermehrten Systemausfällen. Ziel der Forschungsprojekte zu diesem Scha-densphänomen ist die Erweiterung des Verständnisses, um derzeit fehlende Prüfmethoden ableiten sowie das Risiko des Schadens-eintritts unter möglichst realen Betriebszuständen bewerten zu können. So können am IME einzelne Einflussgrößen (u. a. Schlupf, Stromdurchgang) auf Modellprüfständen (u. a. 2-Scheiben-Prüf-stand) effizient getestet werden. Die Ableitung von Prüfrichtlinien zur Bewertung des WEC-Risikos in Wälzlagern (insb. Wälzlager in Windenergiegetrieben) erfolgt im Rahmen aktueller Forschungs-tätigkeiten unter Nutzung von realen Lastkollektiven und Lagern realer Baugröße.

Prognose des Schadensortes im Werkstoffgefüge von Gleitlagern

Prognosis of damage location in material structure of journal bearings


Schmierstoffe und Grenzschichten

Die Lebensdauer und Effizienz von Maschinenelementen werden neben den Werkstoffeigenschaften auch maßgeblich durch die Schmierstoffeigenschaften beeinflusst. Entscheidend sind dabei die Fähigkeit des Schmierstoffs, einen trennenden Schmierfilm auszubilden, und das Vermögen des Schmierstoffs, die Maschi-nenelemente durch physikalisch-chemische Wechselwirkungen mit den Kontaktoberflächen vor Verschleiß zu schützen. Die Inter-aktion zwischen Schmierstoff und Oberfläche ist bei einer unzu-reichenden Schmierfilmausbildung entscheidend für den sicheren Betrieb. Für die Prognose der Schmierfilmausbildung und der damit einhergehenden Reibung ist eine umfassende Charakterisierung der Schmierstoffeigenschaften erforderlich. Dazu steht am IME eine gut ausgebaute Prüfstandsinfrastruktur zur Verfügung. Eine vergleichende Bewertung von unterschiedlichen Schmierstof-fen kann für die hochbelasteten Kontakte von Wälzlagern am Kugel-Scheibe-Tribometer erfolgen. Ein integriertes Messsystem ermöglicht die Bestimmung der Schmierfilmhöhe mittels hochauf-lösender optischer Interferometrie und damit die Beurteilung eines verschleißsicheren Betriebs in der Anwendung. Insbesondere der Trend zu niedrigviskosen Schmierstoffen, u. a. zur Verringerung der Planschverluste in Getrieben, macht diese Bewertung zur Vermei-dung von vorzeitigen Ausfällen der Maschinenelemente erforder-lich.Im Hochdruck-Viskosimeter des IME kann temperatur- und druckabhängig die Viskosität bis 8.000 bar gemessen werden. Die so ermittelten Schmierstoff-Kenngrößen fließen als Eingangspara-meter in Berechnungsmodelle für die Schmierfilmausbildung ein, die andernfalls auf Näherungswerten basieren würden. Für den Anwender wird so eine verbesserte Prognose der Schmierfilmaus-bildung geschaffen.Am IME werden aktuell weiterhin Simulationsmodelle zur Prognose des Schmierstoffverhaltens im gesamten Maschinenelement unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen entwickelt. Diese erlauben die Vorhersage der Schmierstoffverteilung und Reibungs-verluste im Wälzlager. Zukünftig sollen mit Hilfe dieser Modelle geeignete Vorgehensweisen für die Schmierung von Maschinen-elementen abgeleitet werden, die dem Anwender die Auslegung von Schmierstellen und Nachschmierintervallen erleichtern. So wird durch das Zusammenwirken dieser experimentellen und simulativen Methoden bereits im Auslegungsprozess die Auswahl der Schmierstoff-Maschinenelement-Kombinationen, die auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt sind, eingegrenzt.Kann aufgrund der Betriebsbedingungen einer Maschine ein aus-reichender Schmierfilmaufbau nicht immer gewährleistet werden, liegt ein erhöhtes Verschleißrisiko vor. In hochbelasteten Kontakten wie im Wälzlager führen physikalisch-chemische Wechselwir-kungen zwischen den Schmierstoffkomponenten (insbesondere Additiven) und den kontaktierenden Oberflächen zur Bildung von

Lubricants and boundary layers

Besides material properties, the lifetime and efficiency of machine elements are significantly influenced by lubricant properties. An essential consideration in this respect is the lubricant’s capacity to form a fluid film and the ability of the lubricant to ensure wear protection for the machine element through physical-chemical interaction with contact surfaces. Lubricant-surface interaction is crucial when sufficient separation of surfaces is not provided by the lubricant itself. A comprehensive definition of the lubricant’s properties is needed to provide a prognosis for fluid film formation and subsequent friction. A wide variety of test capabilities are available at the IME for this purpose. A ball-on-disc tribometer can be used to give a differentiating assessment of different lubricants in terms of fluid film formation and subsequent friction. An integrated measuring system determines the thickness of fluid film with a high-resolution optical interferometry, thus providing an evaluation wear safety for the application. The trend in low viscosity lubricants (e. g. for reduction churning losses in gear boxes) in particular requires measurement of the ability of such oils to form a lubrication film to an adequate thickness. The temperature and pressure dependency of viscosity can be measured up to 8,000 bar in the high pressure viscosimeter at the IME. The derived lubricant parameters can be used as input parameters, otherwise based on approximated values, in calcula-tion models for fluid film build-up. This enables the user to derive a better prognosis for fluid film formation.Simulation models are currently being developed at the IME which allow a prognosis for lubricant behaviour in the entire machine ele-ment while taking into account the surrounding conditions. These models can be used to predict lubricant distribution and frictional losses in rolling bearings. In the future, the models will be able to develop suitable lubrication procedures, helping the user to deter-mine positions and time intervals for optimised lubricant supply.The use of experimental and simulative methods allow lubricant-machine element combinations to be selected which are matched to the application for reliable lubrication film formation.In some applications, a sufficient lubrication film thickness cannot be ensured due to critical operation conditions, which leads to a high risk of wear. In contacts subject to high load, such as rolling bearings, physical-chemical interactions between lubricants, es-pecially additives, and surfaces, produce thin covering layers (< 100 nm). These so-called boundary layers prevent a direct steel-to-steel contact and minimise or even eliminate wear. The forma-tion and effect mechanisms of the layers are subject to ongoing research activities at the IME. Studies recently identified a correla-tion between operational conditions and the additive concentration required in the oil, allowing researchers to determine the minimum sufficient additive concentration for layer formation. The research results help the user to choose an operation-dependent additive


dünnen Schichten (< 100 nm). Diese verhindern einen direkten Stahl-Stahl-Kontakt und verringern dadurch den auftretenden Verschleiß. Die Bildung dieser sogenannten Grenz-schichten und deren Wirkung ist aktuell Gegenstand mehrerer Forschungsvorhaben am IME. So konnte ein Zusammenhang zwischen den Betriebsbedingungen und der Additiv-konzentration hergestellt werden. Dieser Zusammenhang besagt, wie hoch die Additiv-konzentration sein muss, um die im Wälzlager notwendige schützende Schichtbildung zu erreichen. Die Forschungsergebnisse erlauben dem Anwender die betriebspunktabhän-gige Bestimmung der minimalen Additivkonzentration und so einen ressourceneffizienten Anlagenbetrieb.Nach einmaliger Bildung einer Grenzschicht können Wälzlager auch ohne eine Erhöhung der Additivkonzentration unter äußerst verschleißkritischen Zustände betrieben werden. Die zukünftigen Ziele sind die Ableitung geeigneter Einlaufprozesse für Maschinen und die Synthese maßgeschneiderter Grenzschichten in Maschinenelementen bereits vor dem Betriebseinsatz. Dies soll dem Anwender die Verwendung von unadditivierten Schmier-stoffen ermöglichen.

KontaktDipl.-Ing. Gero Burghardt, M.Sc.BereichsleiterTel.: +49 241 - 80 95 [email protected]

concentration for resource-efficient machi-ne operation. Once the layers are formed, rolling bea-rings can be operated under extremely wear-critical conditions without needing to increase the additive concentration. In the future, research will aim to establish suita-ble running-in parameters for machines and the synthesis of customised boundary layers in machine elements before ope-ration, thus enabling the user to apply additive-free lubricants.

