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Composite Simulation Roadmap
Branchen, Einsatzfelder, Technologien, Entwicklungsbedarfe
Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde
Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach
www.vdc-fellbach.de
Ulrike Möller
Allianz Faser-basierte Werkstoffe Baden-Württemberg (AFBW)
www.afbw.eu
Composite Simulation Roadmap 2015
2
Inhalt
1. Datenerhebung .................................................................................................... 3
2. Branchen.............................................................................................................. 4
3. Einsatzfelder ........................................................................................................ 7
4. Technologie ....................................................................................................... 10
5. F&E-Bedarf ........................................................................................................ 12
6. Ausblick.............................................................................................................. 18
7. Zusammenfassung............................................................................................. 18
Composite Simulation Roadmap 2015
3
1. Datenerhebung
Erhebung zur Composite Simulation Roadmap
 Durchführung der Befragung im Februar 2015 auf dem Fachkongress
Composite Simulation 2015
 Damit Einschränkung des Panels auf mutmaßliche Experten im Thema.
 43 verwertbare beantwortete Fragebögen
 Nicht alle Fragebögen wurden vollständig beantwortet. Bei prozentualen
Auswertungen wurde als Grundgesamtheit (= 100%) immer nur die Menge der
Antworten gewählt, die sich explizit zu einer Frage geäußert haben.
 Zusätzliche Angaben als Ergebnis des Industriearbeitskreises Composite
Simulation, der seit 2013 besteht.
Composite Simulation Roadmap 2015
4
2. Branchen
Befragung Composite Simulation – Frage 1
Frage 1: „In welcher Branche sind Sie tätig?“
Composite Simulation Roadmap 2015
5
Befragung Composite Simulation – Frage 2
Frage 2: „In welchen Branchen sehen Sie Anwendungen der Simulation
von Composites?“
 als weitere Branchen wurden genannt: Straßenbau, Brückenbau,
Windkraftanlagenbau, Verteidigung
Composite Simulation Roadmap 2015
6
Fazit Frage 2:
 Die Branchen Automobil und Luft- & Raumfahrt sind dominierend in ihrer
Bedeutung für die Composite Simulation (95% hohe oder sehr hohe
Bedeutung).
 Mit deutlichen Abstand folgen Sport & Freizeit, Nutzfahrzeugbau,
Maschinenbau, Medizintechnik und Schienenfahrzeugbau.
 Weitere Branchen sind Schutzvorrichtungsbau, Architektur Anlagenbau,
Verpackungstechnik.
 Im Vergleich mit den anderen Panelgruppen sehen die Anwender weniger
Bedarf in der Architektur.
 Im Vergleich mit den anderen Panelgruppen sehen die Dienstleister weniger
Bedarf im Maschinenbau.
Composite Simulation Roadmap 2015
7
3. Einsatzfelder
Befragung Composite Simulation – Frage 3
Frage 3: „In welchen Einsatzfeldern sehen Sie Anwendungen der Simulation
von Composites?“
 als weitere Einsatzfelder wurden genannt: Prozessautomation
Composite Simulation Roadmap 2015
8
Composite Simulation Roadmap 2015
9
Fazit Frage 3:
 Wichtigste Einsatzfelder der Composite Simulation sind
Bauteilversagen/Crash und Materialbeschreibung.
 Mit Abstand folgen Bauteilanalysen (Sandwich, Schwingungen, Ermüdung),
Materialentwicklung und Drapiersimulation.
 Grundsätzlich sind die Einschätzungen der Panelgruppen bzgl. der Bedeutung
von Composite Simulation in Einsatzfeldern ähnlich.
 Unterschiede sind dennoch auszumachen bei Bauteilanalyen (besonders bei
Untersuchungen Schwingungen und Sandwichstrukturen):
Anwender sehen hier tendenziell geringere Bedeutung als andere
Panelgruppen; Dienstleister sehen hier höhere Bedeutung.
Composite Simulation Roadmap 2015
10
4. Technologie
Befragung Composite Simulation – Frage 4
Frage 4: „Was sind relevante Technologien (Technologiegrundlagen) für die
Simulation von Composites?“
 als weitere relevante Technologien wurden genannt:
Mikromechanische Simulation, 3D-Charakterisierung, Mikrostrukturerfassung
Composite Simulation Roadmap 2015
11
Fazit Frage 4:
 Alle Befragten schätzen Materialmodelle als „bedeutend“ (19%)
oder „sehr bedeutend“ (81%) ein.
 Mit deutlichem Abstand folgen Solver-Technologien, Kontaktalgorithmen und
Parallelisierungsverfahren (immer noch mindestens ca. 2/3 erachten diese als
„bedeutend“ oder „sehr bedeutend“)
 KI-Methoden findet die Mehrheit der Befragten gering bedeutend oder
unbedeutend.
