Bionische Entwicklung einer additiv gefertigten A-Säulen-Verstärkung

Additive Fertigungsmethoden (AM) avancieren sich zunehmend zu einer wichtigen Schlüsselfunktion in der Produktion von morgen. Bis zur Serienreife braucht es dabei wie bei jeder jungen Technologie natürlich eine gewisse Zeit, um Technologie, Konstruktionsmethoden und Fertigungsprozesse anzupassen. Es gibt gute Gründe, weshalb Forschung und Industrie mit großen Schritten diesen Entwicklungsweg eingeschlagen haben, um die Vorteile additiver Fertigungsverfahren auszuloten. Der wohl interessanteste Vorteil ist, dass Bauteilkomplexität und Fertigungskosten stark voneinander entkoppelt sind. Mit der gewonnenen Gestaltungsfreiheit kann so bei der technischen Bauteilentwicklung das volle strukturelle Leichtbaupotential ausgeschöpft werden.

Aus dieser Motivation heraus entstand unser aktuelles AM Entwicklungsprojekt, indem wir gemeinsam mit der Volkswagen Osnabrück GmbH eine additiv gefertigte bionische A-Säulenverstärkung entwickelt haben. Erstmalig können wir hiermit sogar auf eine Bauteilentwicklung verweisen, die mit dem Prototypenbau und der experimentellen Validierung auf dem Prüfstand von VW Osnabrück abschließt. Damit stellen wir auch den ELiSE-Entwicklungsprozess auf die Probe, um Leistung und Zuverlässigkeit in der reellen Anwendung zu demonstrieren.

Das ambitionierte Vorhaben profitiert von einem interdisziplinären Projektteam aus den Bauteil- und Fachexperten von Volkswagen Osnabrück und den Bionikern und Strukturleichtbauexperten des ELiSE Leichtbau Teams. Im Vordergrund der Entwicklung stand für uns der Einsatz der ELiSE Konstruktionsalgorithmen. Diese ermöglichen eine parametrisch modifizierbare und lastangepasste Bauteilgenerierung in einem gekoppelten Prozess aus CAD-Konstruktion und FE-Analyse und Optimierung und führen so zum finalen Design. Die Herstellung der komplexen Strukturen, zeichnet sich neben Vorteilen der Gewichtreduktion und Funktionsintegration letztendlich auch durch eine hohe Belastbarkeit und Sicherheit aus.


Die Wahl des Referenzbauteils

Ziel des Projektes war die Neuentwicklung eines additiv zu fertigenden Karosseriebereichs mit minimalem Gewicht und maximaler Bauteilintegration. Dazu wurde im Vorfeld durch ein systematisches Auswahlverfahren durch Volkswagen Osnabrück zunächst untersucht, welcher Karosseriebereich sich überhaupt für die Neuentwicklung eines solchen Bauteils eignet. Nach der Identifikation von Karosserie-Bereichen, die im Entwicklungsprozess häufig Probleme bereiten, fiel die Wahl auf die A-Säulenverstärkung eines Golf VI Cabriolets. Durch die fehlende Dachstruktur bei Cabriolets muss hier die A-Säule zusätzlich verstärkt werden, um die enormen Kräfte beim Überschlag eines Fahrzeugs abzufangen. Die Bauteilanzahl der bisherigen technischen Umsetzung bietet zudem geeignete Möglichkeiten für die Bauteilintegration. Dieser extreme Anwendungsfall ist daher optimal, um performante Verstärkungsstrukturen zu entwickeln und das Potential des bionischen Leichtbaus zu verifizieren.