PrognosevonSchmierfilmbildungund

GrenzschichtinWälzlagern

Prognosisoflubricationfilmand

boundary layers in rolling bearings


Die stufenlose Getriebetechnik in mobilen Arbeitsmaschinen, verbessert zum einen den Fahrkomfort und erlaubt eine präzise-re Prozessführung, sie ermöglicht zum anderen aber auch eine Steigerung der Produktivität und der Effizienz, da die Leistung des Verbrennungsmotors besser ausgenutzt wird. Zur Anwendung kommende, stufenlose Variatoren können mechanisch, hydrau-lisch oder elektrisch ausgeführt werden. Um die unterschiedlichen Variatortechnologien ideal an die Anforderungen aus der Trakti-onsaufgabe anzupassen, bietet sich deren Integration in leistungs-verzweigende Getriebestrukturen an.Die Forschung des Institutes konzentriert sich in diesem Bereich auf die anwendungsspezifische Struktursynthese leistungsverzwei-gender Antriebe, deren Effizienzbewertung und deren Steuerung

In mobile machines, continuously variable transmission technology enhances driving comfort, allows more precise process control and provides improvements in productivity and efficiency through better utilisation of engine power. The continuously adjustable variators used may be mechanical, hydraulic or electrical Integra-tion into power split transmissions is a key approach to adjusting the specific characteristics in different variator technologies for the required traction task.In the field of continuously variable transmission technology, the IME focuses its research activities on customised structure synthe-sis of power split transmissions, their efficiency evaluations and the optimisation of control systems for improved dynamic behaviour. A publically funded project, for example, is developing a power split

Stufenlose Getriebetechnik

Variable transmissions

Off-Highway-AntriebstechnikOff-highway drivetrain technology

Der Bereich Off-Highway-Antriebstechnik befasst sich mit der Analyse und Optimierung der Energieeffizienz, Fahrdynamik und Zuverlässigkeit von Antriebssträngen mobiler Arbeitsmaschinen. Hierzu greift der Bereich auf die grundlegenden Werkzeuge der Antriebstechnik, Tribologie und Konstruktionstechnik zurück und bringt diese anwendungsnah zum Einsatz.

The Off-Highway-Drivetrain Technology research group focuses on the analysis and optimisation of the energy efficiency, driving dyna-mics and reliability of drivetrains used in mobile machinery. Basic tools in the fields of drivetrain technology, tribology and enginee-ring design are used in a product-oriented way for this purpose.

EinflussgrößenbeiderSyntheseleistungsverzweigenderGetriebe

Influencingfactorsforthesynthesisof power split transmissions


Fahrzeug- und Systemmodellierung

Vehicle and system modeling

Die Basis zur Bewertung und Optimierung von Antriebskonzepten wird auch im OH-Bereich von validierten Berechnungsmodellen für Antriebsstrangkomponenten und komplette Fahrzeuge gebildet. Ein Beispiel dafür stellen die Arbeiten aus dem TEAM-Projekt »Grüner Radlader« dar, in dem am IME zur Betriebsstrategieent-

zur Optimierung des dynamischen Betriebsverhaltens. So wird beispielsweise im Rahmen eines öffentlich geförderten Projekts ein leistungsverzweigendes Getriebe mit mechanischem Variator als kostengünstige Alternative für mobile Arbeitsmaschinen kleiner Leistungsklasse entwickelt. Die Struktursynthese und -optimierung erfolgt hierbei mittels multikriterieller Optimierungsverfahren. Diese Optimierungsverfahren verwendet das IME darüber hinaus auch zur zielgerichteten Einstellung der umfangreichen Steuerungspa-rameter stufenloser Getriebe. Dadurch wird eine automatische Inbetriebnahme z. B. von hydraulisch-mechanischen Leistungsver-zweigungsgetrieben ermöglicht.

transmission with a mechanical variator as a cost-efficient alterna-tive for small mobile machines. The synthesis and its optimisation are based on multi-criteria optimisation algorithms. These algo-rithms are also used to determine the optimised parameterization of control systems for variable transmission. This way, an automa-tic commissioning can be achieved for systems such as hydraulic-mechanical power split transmissions.

Validated simulation models of drivetrain components and vehicles are the basis for evaluating and optimising drive train concepts. An example for this is the »Green wheel-loader« team project, in which a simulation model of a hybrid power split transmission on a wheel loader has been created to develop intelligent control strategies.

GrünerRadladeraufdem1-MW-Verspannungsprüfstand

Green wheel loader on the 1 MW dynamometer


wicklung ein hybrider, leistungsverzweigender Fahrantrieb eines Radladers simulativ abgebildet wurde. Das Modell wurde am Prüfstand validiert und erlaubt damit eine Bewertung der Ener-gieeffizienz in Abhängigkeit der Fahraufgabe und der gewählten Betriebsstrategie.Darüber hinaus entwickelte das IME gemeinsam mit vier weiteren Forschungsstellen ein modulares Verlustmodell für einen Hybrid-bagger. Dieses Modell erlaubt eine detaillierte Analyse aller vorhan-denen Verluststellen im Antriebsstrang (elektrisch, mechanisch, hydraulisch, thermodynamisch) und ermöglicht eine zielgerichtete Effizienzoptimierung des Systems. So wurde beispielsweise der Einfluss unterschiedlicher Speichersysteme (SuperCap, Li-Ion-Bat-terie), unterschiedlicher Verbrennungsmotoren und unterschiedli-cher Betriebsstrategien untersucht und der sich daraus ergebende Kraftstoffverbrauch bewertet. Dabei wurde gezeigt, dass durch die Verwendung eines elektrischen Schwenkantriebs mit Rekuperati-onsmöglichkeit und entsprechend angepasster Betriebsstrategie ein Downsizing des Verbrennungsmotors und eine Kraftstoffein-sparung im zweistelligen Prozentbereich möglich sind.Neben der Effizienzbetrachtung liegt ein besonderer Fokus der Arbeitsgruppe auf der Zuverlässigkeitsanalyse von Antriebssyste-men. Aktuell wird im Rahmen eines internationalen Forschungs-projekts die Zuverlässigkeit eines hydraulisch-mechanischen Offshore-Getriebes analysiert und die Restlebensdauer auf Basis global verfügbarer Sensordaten (Drehmomente und Drehzahlen der Antriebe) prognostiziert. Zur Bestimmung der lokalen Belas-tungen an den einzelnen Maschinenelementen in Abhängigkeit der globalen Lastdaten werden detaillierte MKS-Modelle eingesetzt.Für die Validierung der entwickelten Simulationsmodelle stehen der Gruppe diverse Komponenten- und Systemprüfstände, wie beispielsweise ein 1-MW-Verspannungsprüfstand, zur Verfügung.

The simulation model has been validated on a test bench and provides an energy efficiency evaluation based on the driving task and the chosen control strategy.The IME has also developed a modular loss model of a hybrid excavator in cooperation with four other research institutes. This model analyses all existing losses in drive trains (electric, mecha-nic, hydraulic and thermodynamic losses) and allows efficiency to be optimised in a targeted manner. The influence of different electrical storage systems (SuperCap, Li-Ion batteries), different engines and different control strategies has been studied, for example, with subsequent fuel consumption then determined in conclusion. The study showed that the engine can be downsized and fuel consumption reduced by more than ten percent using an electrical, recuperating swivel drive in combination with an adap-ted control strategy.In addition to efficiency research studies, the group also focuses on the reliability evaluation of entire drive systems. In the context of an international research project, the IME is analysing the reliability of a hydraulic-mechanical offshore gearbox and determining the residual lifetime based on globally available sensor data (torque and speed of the motors) only. Detailed multibody simulation models are being used to determine the local loads for all machine elements. Various test rigs are available, such as a 1 MW dynamo-meter, to validate component and vehicle models.

