Robustheit im Leichtbau schon bei Entwicklung "berechnen"
Dem Leichtbau entsprechende Bauteile müssen ein minimales Gewicht haben aber dabei voll den Funktionsanforderungen entsprechen. Über Methoden, wie die nötige Robustheit und Zuverlässigkeit bei der Entwicklung ermittelt und umgesetzt werden kann informierte ein vom Leichtbau-Cluster organisierter Themenabend im Hotel Schloss Schönbrunn. Der Themenabend, zu dem das Organisationsteam des Leichtbau-Clusters eingeladen hatte, war die vorerst letzte Veranstaltung zum Themenblock „Leichtbaukonstruktion“. Der technisch / wissenschaftliche Leiter des Leichtbau-Clusters und Moderator des Abends, Prof. Dr. Otto Huber begrüßte die etwa fünfundzwanzig interessierten Zuhörer und die beiden Referenten des Abends, Prof. Dr. Ralf Cuntze und Dr. Dirk Roos (CADFEM GmbH). |  Prof. Dr. Otto Huber begrüßt die Gäste und stellt den ersten Referenten, Prof. Dr. Ralf Cuntze, vor. |
In seinem Vortrag „Entwicklung robuster, zuverlässiger Strukturbauteile – Was gilt es zu beachten?“ unterschied Prof. Dr. Ralf Cuntze, bei der Entwurfsprüfung grundsätzlich nach deterministischen und wahrscheinlichkeitstheoretischen (auch probabilistischen oder stochastischen) Grundsätzen. Optimale Leichtbaustrukturen seien immer ein Kompromiss aller zu erfüllenden Funktionsabforderungen (bspw. Festigkeit, Steifigkeit) und operationellen Anforderungen (bspw. Lebensdauer). Besonders maßgeblich für das Gewicht eines Strukturbauteils sei die geforderte Bauteilfestigkeit, die sich wiederum aus externen Einflüssen auf das Bauteil ableite. Die Entwicklung robuster Bauteile berücksichtigt hier eine gewisse zufällige Streuung der Einflüsse und der Umweltbedingungen, der das Produkt in der Realität sowohl bei der Herstellung als auch beim Gebrauch unterliegt und verwendet dazu Ansätze der Wahrscheinlichkeitsanalyse.
Prof. Cuntze zeigte anhand ausgesuchter Beispiele aus der Luft- und Raumfahrt auf, in welcher Weise streuende Entwurfsparameter und deren Wahrscheinlichkeit des kombinieren Auftretens bei der Entwurfsprüfung berücksichtigt werden müssen, welche Werkstoffdaten relevant sind und wie Dimensionierende Lastfälle bestimmt werden, um möglichst robuste Strukturen entwickeln zu können.
Anschließend beschäftigte sich Dr. Dirk Roos mit der Robustheits- und Zuverlässigkeitsanalyse im Entwicklungsprozess und den verschiedenen stochastischen Optimierungsstrategien. Das Thema seines Vortrages lautete „Robuste und zuverlässigkeitsbasierte Optimierung im virtuellen Entwicklungsprozess“. Er stellte zunächst das grundlegenden Six-Sigma-Konzept und das daraus abgeleiteten Design for Six Sigma (DFSS) vor. Das Six-Sigma-Konzept charakterisiert eine Businessstrategie, die Entwicklungskosten sparen und gleichzeitig Produktqualität erhöhen möchte.
Im Produktoptimierungsprozess werden darin Qualität und auch Zuverlässigkeit bereits bei der virtuellen Entwicklung als explizite Ziele definiert und so können Fehler in einer sehr frühen Phase entdeckt werden. So könne man besonders in Zeiten von Massenproduktion, steigender Produktvielfalt und kürzer werdenden Produktlebenszyklen Fehlerkosten reduzieren. Infolge der erfolgreichen Einführung des Six-Sigma-Konzeptes bei Motorola Ende der 80er Jahre seien rund 16 Milliarden Dollars eingespart worden, weltweit führten hunderte Firmen dieses Konzept ein.
Auch DFSS verwendet für die Bewertung der Robustheit und Zuverlässigkeit stochastische Methoden, man spricht deshalb auch von „stochastischer Design-Optimierung“. Das Sigma entspricht der Standardabweichung der Gaußschen Normalverteilung. Aus der Anzahl der Fehler in einem Prozess kann mit Hilfe von Tabellen oder Statistik-Programmen das Sigma-Niveau ermitteln.
Dabei wird maximal ein 6-Sigma-Level erreicht, wobei die optimierten Designs im Sigma-Level ±2 als robustes Design (RD) und Optimierungen im Sigma-Level > ±2 als zuverlässiges Design (ZD) charakterisiert werden. „Sigma“ bezeichnet in diesem Modell die Standardabweichung der gewählten Design-Parameter, aus der sich für eine Normalverteilung mit um 1,5 Sigma verschobenem Mittelwert die zugehörigen (realistischen) Ausfallwahrscheinlichkeiten ergeben. Dr. Roos verdeutlichte anhand von Beispielen die Einsatzmöglichkeiten und die Leistungsfähigkeit der robusten und zuverlässigkeitsbasierten Optimierungsmethoden in der virtuellen Produktentwicklung und stellte verschiedene Softwareanwendungen zur stochastischen Optimierung vor.
Die Organisatoren des Leichtbau-Clusters stellten im Anschluss an die Fachvorträge die geplanten Themenabende für das Jahr 2006 vor, die „Fertigungstechnologien für den Leichtbau“ in den Mittelpunkt stellen. Prof. Dr. Huber stellte dazu die Professoren Dr. Karl Reiling und Dr. Wolfgang Reimann der Fachhochschule Landshut vor, die für die inhaltliche Ausrichtung der kommenden Themenabende verantwortlich zeichnen und auch die Moderation der einzelnen Veranstaltungen übernehmen werden.