Abbildung 1: Bauraumanalyse © VW Osnabrück

Technische Entwicklung

Der Entwicklungsprozess

Die Bauteilentwicklung erfolgt in Anlehnung an das vom Alfred-Wegener-Institut entwickelten ELiSE-Verfahren. Dabei wird der zur Verfügung stehende Bauraum analysiert, die Lastpfade werden extrahiert, bionische Wirkprinzipen (CAD-Konstruktionsalgorithmen) werden transferiert und das erstellte Konzept im Rahmen einer parametrischen Optimierung angepasst. Der Hauptlastfall der Dacheindrückung wird numerisch normalerweise im FEM-Modell des Gesamtfahrzeugs als Crash-Lastfall gerechnet. Für die Topologie- und parametrische Optimierung ist jedoch ein lineares FE-Setup von Vorteil, weshalb ein approximiertes FE-Modell des A-Säulennahen Karosseriebereichs mit linear statischen Ersatzlastfällen erstellt wurde. Zwischenstände der parametrischen Optimierung und das finale Konzept wurden jedoch zusätzlich im Gesamtfahrzeugmodell unter dem ursprünglichen Crash-Lastfall validiert. Mit der Grundlage der Topologie-Optimierung wurden insgesamt zwei bionische Konzepte konstruiert. Eine manuelle Auskonstruktion auf Basis einer Multi-Model-Topologie-Optimierung von Volkswagen Osnabrück sowie eine Konstruktion mittels bionischer, parametrischer Konstruktionsalgorithmen. Die Prototypen beider Konstruktionen wurden mit freundlicher Unterstützung von AUDI in Ingolstadt im Verfahren „Selective-Laser-Melting“ (SLM) aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg gefertigt und anschließend auf dem Prüfstand von Volkswagen Osnabrück experimentell getestet. Abschließend wurden die additiv gefertigten Bauteile im Realversuch des Dacheindrücktests nach FMVSS 216a in einem Teilaufbau der A-Säule bis zu einem Eindrückweg von 150 mm getestet.


Topologie-Optimierung als Basis für den bionischen Leichtbau

Um den Einfluss der zeitabhängig auftretenden Deformation der Crash-Umgebung auch in der Topologie-Optimierung zu berücksichtigen wurde die von Volkswagen Osnabrück angepasste Multi-Model-Optimierung genutzt. Es wurde hierfür der ursprünglich zeitabhängige Lastfall der Dacheindrückung in eine Mehrzahl einzelner linear statischer FEM-Submodelle unterteilt. Diese Submodelle beinhalten die zeitschrittabhängigen Deformationen des Nondesign- und Designraumes sowie die wirkende Kräfte und Randbedingungen. Jedes Submodell steht somit für einen separaten Lastfall und geht als separates Submodell in die MMO ein. Das Strukturergebnis zeigt insgesamt drei Verstärkungsstrukturen pro Fahrzeugseite. Im oberen Bereich der A-Säule kommt es zu Materialanlagerungen an der A-Säulen-Außen- sowie Innenschale. Die Strukturen des mittleren und unteren Verstärkungselements stützen die A-Säule während des Dacheindrücktests, wobei das untere Verstärkungselement zusätzlich der Aufnahme der Türkräfte und der Modulquerträger-Anbindung dient. Nachdem das Strukturergebnis der MMO in der Crash-Umgebung verifiziert wurde, erfolgte die Interpretation und konstruktive Ableitung. Dabei wurde von VW Osnabrück in Catia V5 ein Kontroll-Polygonnetz um das Optimierungsergebnis gelegt und durch Verschieben der Kontrollpunkte manuell angepasst. Für die konstruktive Berücksichtigung des Frontcrashs wurde zudem eine bionisch inspirierte Rohrabstützung nach dem Vorbild der Kieselalge „Surirella iowensis“ in das untere Verstärkungselement eingebracht. Die Topologie-Optimierung liefert jedoch keine Konstruktionsvorschläge für komplexe bionische Strukturen wie Gitter- oder Wabenstrukturen, welche anstatt von Vollmaterial in die verschiedenen Bauteile integriert hätten werden können, um zusätzlich Gewicht einzusparen. An diesem Punkt setzt nun das ELiSE-Verfahren an, um Interpretationen einer Topologie-Optimierung durch lastangepasste bionische Leichtbauprinzipien weiterzuentwickeln.


Abbildung 2: MMO-Ergebnisinterpretation mit anschließender Bauteilkonstruktion © VW Osnabrück

Konstruktionsalgorithmen – Automatisiert konstruieren nach dem Vorbild der Natur

Als Grundlage für den algorithmischen ELiSE-Konstruktionsprozess dienen ebenfalls die Strukturergebnisse einer Topologie-Optimierung. Die freigestellten Lastpfade der Topologie-Optimierung konnten hierbei in zwei hauptrelevante Bereiche unterschiedlicher mechanischer Wirkprinzipien unterteilt werden, deren Funktionen später im Bauteil konstruktiv integriert wurden. Im oberen Bereich ist das Bauteil stark auf Biegung beansprucht. Im unteren Bereich des Designraums ist eine räumliche Auffächerung zur Übertragung von Druckkräften von den innen- zu den außenliegenden Karosserieblechen zu sehen. Die Natur und insbesondere die Welt der Diatomeen bietet für diese mechanischen Anforderungen und mechanischen Wirkweisen bereits effektive Konstruktionslösungen die als Vorbild für ein bionisches Bauteilkonzept verwendet werden können. Das Kerngebiet des ELiSE Leichtbaus ist die Ableitung und Entwicklung von parametrisch aufgebauten Konstruktionsalgorithmen, welche auf den Leichtbaustrukturen dieser biologischen Vorbilder beruhen.