Elektrische Antriebstechnik

Electrical drive technology

Im Bereich der elektrischen Antriebstechnik erforscht die Off-High-way-Gruppe in Zusammenarbeit mit Instituten der Elektrotechnik das Potential elektrisch-mechanischer High-Speed-Antriebe. Die elektrische Antriebstechnik stellte bisher eine Nischenanwendung bei den mobilen Arbeitsmaschinen dar, begründet durch die derzeit geringe Leistungsdichte und den damit einhergehenden hohen Kosten. Eine Anhebung des Drehzahlniveaus kann die Leistungsdichte jedoch deutlich steigern. Im Rahmen eines Verbundprojektes wurde dies am Beispiel eines diesel-elektrischen Ackerschleppers gezeigt. Die elektrischen Maschinen und das Getriebe wurden dabei mit Drehzahlen bis zu 20.000 1/min betrieben. Da auch die mechanischen Komponenten bei einer Erhöhung der Drehzahl verstärkten Belastungen ausgesetzt sind, erforscht das IME weitergehend auch die Entwicklung von hochdrehzahlbelas-teten mechanischen Komponenten, Maschinenelementen und

In the field of electrical drive technology, the Off-Highway team works together with other institutes, investigating the potential of high-speed electric-mechanical drives. Electric drive technology is currently solely a niche application for mobile machinery due to low power density and the consequential higher costs.However, increasing the rotational speed of electrical machines can improve power density significantly. One research project managed to demonstrate an improvement for a high-speed single wheel drive in a tractor which rotates with revolution speeds of up to 20,000 rpm. The IME mainly focused on developing and testing the high-speed-stressed mechanical components and studying the complete single wheel drive. The potential of electric-mecha-nical high-speed drives was demonstrated on the test bench. The efficiency and the infinite variable speed ratio was increased compared to hydrostatic drives while still maintaining a high power density.


des Gesamtantriebs. Das Potential von elektrischen High-Speed-Antrieben wurde in Prüfstandsversuchen nachgewiesen. Diese können die Effizienz sowie den stu-fenlosen Spreizungsbereich im Vergleich zu hydrostatischen Antrieben signifikant steigern und weisen gleichzeitig eine gute Leistungsdichte auf.Ein weiterer Forschungsbereich ist die Integration der elektrischen Antriebstech-nik in leistungsverzweigende Getriebe. So wird am Institut aktuell ein elektrisch-me-chanisch leistungsverzweigendes Getriebe (eLVG) für landwirtschaftliche Anbaugeräte entwickelt. Dieses ist in der Lage, die Mo-tordrehzahl vom Arbeitsprozess zu entkop-peln, sodass die Prozessführung deutlich verbessert wird. Im Bereich der Bahntech-nik entwickelt das IME ebenfalls ein neues eLVG Getriebekonzept als Hybridantrieb für dieselbetriebene Schienenfahrzeuge. Neben einer Effizienzsteigerung ist hierbei das Ziel, auch auf nicht-elektrifizierten Strecken einen emissionsfreien Betrieb im Bahnhofsbereich zu erreichen.

The IME also carries out studies on the integration of electrical drives into power split transmissions. An electric-mechanical power split transmission for agricultural at-tachments is being developed in a current research project. This transmission is able to decouple the engine speed from the working process, allowing a more accurate process control. A new hybrid transmission concept based on an electric-mechanical power split transmission is also being de-veloped in the field of railway technology. In addition to increased efficiency, the aim is to ensure emission-free operation in the area surrounding railway stations.

KontaktAchim Feldermann, M.Sc.BereichsleiterTel.: +49 241 - 80 90 [email protected]

Elektromechanischer High-Speed-Antrieb

Electromechanical high-speed drive


Physikalische Systemmodelle, die das technische Produktverhal-ten hinreichend genau abbilden, sind bereits heute fester Be-standteil vieler Produktentwicklungen. Diese Simulationsmodelle erlauben Einblicke in das Produktverhalten, welche messtechnisch nur schwer bzw. nur unter enormem Aufwand zu erlangen wären. Bereits die Diskussion der qualitativen Ergebnisse einer Simulation kann erheblich dazu beitragen die Produktfunktion zu verstehen und die Produktperformance nachhaltig zu steigern. Beispiels-

Physical system models which represent technical product behavi-our accurately to a satisfactory extent are already form an integral part of many product development processes. A simulation model also provides insights into product behaviour, which is obtained with difficulty or at an enormous cost when measurement tech-niques are used. Merely discussing the qualitative results of a simulation can help significantly in increasing understanding of product functions and providing a sustained improvement in pro-

AntriebstechnikDrive technology

Im Ingenieurwesen treten tagtäglich Probleme auf, die daraus resultieren, dass Anforderungen an Maschinen und deren Kompo-nenten hinsichtlich Funktion, Lebensdauer oder Komfort (Körper- und Luftschall), nicht erfüllt werden. Der Bereich Antriebstechnik des IME entwickelt modellbasierte Methoden zur Vermeidung oder Lösung dieser Probleme.

Physikalische Systemmodelle für den Produkt-Lebenszyklus

Physical system models for product life cycle

Engineering faces problems on a daily basis which are caused by the fact that requirements for machines and their components regarding function, durability or comfort (body and air sound) need to be fulfilled. The IME’s drive technology division develops model-based methods to avoid or solve such problems.


weise durch die virtuelle Variation der Modellparameter können systematisch Sensitivitäten aufgedeckt werden, deren Kenntnis sehr wirksam die weitere Produktentwicklung absichern kann. Die Erfahrung in der Anwendung derartiger Systemmodelle zeigt, dass die Kombination aus messtechnischen und simulativen Methoden zielführend ist, um schnell aussagekräftige Modelle entwickeln zu können. Gelingt es schließlich reale durch virtuelle Prototypen zu ersetzen (Modeling and Simulation-Based Systems Engineering) bringt dies zusätzliche Kosten- und Zeitersparnis.Zunehmend entsteht der Wunsch schon früh im Produktentste-hungsprozess (PEP) die Umsetzbarkeit von Kundenanforderungen durch einfache physikalische Systemmodelle zu bewerten. Diese Systemmodelle können parallel zum Fortschritt im Produktent-stehungsprozess (PEP) »mitwachsen« und das Produktverhalten nahezu zu jedem Zeitpunkt seiner Lebenszyklusphasen charak-terisieren. Mit der Zeit steigt der Reifegrad des physikalischen Systemmodells. Der Umfang und die Qualität der modellbasierten Aussagen nehmen zu. Zunehmende Rechenleistungen und wach-sende Möglichkeiten aktueller Software gestatten die notwendige Erweiterung der Systemgrenzen beispielsweise durch Co-Simulati-on spezialisierter Programme. Im Bereich Antriebstechnik des IME entstehen physikalische und empirische Systemmodelle die meist auf Kombinationen verfügba-rer Verfahren wie MKS, FEM, BEM, CFD, auch unter Einbezug von regelungstechnischen Abbildungen, zurückgreifen und mit sehr unterschiedlichen Abstraktionsgraden abgebildet werden können. Ein hoher Abstraktionsgrad für ein Antriebssystem ermöglicht fun-

Unterschiedliche Abstraktionsgrade sind für jede Systemgröße möglich

Differentlevelsofabstractionforeachsystemsize

duct performance. For example, virtual variation of model parame-ters can systematically reveal sensitivities which build a knowledge base for effective protection of further product development. Experience in applying such physical system models shows that combining measuring and simulative methods is beneficial to developing meaningful models within a short period of time. If it is ultimately possible to replace real prototypes with virtual ones (mo-delling and simulation-based systems engineering), this will bring additional savings in terms of cost and time.There is an increasing desire to evaluate the feasibility of customer requirements through simple physical system models during the early stages of the product development process (PDP). These system models can »grow« in parallel to progress in the PDP and have a strong influence on product behaviour at almost any time during its lifecycle phases. The maturity of the physical system mo-del increases over time. The scope and quality of the model-based statements are expanding. An improvement in computing power and growing capabilities of the latest software allow an essential expansion to system limits – by co-simulation of specialised pro-grams, for example.The Drive Technology Department at the IME establishes physical and empirical system models which are mostly based on combina-tions of available methods such as MKS, FEM, BEM and CFD while also including control theory. These models can also be built with very different levels of abstraction. A high level of abstraction for a drive system provides reliable information on specific questions. If the degree of abstraction is reduced, the quality of information


Schädigende Schwingungen und NVH können Funktion und Le-bensdauer technischer Systeme massiv beeinflussen und werden am IME fokussiert erforscht. In der Antriebstechnik wird zwischen schädigenden und komfortrelevanten Schwingungen unterschie-den. Selbstredend schließt das eine das andere nicht aus. In der Regel wird eine Schädigung durch Akustik begleitet, allerdings führt eine akustische Auffälligkeit nicht immer zu einem Schaden beziehungsweise weist nicht immer auf einen Schaden hin. Das IME führt seit über 30 Jahren Schwingungsanalysen mithilfe verschiedener Werkzeuge durch und begleitet deren Entwicklung. An erster Stelle sind hier die zahlreichen Arbeiten rund um die Entwicklung des DREhschwingungSimulationsProgramm (DRESP) zu nennen. DRESP erlaubt die dynamische Analyse von Antriebs-strängen (z. B. konventionell oder elektrifiziert), die in der Regel für die ersten Schwingungsformen im Drehfreiheitsgrad valide ist.

Schädigende Schwingungen und NVH

Damaging vibrations and NVH

Harmful oscillations and NVH can have a massive impact on the function and lifetime of technical systems and serve as a prima-ry focus for research at the IME. We have divided vibrations in the field of drive technology into damaging and comfort-relevant vibrations, although neither actually excludes the other. Damage is generally accompanied by acoustics, but it is not always an acous tic problem that leads to damage.The Drive Technology Department has carried out analyses of vibrations for over 30 years, guiding and assisting the development of various analysis tools. Most notably are the numerous works on the development of the torsional vibrations simulation program (DRESP). This tool provides a dynamic analysis of drive trains (conventional and electrical) that is generally valid for first vibration modes in the rotational degree of freedom. Numerous developed modules for machine elements (such as gear meshes, bearings

dierte Aussagen für spezifische Fragestellungen. Wird der Abstrak-tionsgrad verringert, steigt in der Regel zwar die Aussagequalität aber auch der Daten- und Rechenzeitbedarf. Je nach Fragestel-lung bzw. Zeitpunkt im PEP ist der Bereich Antriebstechnik in der Lage, eine Modellbildungsmethode für die Komponenten oder das System mit zielführendem Abstraktionsgrad abzuleiten. Die »mitwachsenden« Modelle fließen dann in Produktdaten-Manage-mentsysteme (PDM) am IKT ein, und werden dort für das Product Life Cycle Management (PLM) genutzt.

usually improves but the data volume and the computation time often increase as well. Depending on the question or the specific point of time in the PDP, the Drive Technology Department is able to derive a modelling technique for components or the system with a goal-oriented degree of abstraction. The IKT then integrates the »growing« models into product data management systems (PDM), where they are used for product lifecycle management (PLM).

Anwendungsbeispiel Elektrischer PKW-AntriebsstrangVerschiedeneAbstraktionsgradezurDiskussionverschiedenerFrequenzbereichealsKomfortrandbedingungen

Applicationexampleshowingelectrifieddrivetrain–different levels of abstraction for various frequency ranges focused on comfort related problems


Zahlreiche entwickelte Module für Maschinen-elemente (Verzahnung, Lagerung, Kupplungen etc.) unterstützen bei der Modellbildung und erlauben die Diskussion der Interaktion der verschiedenen Komponenten. Abhängig von der Anwendung und der Fragestellung ist bei der Modellbildung oftmals eine Erweiterung der Freiheitsgrade notwendig. Aus diesem Grund werden vermehrt Mehrkörpersimula-tionsmodelle mit sechs Freiheitsgraden pro Starrkörper erstellt. Auch hier erarbeitet das IME User-Module, die in der Mehrkörpersimu-lation (MKS) zur Abbildung von Maschinen-elementen dienen. In der MKS können der Funktionsnachweis des Bewegungsverhaltens eines Systems im Raum erfolgen und die dynamischen Kräfte im Betrieb ermittelt wer-den. Diese Kräfte können bei Bedarf auf finite Elemente (FE) Modelle übertragen und zur Spannungs- und Verformungsanalyse genutzt werden. Dies setzt voraus, dass die entkop-pelte Betrachtung der Verformung des Bauteils in FE und der Kraftbestimmung durch MKS zulässig ist. Sollte dies nicht der Fall sein, so findet die elastische MKS (EMKS) Anwendung. Durch geeignete Reduktionsverfahren können FE-Bauteile in die MKS eingebunden werden, wodurch eine gekoppelte Simulation möglich wird. Dies ist nicht zuletzt für schädigende Schwingungen interessant. Diese Modellie-rungsstrategie erlaubt auch eine strukturdy-namische Betrachtung des Systems. Das konnte in kürzlich abgeschlossenen Projekten des Institutes anhand von Industriegetrieben und einem elektrifizierten PKW-Antriebsstrang gezeigt werden. Je nach Fragestellung ist der Bereich Antriebstechnik in der Lage, tief in die jeweilige Komponentenabbildung einzu-tauchen, zum Beispiel zur Berücksichtigung der Dynamik von Blechpaketen innerhalb der elektrischen Maschine oder des Einflusses des Kühlmittels. Die Systemgrenze der MKS bildet der Über-gang in den Luftschall, da sich die MKS auf die Körperschallabbildung konzentriert. Zeigt sich die Notwendigkeit einer Betrachtung im Luftschall, können die Körperschallergebnis-se der MKS-Berechnung unter Nutzung von analytischen Abstrahlungsmodellen oder unter Zuhilfenahme der FEM oder BEM (Boundary Element Method) in Luftschallgrößen umge-wandelt werden. Dieses Vorgehen erlaubt eine

and couplings) assist in the modelling process and provide debate on the interaction between the various components. Depending on the application and the problem, there is often the need to extend the degrees of freedom in mo-delling. For this reason, multi-body simulation models with six degrees of freedom per rigid body are increasingly being created. The IME also develops user modules for this application which are used to represent machine elements in MBS. MSB can demonstrate kinematic behaviour of a system in space in terms of functions and can also determine dynamic forces during operation. If required, these forces can be transferred to finite element (FE) models and used for stress/strain analysis. This assumes that it is permissible to gain a decoupled view of deformation in the compo-nent in FE and force determination in the MBS. If this is not the case, an elastic MBS approach (EMBS) is used. Suitable reduction methods can be used to integrate FE components into MBS, making a coupled simulation possi-ble. This is not only interesting for damaging vibrations. This modelling strategy also allows a structural dynamics analysis of the system as shown in recently completed projects on in-dustrial transmissions or an electrical car drive train. Depending on the problem, the Drive Technology Department is able to take a more detailed approach to the respective compo-nent representations. One example would be examining the dynamics of sheet metal stacks within an electrical machine or the influence of a coolant. The transition to airborne noise represents the system boundary for MBS, which focuses on structure-borne noise. If there is a need to examine airborne noise, the results from the MBS calculation for structural-borne noise can be converted into airborne noise values using analytical radiation models, FEM or BEM (boundary element method). The aforemen-tioned procedure thus provides a complete vibro-acoustic analysis. Recent results help especially with understanding and resolving prevalent noise, vibration and harshness (NVH) problems. Further research is required to provide exact calculation of structure-borne or airborne noise levels in drive systems since nu-merous influencing variables shape the overall acoustic pattern.


KontaktDipl.-Ing. Matthias WegerhoffBereichsleiterTel.: +49 241 - 80 95 [email protected]

vollständige vibroakustische Betrachtung. Die heutigen Ergebnisse helfen vor allem, dominant auftretende Noise-, Vibration- und Harshness- (NVH) Problematiken zu verstehen und zu lösen.Die Entwicklung der Modellbildungsstrate-gien wird am IME engmaschig von Validie-rungsschritten begleitet. Messtechnische Verfahren wie Schallintensitätsmessungen, Modal- und Betriebsschwingungsanaly-sen gehören hier zum Standard. Teilweise müssen Messkampagnen von mehr als 100 Messkanälen interpretierbar aufberei-tet werden. Anhand von Simulations- und Messergebnissen können so auf schädi-gende oder NVH-relevante Transferpfade geschlossen und diese anschließend manipuliert werden, um spezifizierte Anfor-derungen hinsichtlich Komfort oder Lasten einhalten zu können.

The development of modelling strategies at the IME – Drive Technology are generally complemented by experimental validation steps such as sound intensity measure-ments, modal testing and operating vibrati-on analysis. Measurement campaigns with more than 100 measuring channels need to be conditioned in an interpretable man-ner to some extent. It is possible to use the results from simulation and measurements to complete damaging or NVH-relevant transfer paths, and then manipulate them to meet the specification requirements with regard to comfort or loads.

18 | Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus

Der Bereich Product Lifecycle Management (PLM) und Virtuelle Produktentwicklung (VPE) am IKT integriert die Methoden der am Produktentstehungsprozess (PEP) beteiligten Disziplinen in eine durchgängige, rechnergestützte Methodik. Dabei werden die Daten und Informationen entlang des PEP in den einzelnen Phasen durch Entwicklungsmethoden und deren Prozesse in Modellen verarbeitet und weitergegeben. Die fortschreitende Digitalisie-rung ermöglicht heute eine Vernetzung der einzelnen Modelle aus Planung, Konstruktion und Simulation (Model Based Systems Engineering) und ersetzt die dokumentenbasierte Vorgehensweise.

Product Lifecycle Management & Virtuelle Produktentwicklung

The Product Lifecycle Management (PLM) and Virtual Product Development (VPD) Department at the IKT integrates different methods in the various disciplines throughout the product deve-lopment process (PDP) into a consistent, cohesive computer-aided methodology. All relevant data and information from the different PDP phases is processed and integrated using a model-based approach (model-based systems engineering). The advancing digitalization of engineering and production provides the means to link domain- and discipline-specific models coherently and thus replace document-centred product development.