Nun gilt es, geeignete Konstruktionsalgorithmen zu wählen, die den mechanischen Wirkweisen der Strukturergebnisse der Topologie-Optimierung entsprechen. Im oberen Bereich der A-Säule ist dies eine adaptive Wabenversteifung nach dem Vorbild der „Thalassiosira“ für die Schubschicht des Biegebalkens. Eine Variante findet zudem Einfluss im unteren Bereich der A-Säulen-Verstärkung zur Übertragung von Schubkräften zwischen den Karosserieblechen. Im unteren Bereich eignet sich die dreidimensionale Auffächerung von Lastpfaden nach dem Vorbild der „Radiolaria spec“. Die Verschraubungspunkte des Türscharniers werden zudem durch adaptive Kantenversteifung nach dem Vorbild „Asterolampra grevellei“ versteift. Zusätzlich wird auch der Front-Crash konstruktiv durch die Einbringung eines segmentierten, konisch-geformten, halbgeöffneten Crash-Rohrs im Konzept berücksichtigt. Solche Schott-Versteifungen sind in der Natur u.a. beim Bambus und beim biologischen Vorbild „Surirella iowensis“ zu erkennen.


Abbildung 3: Identifikation der mechanischen Wirkprinzipien anhand der Topologie-Optimierung und Transfer der biologischen Vorbilder nach dem ELiSE-Verfahren © AWI

Die Leichtbauprinzipien dieser natürlichen Vorbilder sind in eigene Konstruktionsalgorithmen zusammengefasst und werden mit Hilfe der Software-Umgebung Rhinoceros/Grasshopper angewendet. Der parametrische Aufbau der Konzepte ermöglicht eine variable Anpassung und Abstraktion auf CAD-Konzepte. Dies ist essentiell für die parametrische Optimierung. Unterschiedliche Teilkonzepte werden anhand der vorherigen statischen FE-Analysen bereits belastungsorientiert ausgerichtet und in Pam-Crash im Modell der Gesamtfahrzeugkarosserie validiert, sodass die performantesten Teilkonzepte als Start-Design für die folgende parametrische Optimierung ausgewählt werden können. Der Optimierungsprozess beginnt mit einer Sensitivitätsanalyse, bei der die einflussreichsten Konstruktionsparameter identifiziert werden. Anhand von evolutionären Optimierungsalgorithmen startet dann die parametrische Optimierung mit dem Ziel eines minimalen Gewichts bei gleicher Steifigkeit in Bezug zum Serienstand. Das beste Design wird im Modell der Gesamtfahrzeugkarosserie dynamisch berechnet, um das Design auch unter Berücksichtigung von nicht linearen Effekten zu validieren. Im Rahmen dieser Validierung werden letzte iterative Anpassungen der Konstruktion vorgenommen. In der finalen Crash-Validierung (Dacheindrückung) im Modell des Gesamtfahrzeuges muss die Kraftaufnahme der Neuentwicklung dem Verlauf der Kraft-Weg-Kurve bis zu einem Eindrückweg von 127 mm des Serienstandes entsprechen.


Abbildung 4: Konstruktives Ergebnis nach Bauteiloptimierung mit ELiSE. Anordnung im Bauraum mit Einzelansichten des unteren (A) und oberen (B) Bauteilelements. Rechts: Druckerzeugnis von Bauteil B (Additive Fertigung im SLM-Verfahren mit freundlicher Unterstützung von AUDI) © AWI © AUDI

Ergebnisse

Bei ähnlicher A-Säulensteifigkeit erzielt die bionische A-Säulenverstärkung (ELiSE) eine Gewichtreduktion von 74% pro Fahrzeug (von 4,1 kg auf 1,1 kg für die beidseitigen Verstärkungsstrukturen) und eine Bauteilreduktion durch Funktionsintegration von 67 % pro Fahrzeug (von zwölf auf vier Bauteile pro Fahrzeug) im Vergleich zum Serienstand. Die Kraftaufnahme in der numerischen Crash-Validierung entspricht dabei dem Verlauf der Kraft-Weg-Kurve des Serienstandes. Gespannt waren wir auf die Ergebnisse des Realversuchs. Bei dem Realversuch wurde jedoch nicht die gesamte Fahrzeugkarosserie wie in der numerischen Validierung untersucht, sondern nur ein Teilaufbau der A-Säule. Auch hier entspricht der Verlauf dem des Serienstandes mit nur leichten Abweichungen unterhalb der Kraftreaktion der Referenz. Die Auskonstruktion auf Basis der MMO erzielte eine Gewichtreduktion von 62 % pro Fahrzeug (von 4,1 kg auf 1,6 kg für die beidseitigen Verstärkungsstrukturen) und eine Bauteilreduktion von 50 % pro Fahrzeug im Vergleich zum Serienstand. Im Realversuch ist gegenüber der ELiSE-Konstruktion zwar zunächst eine höhere Kraftreaktion erkennbar, jedoch fällt die Kraft-Weg-Kurve gegen Ende der maximalen Eindrücktiefe ab, da die A-Säule im oberen Bereich durch das MMO-Teil zu sehr ausgesteift wird und sich die Knickstelle in den unteren A-Säulen-Bereich verlagert, was das Abfallen der Kraft-Weg-Kurve zur Folge hat. Hier ist eine weitere Gewichtsreduktion für das obere MMO-Teil denkbar, um die A-Säule lokal nicht zu stark auszusteifen.