Methoden- und Datenintegration

Method and data integration

Durch eine frühe Schwerpunktsetzung im Bereich der heteroge-nen Multi-CAD-Landschaften und CAE-Integration ist die durch-gängige Produktdaten- und Prozessmodellierung eine Kernkom-petenz am Institut und verbindet die Forschungsgruppen von IKT und IME. Gemeinsam werden leistungsfähige Produktdatenmodel-

PLM activities at the IKT have long focused on multi-CAD and CAE integration into engineering databases such as product data ma-nagement systems (PDMS). Product data and process modelling has thus become a core expertise at the institute, linking research groups at both the IKT and the IME. Powerful and efficient product

Modell- und Methodenintegration entlang des PEP

Method and data integration throughout the PDP

Product lifecycle management & virtual product development

Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus | 19

le und Prozessmodelle erarbeitet und für die industrielle Anwen-dung qualifiziert.Sie stellen nicht nur die Voraussetzung für einen geschlossenen Wissenskreislauf im Unternehmen dar, sondern können vielfältig in den einzelnen Phasen des Produktlebenszyklus synergetisch genutzt werden. Redundanz- und verlustfrei werden die PLM-Da-tenmodelle sowohl für die Verknüpfung unterschiedlicher CAx-Ap-plikationen in einer kohärenten Simulations- und Gestaltungskette genutzt, als auch für die Zusammenführung virtueller, hybrider und physischer Validierungsprozesse implementiert.Durch die Gestaltung von unternehmensübergreifenden Produkt-daten-, Prozess- und Rollenmodellen und die kontextsensitive CAD-Modellaufbereitung konnte für eine Vielzahl von Partnern aus dem Maschinen- und Anlagenbau die Heterogenität und Redun-danz von Datenbasen reduziert und Unternehmenswissen vernetzt werden. Dabei konnte unter anderem die Varianz unterschiedlicher Datenbanken um 67 % reduziert und einhergehend die Release abhängigen Administrationsaufwände signifikant gesenkt werden. Durch die Datenharmonisierung, Informationsverlinkung und ein rollenbasiertes Zugriffsmanagement konnten Prozesszeiten in Ar-beitsschritten mit hoher Informationsabhängigkeit in der Entwick-lung teils um bis zu 80 % verkürzt werden.

data models are developed jointly and combine the expertise of in-depth engineering simulation and method integration for industrial needs. These models are a prerequisite for implementing a closed-loop knowledge management system in companies. They also allow synergetic use of existing data for different purposes throughout product lifecycles. The benefit is a common database free from redundancy and data loss to link different CAx applications and a continuous tool chain for design and simulation, leading to the integration of virtual, hybrid and physical testing and validation.Developing cross-company product data, process and role models and context-sensitive CAD models for integrated use in different departments has reduced heterogeneity and redundancy in databases for numerous customers and partners. Operatio-nalisation of knowledge management and linking of data have significantly increased productivity. The heterogeneity of different databases was reduced by up to 67 % in our projects and had far-reaching effect on administrative workloads subject to the release. Harmonisation of data, effective linking of information and a role-based rights management reduced process step times by up to 80 %. A remarkable benefit has been achieved, especially for the different departments involved and processes with considerable information needs.

Product, process and tool reengineering – Integral approach for efficient rationalization

Produkt-, Prozess- und Tool-Reengineering – Gesamtheitlicher Ansatz zur effizienten Rationalisierung

Rationalisierungsstrategien, unter anderem das Variantenmana-gement, müssen im Gesamtkontext des Unternehmens bewertet und operationalisiert werden. Neben der Gestaltung des Produkts selbst ist die Einbindung der Maßnahmen in die Produktentwick-lungsprozesse und die Engineering-IT des Unternehmens eine Voraussetzung für eine wirtschaftliche Umsetzung und Ausschöp-fung der ermittelten Potentiale. So ist eine genaue Kenntnis der Tool- und Prozesskette an der Schnittstelle zwischen PLM-Appli-kationen und ERP notwendig. Dies ist Teil einer Analysephase, die wir parallel zur Produktrationalisierung durchführen. Der Ansatz der Referenzproduktarchitektur des IKT konnte bereits in einer Vielzahl an Projekten erfolgreich eingeführt werden. Im Mittelpunkt steht die Sicherung und langfristige Nutzung des Unternehmens-wissens, welches über die Vorentwicklung (PreBom) durchgängig in die Entwicklung (EngineeringBom) übergeht. Insbesondere ist die Harmonisierung der Entwicklungs-Produktstruktur und Stücklisten mit den Randbedingungen und Möglichkeiten des ERP-Systems eine Kernkompetenz im Bereich PLM & VPE. Die Modellkette wird derart aufgebaut, dass von Klassifizierungs- und Nummerierungssystemen über Anforderungen und bestehende Produktlösungen ein umfangreicher Wissensspeicher aufgebaut

Rationalization strategies, such as variant management, need to be considered and operationalised using an integral approach. Besides product reengineering, the related processes and engi-neering tools also need to be incorporated and aligned, so they can be implemented on a commercial basis and exploit their full potential. One relevant prerequisite is specific knowledge about the tool and process chain at the interface between PLM appli-cations and ERP systems. This analysis is carried out in parallel to product reengineering. One specific approach that the IKT uses is what is known as reference product architecture, already successfully implemented in various projects. The focus lies on capturing, managing and providing company knowledge to the respective stakeholders. One specific benefit is the integration and continuous use of the reference product architecture between preliminary development (PreBom) and engineering (Engineering-Bom). The harmonisation of the engineering product structure and BOM with respect to the ERP system’s boundary conditions is a core expertise within the PLM and VPE at the IKT. Here, the model chain is set up in a way to allow an integrated knowledge database to be developed, including classification and numbering systems, requirements and product solutions. A direct link for each product


wird, der eine Verzahnung von Produktvarianten mit ihren Prozess-spezifika verknüpft und somit eine übergreifende Konfiguration im PLM-System ermöglicht. Durch eine Kopplung mit den CAD-Modellen können so bereits in frühen Phasen verlässliche Daten vom Vertrieb generiert werden und die Kalkulationsgrundlage bei kundenindividuellen Teillösungen erheblich verbessert werden. Überdies können vertriebseigene Konfiguratoren oder von der Entwicklung entkoppelte Excel-Listen durch eine gemeinsame, validierte Datenbasis substituiert werden.

variant is set up for the corresponding variant process items and provides comprehensive configuration in a PLM system. This pro-cess also takes CAD models into account, which can be used by sales departments in the early stages of bidding processes. The models provide an increase in accuracy and reliability, even for customer-specific partial solutions. Moreover, sales-specific con-figurators or self-generated Excel sheets with decoupled product structures can be replaced by a joint, validated database.

GanzheitlicherReengineering-Ansatz

Integral reengineering approach

Digitalisierungsstrategie und Einführungscontrolling

Digitalization strategy and implementation controlling

Mit über 15 Jahren Erfahrung in der Implementierung, dem Hos-ting und der Administration von PLM-unterstützenden und eigenen PDM-Systemen für bis zu 45.000 Nutzer hat sich das IKT als ein objektiver und unabhängiger Partner für die Unterstützung von Systemeinführungen und das Einführungscontrolling in unter-schiedlichsten Branchen etabliert. Im Fokus steht die Frage: »Welche digitale Abbildungstiefe meines Unternehmens und meiner Produktentwicklung ist technisch sinn-voll und wirtschaftlich tragbar?«Als konstruktionstechnisches Institut verstehen wir die Vorgänge in den Entwicklungsabteilungen und können diese objektiv und systemneutral in Anforderungen für Einführungslastenhefte oder Digitalisierungsroadmaps überführen. Dies kann Funktionalitä-ten von einer übergeordneten Verwaltung von Familientabellen verschiedener CAD-Applikationen über die Workflowunterstützung des Datenaustauschs zwischen Service- und Entwicklungsabtei-lungen bis hin zur rollenspezifischen Integrationen von Zulieferern und Kunden abdecken. Neben einer eigenen Einführungsmethodik verfügt der Bereich PLM & VPE mit der entwickelten Capability

With more than 15 years of experience in implementing, hos-ting and administrating PLM-systems and running its own PDM systems for up to 45,000 users, the IKT has become an impartial, system-neutral partner for system consulting and implementation controlling. Our Support answers the question: »To what extent is product de-velopment digitalization technically reasonable and economically suitable for my company?«Since we are design engineers, we speak the language of product development departments and have a broad understanding of their processes. With our knowledge, we are able to effectively and objectively turn your needs into system neutral specifications for an implementation or digitalization roadmap. This includes as-pects such as management of parameter lists and CAD family ta-bles in a PDMS, workflow-based exchange of information between service (in-use data) and engineering departments or the role-specific integration of suppliers and customers. Besides an own implementation and introduction methodology, the PLM and VPD group at the IKT has also developed a tool to evaluate and quantify


Scorecard (CSC) über ein Werkzeug zur Quantifizierung der Unternehmenseig-nung und -fähigkeit für die Einführung und Nutzung von VPE-Lösungen, durchgängi-ger PDMS oder eines PLM-Netzwerkes. Die CSC basiert auf den im betriebswirt-schaftlichen Bereich weit verbreiteten Balanced Scorecards (BSC). In der Regel lässt sich die Zielerreichung nicht anhand einzelner Kriterien beurteilen, sondern stellt ein mehrdimensionales Problem dar. Aus diesem Grund umfasst die CSC fünf sogenannte »Aktivitätenmatrizen« (AM). Diese bewerteten jeweils den Reifegrad aus der Perspektive eines der von der PLM-Einführung betroffenen Bereiche »Finanzen«, »Produkt«, »Prozess«, »Orga-nisation« und »IT«. Für jedes operationale Ziel enthalten die Aktivitätenmatrizen des Weiteren Kriterien und Indikatoren, anhand derer die Zielerreichung bewertet werden kann. Darüber hinaus ist es durch die Untergliederung der Ziele in einzelne Indi-katoren möglich, gezielt Verbesserungs-maßnahmen abzuleiten. Auch während der Implementierung durch einen Systeman-bieter können wir durch ein begleitendes Controlling den Grad der Umsetzung und die Zielerreichung neutral bewerten und effektive Korrekturmaßnahmen entwickeln.

the capability of a company to use and deploy PLM and engineering-IT systems. This tool is called the Capability Scorecard and is based on the balanced score-cards (BSC) commonly used in business management. A PLM strategy cannot be addressed by merely one single criterion as it is a multi-dimensional problem. For this reason, the CSC contains five so-called »Activity Matrices« (AM), which evaluate capability and maturity from a »Finance«, »Product«, »Process«, »Organization« and »IT« perspective. Each AM comprises a set of operational targets for which different criteria and indicators are defined to per-form a quantitative evaluation. A subcategorization of the targets into spe-cific indicators allows the user to systema-tically establish meaningful improvement measures. Targets can also be used for controlling purposes during implementati-on carried out by system vendors. The degree to which specifications are fulfilled can thus be evaluated and effective correction measures can deduced and initiated.

BewertungsmodellzurEinführungs-undUmsetzungsbewertungvonPLM&VPE

EvaluationmodelforintroductingandimplementingPLM&VPE

KontaktDr.-Ing. Manuel LöwerBereichsleiterTel.: +49 241 - 80 27 [email protected]


KonstruktionsmethodikEngineering design methodology

Der Schwerpunkt der Konstruktionsmethodik liegt in den pro-duktneutralen beziehungsweise -übergreifenden Grundlagen zur systematischen Entwicklung und Gestaltung technischer Systeme und deren Elemente. Orientiert am Produktentstehungsprozess (PEP) gliedert sich der Bereich Konstruktionsmethodik am IKT in die beiden Forschungsgruppen Innovations- und Gestaltungsme-thodik.

The focus of engineering design methodology lies on product-neu-tral paradigms for systematic development and design of technical systems and their elements. As far as the product development process (PDP) is concerned, the field of the engineering design methodology at the IKT is divided into two research groups, which focus on innovation methodology and embodiment design metho-dology respectively.

Erschließung technischer Lösungsräume

Exploring technical solution spaces

Die Gruppe Innovationsmethodik entwickelt Methoden, die in der frühen Phase der Produktentwicklung Anwendung finden. Die initiale Anforderungsermittlung wird beispielsweise genutzt, um die Kompatibilität von Fertigungstechnologien zu bewerten. Im Rahmen des Exzellenzclusters »Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer« ist die Synthese von Multitechnologieplattformen als Kombination und Integration bekannter Maschinenkonzepte eine entsprechende Anwendung.Die mit der Technologievielfalt einhergehende Komplexität wird in der morphologischen Betrachtung der Maschinenkonzepte sichtbar. Durch strukturierte Aufbereitung und Bewertung aller Anforderungen sowie deren methodische Überführung in eine Funktionsstruktur wird die Entwicklung der Multitechnologieplatt-

Our innovation methodology team develops methods which are applied in the early phases of product development. Initial require-ments engineering, for example, is utilised in assessing compatibi-lity between different production technologies. One application for this method is the synthesis of potential multi-technology platforms by combining and integrating known machine concepts within the »integrative production technology for high wage countries« excellence cluster.The complexity inherent in technological diversity is made appa-rent in the morphological analysis of machine concepts. Struc-tured definition and assessment of all requirements and the methodological transition into function structures offer effective assistance in the development of multi-technology platforms.

Funktionsanalyse,PrinzipsyntheseundProduktkonzeptionierungfürMultitechnologieplattformen

Functional analysis, principle synthesis and product conceptualisation for multi-technology platforms


formen wirksam unterstützt. Die Produktarchitektur ist vor allem im Zusammenhang mit variantenreichen Produkten ein geeignetes Strukturierungsmittel. Sie besteht zum einen aus der funktionalen, zum anderen aus der physischen Produktbeschreibung. Beim Übergang von der Funktionsstruktur zur Prinziplösung eröffnet die auf Koller zurückgehende Methode der Elementarfunktionen sys-tematisch den Lösungsraum. Hierbei werden Funktionen so weit abstrahiert, dass eine Variation der physikalischen Effekte mög-lich wird. Der in einem Software-Demonstrator realisierte Katalog (KoSIP) ordnet Funktionen geeignete physikalische Effekte zu und greift dabei auf über 50 unterschiedliche physikalische Effekte und mehr als 1.200 Prinziplösungen zurück. In untenstehender Abbil-dung ist links der Morphologische Kasten der Elementarfunktionen in der Software dargestellt. Nach Vorgabe einer Elementarfunktion wird dieser eine Vielzahl von geeigneten physikalischen Effekten zugeordnet. Rechts dargestellt ist die Katalogabfrage, in der die physikalischen Effekte detailliert beschrieben und mit Formeln hinterlegt werden. Diese Unterstützung erweitert das nutzbare Wissen bei der Findung neuer Lösungsansätze und leistet somit einen Beitrag zur Entwicklung innovativer Produktkonzepte.Neben der Erweiterung des Lösungsraumes findet eine anforde-rungsorientierte Bewertung der Lösungen statt, um die zielgerich-tete Entwicklung von Innovationen zu fördern. Die Konzentration auf die Produktfunktionen ist dazu ein notwendiger Abstraktions-schritt gegenüber der Diskussion an konkreten Lösungen. Diese funktionszentrierte Betrachtung eignet sich in besonderer Weise zur Patentanalyse und -umgehung.

Product architecture is a suitable structuring tool, especially in regard to high-variance products, consisting of both a functional and physical product description. The elementary functions me-thod according to Koller is a systematic way of exploring solution space within the transition from function structure to principle solution. This software-implemented catalogues (KoSIP) correlates functions to suitable physical effects, utilizing over 50 discernible effects and more than 1,200 correlating principle solutions. The in-software layout of the morphological chart containing elementary functions is shown in the figure below (on left). After specifying an explicit elementary function, a multitude of suitable physical effects is presented. The right-hand side contains the catalogue output, in which the physical effects are described in detail, including the supporting mathematical formulas.Developed by the IKT, this tool offers an extension of usable know-how during the identification of novel technical solutions, thus supporting the development of innovative product concepts. Besides widening the scope of solution space, the tool also pro-vides a requirement-driven assessment of solutions, allowing for target-oriented innovation. The explicit focus on product functiona-lity constitutes an essential abstraction in contrast to discussions on specific technical solutions. This function-oriented perspective also lends itself exceptionally well to patent analysis and evasion.