Unter Berücksichtigung von Abweichungen zwischen Numerik und Realität ist dies für einen ersten Realversuch einer Neuentwicklung ein ausgesprochen performantes Ergebnis. Damit hält dieses Projekt unseren ELiSE-Leichtbau Rekord der Gewichtsersparnis im Vergleich zu allen bisherigen Projekten. Das Bauteil gehört zu einem unserer Ersten, bei dem hauptsächlich automatisierte Konstruktionsmethoden und bionische Konstruktionsalgorithmen eingesetzt wurden.

Wir können daraus ableiten, dass der bionische Leichtbau insbesondere in Kombination mit additiven Fertigungsverfahren ein enormes Potential birgt für Neuentwicklungen der Automobilindustrie. Momentan ist der 3D-Druck zwar noch nicht serienreif, jedoch werden die additiven Fertigungsmethoden in Zukunft eine zentrale Rolle in der Bauteilentwicklung einnehmen. Mit den Ergebnissen der bionischen A-Säulenverstärkung können wir zeigen, dass die ELiSE-Methodik und die Entwicklung mit Hilfe von automatisierten Konstruktionsalgorithmen in der Lage ist, performante Bauteile für die additive Fertigung zu erzeugt, die auch im Realversuch bestehen.


Ausblick

Das Projekt wurde erstmalig auf der 15. ATZ-Fachtagung Karosseriebautage Hamburg 2017 durch André Heinrichs von Volkswagen Osnabrück und Daniel Siegel vom ELiSE-Team in einem Tandemvortrag präsentiert. Im Tagungsband der Fachtagung ist das wissenschaftliche Paper zum Projekt Bionische Entwicklung einer additiv gefertigten A-Säulen-Verstärkung erstmalig veröffentlicht. Basierend auf dem Paper wurde zudem ein Artikel im Fachmagazin „lightweight design“ (Ausgabe 4/2017), sowie in der „ATZ – Automobiltechnische Zeitschrift“ (Ausgabe 9) veröffentlicht. Eine weitere Veröffentlichung wird in der nächsten Ausgabe der MOBILES-Fachzeitschrift erscheinen.

Dass sich das Thema Bionik in Verbindung mit Strukturleichtbau und additiver Fertigung zunehmender Beliebtheit erfreut und auch in der Automobilindustrie zukünftig eine wichtige Rolle spielen wird, zeigt sich nicht zuletzt durch die Auszeichnung mit dem Highlight Karosseriebautage Expertenpreis in Gold 2017 wieder, der den Vortragenden im Anschluss an die Veranstaltung für den Vortrag und wissenschaftlichen Beitrag verliehen wurde.

Mit den Erkenntnissen aus dem Projekt untersucht VW Osnabrück weiterhin die Übertragbarkeit der angewendeten Methoden auf andere Bauteilkonzepte sowie die Anwendbarkeit in Bezug auf nichtlineare Effekte und potentielle Prozessautomatisierungen. Außerdem untersucht VW Osnabrück in näherer Zukunft den Einsatz von additiven Verstärkungsbauteile in Klein- oder Kleinstserien. Wir als ELiSE-Team nutzen die Erkenntnisse um unseren Fokus, die Entwicklung von automatisierten bionischen Konstruktionsalgorithmen für additiv gefertigte Leichtbaulösungen, weiter auszubauen.

Die bionische A-Säulen-Verstärkung wird auf der diesjährigen Leitmesse für additive Fertigungsverfahren „Formnext“ am 14.-17.11.2017 in Frankfurt am Main ausgestellt.

Nähere Informationen zu Volkswagen Osnabrück finden Sie unter www.volkswagen-os.de