Koller Software für innovative Produkte (KoSIP) (links: Morphologischer Kasten, rechts: Effektbeschreibung)

Koller software for innovative products (KoSIP) (left: morphological box; right: relevant physical effects)


Beherrschung von Varianz

Mastering product variance

Die Produktarchitektur ist das Bindeglied zwischen den Grup-pen Innovations- und Gestaltungsmethodik. Die Ergänzung der physischen Produktbeschreibung wird von der Gestaltungsme-thodik bis in die Phase des Vorserienentwurfs unterstützt. Erste Strukturentwürfe in Form von Referenzproduktstrukturen, die Gliederungen des Produktes vorschlagen, werden in Konzept- und Bauteilentwürfe überführt.Diese Realisierungsvorschläge berücksichtigen Gestaltungsricht-linien moderner Fertigungsverfahren, wie der additiven Fertigung, genauso wie die Beherrschung der zunehmenden Produktvielfalt. Diese wird durch umfangreiche Analysen von Produktdaten vor-heriger Produktgenerationen unterstützt, um Themen wie Modu-larisierung und Standardisierung sowohl auf Produkt- als auch auf Komponentenebene zu adressieren. Die am IKT entwickeltenMethoden zur Planung modularer Produktfamilien konnten bereitsserientaugliche Produktkonzepte mit deutlich abgesenktenProduktkosten hervorbringen. Konkret wurde dies beispielsweise im Automatenbau unter anderem durch neue Befestigungs- und Verkabelungskonzepte erreicht.Mithilfe von Selbstorganisierenden Merkmalskarten (SOM), einem Data-Mining-Verfahren, können Zusammenhänge in großen Datenmengen visualisiert werden, um schnell einen Überblick über die Abhängigkeiten zwischen Produkten der Vergangenheit zu erlangen. Dieses Wissen fließt an geeigneten Stellen in den Produktentwicklungsprozess ein, sodass in IKT-Projekten Kosten-einsparungen von bis zu 30 % realisiert werden konnten. Anhand eines einfachen Beispiels soll eines von mehreren am IKT verwendeten Data-Mining-Verfahren erläutert werden. In untenste-hender Abbildung sind vier SOM-Karten dargestellt, anhand derer sich exemplarisch Zusammenhänge zwischen vier Produkteigen-

Product architecture constitutes the link between the innovation methodology and embodiment design methodology groups at the IKT. The latter is responsible for supporting continuous addition to the physical product description until detailed pre-series designs are created. Initial product setups in the form of reference product structures, which suggest ways of product segmentation, are developed into conceptual or mechanical component designs.In addition to considering design guidelines for modern produc-tion technologies such as additive manufacturing, these product designs also address means for variant management. This is achieved by intensive analysis of previous generation product data, thus addressing modularisation and standardisation on both a product and component level. A set of methods for the planning of modular product families developed at the IKT has already been applied to the generation of serial-production ready concepts, sa-ving manufacturers significant product costs after implementation. A specific example are new fixture and cable-routing solutions in vending machine technology.The data-mining method of self-organizing feature maps (SOM/SOFM) can be used to visualise dependencies in big data. This know-how is utilised within various steps of the product deve-lopment process, such as product management, producing cost optimisations of up to 30 %. A simple example demonstrates one of multiple data-mining tools utilised by the IKT. Four SOM-maps are depicted below, indicating dependencies between roughly 2,500 products consisting of around 150 components each. The IKT applies this method to capture knowledge of previous projects effectively and to make it available for structuring new products. The extent of usage of a formerly defined modular systems was analysed and quantified for a manufacturer of large-scale industrial

SOM-Analyse vergangener Projekte als Grundlage für Variantenmanagement und Produktstrukturierung

SOM-analysis of former projects to support variant management and product structuring


schaften von rund 2.500 Produkten, jeweils bestehend aus etwa 150 Einzelteilen, erkennen lassen. Dieses Verfahren wird am IKT eingesetzt, um effektiv das Erfahrungswissen aus vergangenen Projekten greifbar zu machen und in die Produktstrukturierung einfließen zu lassen.Bei einem Anbieter von Großgetrieben konnte durch die Analyse des Baukastennutzungsgrades die unzureichende Baukastenpfle-ge über die Jahre nachgewiesen und quantifiziert werden. Dabei wurden große Datenmengen aus dem ERP-System ausgeleitet, aufbereitet und ausgewertet. Durch eine Klassifizierung sämtlicher in diesem Zeitraum verwendeter Komponenten in Baukasten- und Sonderteile konnte jedem Auftrag ein Nutzungsgrad zugeordnet werden. In obenstehender Abbildung ist exemplarisch der Bau-kastennutzungsgrad von 952 Aufträgen über dem Beauftragungs-zeitpunkt aufgetragen. Aufgrund der nicht konsequenten Nutzung und Pflege des definierten Baukastens ist im Zeitraum von 2004 bis 2014 der Baukastennutzungsgrad um etwa 10 % gesunken. Dies führte zu einem enormen Anstieg des individuellen Entwick-lungsaufwands pro Auftrag, weshalb die Rentabilität der Produkte stark gesunken ist. Die dadurch geschaffene Transparenz der Ausgangssituation war die ideale Planungsgrundlage für Art und Umfang der Baukastenüberarbeitung.

BaukastennutzungsgradüberdieZeit

Degree of usage of a modular system

KontaktDipl.-Ing. Johannes van der BeekGruppenleiterTel.: +49 241 - 80 27 [email protected]

transmissions. The results show that use of predefined elements and subsystems has decreased enormously over a decade. Large volumes of data were gathered from the ERP system and subsequently processed to provide final evaluation. Classifying all components used during the observed timespan into modular and custom parts allowed a usage percentage to be assigned to each ordered product. The figure above shows 952 orders plotted out according to their date and usage percentage as an example. It was revealed that the usage of modular parts has dropped by about 10 % over a span of 10 years, causing a massive increase in individual order development costs and a subsequent major decrease in product profitability. This newly acquired knowledge provided much needed transparency to the initial situation, crea-ting an ideal basis for planning the type and scope of restructuring for the modular system.


ECO-Design / MultimaterialsystemeEco-design / Multi-material systems

ECO-Design steht für ökologisch und ökonomisch nachhaltige Produkte – von der Entwicklung, über die Produktion bis hin zur Nutzung und Entsorgung. Wirtschaftliche Interessen gepaart mit knapper werdenden Rohstoffressourcen und steigenden Um-weltbelastungen erhöhen die Notwendigkeit effizienter Metho-den für die nachhaltige Produktentwicklung. Das IKT entwickelt Methoden, um die Auswirkung des Designs auf die CO2-Bilanz eines Produktes über seinen gesamten Lebenszyklus bereits im Rahmen des PEP positiv steuern zu können.Da die effektive Funktionserfüllung eines Produkts in der Regel eine Funktionsintegration mehrerer Teilfunktionen umfasst, resul-tiert eine nachhaltige Gestaltung für ein qualitativ hochwertiges Produkt zumeist in der Verwendung und Kombination unterschied-licher Materialien. Aus diesem Grund bilden Verfahren zur Gestal-tung, Auslegung und Verbindung von Multimaterialsystemen einen Forschungsschwerpunkt des IKT.

Eco-design refers to ecologically and economically sustainable products – from their development and production through to their use and disposal. Economic interests combined with scarcer raw material resources and increasing environmental impact intensify the need for efficient methods of sustainable product develop-ment. The IKT develops methods to assess and control the impact of design on a product’s carbon footprint over its entire life cycle.Since effective fulfilment of a product’s function typically involves a function integrating several sub functions, a sustainable design for a high-quality product usually results in the use and combina-tion of different materials. As a result, methods and guidelines for the design, configuration and joining techniques of multi-material systems form a main research focus at the IKT.

ECO-Design

Eco-design

Ökologische und ökonomische Kriterien für produkt- undprozessbezogenenLifecycle-Bilanzierungen

Ecological and economic criteria for product andprocess-related lifecycle balancing

Produktübergreifend werden am IKT Gestaltungsprinzipien für nachhaltiges Design sowie branchen- und unternehmensspezifi-sche ECO-Design-Strategien entwickelt. Diese umfassen Metho-den zur operativen Nachhaltigkeitsbewertung, um die Industrie quantifiziert bei strategischen und konstruktiven Entscheidungen zu unterstützen. Insbesondere Aspekte der Materialauswahl,

Principles for sustainable design and industry- and company-spe-cific ECO-design strategies are developed for all kinds of products at the IKT. These include operational sustainability assessment methods to help industry quantify strategic and constructive deci-sions. This inevitably involves bringing aspects of material selec-tion, design and production together and evaluating them with


Ökologische, funktionale und wirtschaftliche Produkte

Ecological, functional and economic products

Im Fokus des ECO-Designs stehen unterschiedliche Methoden und IT-Werkzeuge, die je nach Produkt und Entwicklungszeitpunkt entlang des Produktentstehungsprozesses eingesetzt werden können. Beginnend mit einer systematischen Anforderungsermitt-lung, über die Auswahl und Bewertung verschiedener Werkstoffe und Fertigungsverfahren, spielt ebenso das Thema Effizienz in der Nutzungsphase eine Rolle. Zum einen wird diese durch material-gerechte Leichtbauweisen, aber auch durch unterschiedliche Nutzungsszenarien und produktsprachliche Aspekte, die das Nutzerverhalten hinsichtlich Nachhaltigkeit beeinflussen können, gezielt gesteuert. Das IKT entwickelt anwendungs- und industrienahe Konstrukti-onsmethoden und -prozesse, um mit den genannten Stellgrößen Werkzeuge für die Entwicklung ressourceneffizienter Produkte zur Verfügung zu stellen. Alle genannten Aspekte werden stets beglei-tet von einem leistungsfähigen Kostenmodell, um die industrielle Nutzbarkeit und Attraktivität der Werkzeuge sicherzustellen.

ECO-design focuses on different methods and IT tools which can be used at specific times throughout the product development process, depending on the analysed product. Starting with a sys-tematic determination of requirements, a significant role is played by the selection and evaluation of different materials and produc-tion processes and the question of efficiency in the utilization pha-se. This is not only specifically controlled by material-appropriate lightweight designs, but also by different usage scenarios and product-language aspects, which can influence user behaviour with regard to sustainability.The IKT develops application- and industry-orientated design methods and processes to provide tools for developing resource-efficient products with the specified variables. All these aspects are subject to a highly efficient cost model at all times to ensure that the methods and processes are usable in industry and the tools have appeal.

Gestaltgebung und Fertigung werden dabei gebündelt und durch eigene Indikatoren bewertet. Die ganzheitliche ökologische und ökonomische Bewertung von Produkten dient als Grundlage für produkt- und prozessbezogene Lifecycle-Bilanzierungen.

own indicators. The integral ecological and economic evaluation of products serves as a basis for product- and process-related lifecycle balancing.


Multimaterialsysteme

Multi-material systems

Für eine optimale ökologische und ökonomische Produktentwick-lung sind neben der Variation des physikalischen Effekts insbeson-dere die Materialauswahl, die Wahl des richtigen Fertigungsver-fahrens sowie eine effektive, materialgerechte Gestaltung wichtige Stellgrößen, um ein ressourceneffizientes Produkt zu entwickeln. Die Material- und Fertigungsauswahl stehen in einem engen Wechselspiel, weshalb nur eine kombinierte Betrachtung sinn-voll ist. Mit der Werkstoffauswahl sind unmittelbar bestimmte Fertigungstechniken verknüpft, was die Werkstoffauswahl durch vorhandene Maschineninfrastruktur in einem Unternehmen einschränkt. Mittels Multikriterienoptimierungen werden die teils widersprüchlichen Anforderungen für jedes einzelne Strukturele-ment berücksichtigt und ein für die Randbedingungen optimaler Werkstoff ausgewählt. Dabei werden sowohl konventionelle Kons-truktionswerkstoffe als auch neuartige und unkonventionelle Werk-stoffe berücksichtigt. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Eigenschaften und Potentiale nachwachsender Werkstoffe im technischen Bereich in dem Forschungsprojekt Technical Product Harvesting (TEPHA) gelegt. Bei der Materialauswahl müssen nicht nur die Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe, sondern auch auftretende Restriktionen durch Kombination in einem System betrachtet werden. Auf Grundlage einer umfassenden Werkstoff-datenbank wird so basierend auf physikalischen Zusammenhän-gen und funktionsgetriebenen, ökologischen und ökonomischen

In addition to the variation in physical effect, the selection of materials, the choice of the correct production process and an effective, material-appropriate design are extremely important factors for optimal ecological and economic product development to engineer a resource-efficient product.The selection of material and production type are heavily depen-dent on one another, meaning a combined approach is the only advantageous course. The selection of materials directly involves specific manufacturing techniques, which limits the selection of materials due to existing machine infrastructures in companies. Multi-criteria optimisation allows partially contradictory requi-rements for each individual structural element to be taken into account and an optimum material to be selected for the boundary conditions. Both conventional construction materials and new and unconventional materials are considered. Particular attention was paid to the properties and potentials of renewable materials in the Technical Product Harvesting (TEPHA) project. When selecting a material, not only the properties of the individual materials need to be considered, but also the limitations of the combination in a system. Using a comprehensive material database as a starting point, the most suitable material is then selected based on physi-cal interrelationships and function-driven, ecological and economic optimisation criteria for new and redesigned products.Besides the material and the production process, the usage phase

Umfangreiche Materialbetrachtungen sind für wirtschaftlich-ökologisch konstruierte Produkte notwendig

Extensive material considerations are necessary for economically and ecologically constructed products


Optimierungskriterien das am besten geeignete Material für Neu- als auch Anpasskonstruktionen ausgewählt. Je nach Produkt bestimmt neben dem Material und dem Ferti-gungsverfahren auch die Nutzungsphase maßgeblich den Öko-Footprint. Bei mobil eingesetzten Systemen, z. B. in der Automobilindustrie, ist das Gewicht ein Hauptfaktor, der über die einzubringende Energie entscheidet und Leichtbau damit zu einem Kernthema macht. Je besser der Lastfall sowie die Eigenschaften des verwendeten Materials berücksichtigt werden, desto wirt-schaftlicher und genauer kann das Produkt dimensioniert werden. Das Gewicht kann auf ein Minimum gesenkt und das Produkt zielgerecht auf die geforderte Lebensdauer ausgelegt werden. Mit Hilfe anerkannter Methoden wie dem Contact&Channel-Modell, Produktarchitekturanalysen und Strukturoptimierungssoftware kann das Leichtbaupotential bestehender Produkte identifiziert werden. In Abhängigkeit von Werkstoff und Fertigungsverfahren wird daraufhin die optimierte Gestalt entwickelt. Das Ergebnis sind sowohl konkrete, gewichtoptimierte Konstruktionen als auch materialspezifische Konstruktionsrichtlinien für beispielsweise fasergerechtes CFK-Design. Die Entwicklung einer mechanischen, anforderungsgerechten Ver-bindungstechnik ist ebenfalls ein bedeutender Forschungsinhalt im Bereich von Multimaterial-Strukturen. Die spezifischen Eigenschaf-ten der einzelnen Werkstoffe werden bei der Schnittstellengestal-tung explizit berücksichtigt, um das volle Potential des Verbunds auszunutzen.

also strongly determines a product’s eco-footprint, depending on the specific product. For mobile systems, such as those in the automobile industry, weight is a key factor which influences the amount of energy needed, thus making lightweight design a crucial concern. The more effectively the load and characteristics of the material used are considered, the more economically and accurately the product can be dimensioned. Weight can be mini-mised and the product can be designed for the required life span. Established methods such as the contact and channel model, pro-duct architecture analyses and structure optimisation software can be used to identify the potential for lightweight design in existing products. An optimised shape is thus developed by taking material and production processes into account. This produces distinctive weight-optimised designs and material-specific design guidelines for approaches such as a fibre-reinforced CFRP design.The development of a mechanical, requirement-appropriate joining technology is also an important research area in the field of multi-material structures. The specific properties of individual materials are explicitly taken into account when designing interfaces to exploit the full potential of the composite system.A product, and system-neutral approach and internal and exter-nal interfaces are examined. A systematic analysis of the desired transmission values is carried out using the contact and channel model to design the interfaces. This is then used as a basis to de-termine an ideal solution for the application using structural optimi-sation software for parameter, form and topology optimisation. The

Materialgerechte Verbindungstechnik am Beispiel von Sandwichplatten

Material-appropriate joining technology using the example of sandwich panels


Hierbei werden produkt- und systemun-abhängig sowohl interne als auch externe Schnittstellen betrachtet. Für die Gestal-tung der Schnittstellen wird zunächst eine systematische Analyse der gewollten Über-tragungsgrößen unter Anwendung des Contact&Channel-Modells durchgeführt. Darauf aufbauend wird mittels Strukturop-timierungssoftware zur Parameter-, Form- und Topologieoptimierung eine für den Anwendungsfall ideale Lösung ermittelt. Ergebnis sind materialpaarungsspezifische Gestaltungsprinzipien sowie deren simu-lative und mechanische Überprüfung und Validierung in der konkreten konstruktiven Umsetzung, wie am Beispiel von techni-schen Sandwichplatten gezeigt wurde, für die auf diese Weise die optimale geeignete Verbindungstechnik identifiziert wurde.

results are material pairing-specific design principles and their simulative and mecha-nical verification and validation in concrete constructive implementation, as in the case of technical sandwich panels, for which the best suitable connection technology has been identified.

KontaktDipl.-Ing. Anna-Lena BegerBereichsleiterinTel.: +49 241 - 80 27 [email protected]

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Herausgeber / PublisherInstitut für Maschinenelemente IMEProf. Dr.-Ing. Georg JacobsInstitutsleiter / Head of the Institute

Redaktion / EditorInstitut für Maschinenelemente IMEHeike Röhser

Gestaltung / LayoutHeike Röhser

Druck / PrintDruckerei Mainz, Aachen

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März2017 / March 2017

1.Auflage / 1st Edition

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