 Die Einschätzungen der Panelgruppen bzgl. der Bedeutung der Technologien
zur Composite Simulation sind sehr ähnlich.
Composite Simulation Roadmap 2015
12
5. F&E-Bedarf
Befragung Composite Simulation – Frage 5
Frage 5: „Wo sehen Sie Forschungs-/ Entwicklungsbedarf für die
Simulation von Composites?“
 als weiterer, relevanter F&E-Bedarf wurde genannt: Gesamtprozess
Composite Simulation Roadmap 2015
13
Fazit Frage 5:
 Hoher F&E-Bedarf im Rahmen der Composite Simulation wird in den
Bereichen Materialmodelle, Versagen, Lebensdauer und Herstellprozess
gesehen.
 Mit Abstand folgen Fluid-/Struktur-Interaktion, Fügen, Kontaktalgorithmen.
 Die Forscher sehen zumeist überdurchschnittlich viel Forschungsbedarf,
ausgenommen die Themen “Versagen” und “Kontaktalgorithmen”.
 F&E-Bedarf im Feld “Versagen” hat niemand als “unbedeutend” eingeschätzt.
Composite Simulation Roadmap 2015
14
Weitere Erkenntnisse zu F&E-Bedarfen: Ergebnisse des
Industriearbeitskreises Composite Simulation
Weitere Problemstellungen aus Expertensicht
I. Modellierung
Ziele
 Reduktion von Versuchen, bessere Simulation
 konservative Annahmen reduzieren, keine unangemessene
Überdimensionierung,
lastgerechte Bauteile
 schnellere Qualifikation
 optimale Sandwich bzw. Leichtbaulösung für das jeweilige Bauteil
 Simulationsfähigkeit von Sandwichstrukturen; Einfluss von
Fertigungsparametern, Strukturaufbau und Material
 Virtual Design von Sandwich-Strukturen
 Vertiefung Materialkenntnisse Sandwichstrukturen
 Crashboxen/-elemente für Serienfahrzeuge, Fertigung / Crashmodelle
 Vereinfachung des Simulationsprozesses (automatische Kalibrierung), freie
Programmierung eines individuellen Materialmodells
 Kostengünstige Kernmaterialien und Prozesse für die PKW-Anwendung
 Beschreibung Gesamtspannung im Sandwich/Sandwich mit verstärktem
Schaumkern
Probleme
 aufwändige Modellierung, keine Modellierungsart allgemein validiert
 unternehmensgerechte Modellierung (keine akademischen Ansätze/Modelle)
 effiziente Modellbildung – Durchgängigkeit der Prozesskette / Auslegung /
Fertigungsaufbau – programmierfähige Modelle
Composite Simulation Roadmap 2015
15
 Lifecycle und Fatigue Simulation, Simulation von Vibrationen
 Abbildung von Versagensmechanismen und Validierung komplexer
Herstellungsprozesse
Aufgaben
 Kalibrierung zwischen realen Bauteilen und Simulation
 Kennwertermittlung – Verknüpfung Versagensmodelle mit Versuchen
 Kennwerte aus Prozess- Simulation
 Kosten-/Aufwandsoptimierte Simulation von FVK- Strukturen –
geschlossene Prozesssimulation (VAP/ RTM)
 Verständnis über Versagensmechanismen
 Materialmodelle, Materialtrennung: Riss
 dynamisches Verhalten: Steifigkeit f(F), Dämpfung / Dauerfestigkeiten
 Fertigungssimulation
Weitere Problemstellungen aus Expertensicht
II. Materialkennwerte
Ziele
 Erzeugung einer Materialmodell-Datenbank (Zeiteinsparung)
 Makroskopische Materialmodellierung
 Abbildung: Chemie/Materialeigenschaften „RTM“
Probleme
 viele mögliche Material-Kombinationen, daher sind mehrere Materialmodelle
notwendig
 zuverlässige Materialkennwerte, Modelle zur Schadensentstehung und
Ausbreitung
Composite Simulation Roadmap 2015
16
Aufgaben
 Materialieneigenschaften besser simulieren durch besseres Verständnis des
Materials
 Berechnungsmethodik: Berechnungswerkzeuge, Materialmodelle
weiterzuentwickeln, einschließlich Versagen
Weitere Problemstellungen aus Expertensicht
III. Sandwichstrukturen
Probleme
 Abbildung von Adhäsion der Kern-Decklage, bis zu welcher Dicke
Schalenformulierung für Sandwich nutzbar
 Abbildung inhomogener Schäume, Simulation Betriebsfestigkeit (insbesondere
der Fügetechnik)
 Prognosegüte bei CFK- und Sandwichstrukturen
 Modellierung Deckschichtanbindung (Klebung)
 adaptives lastabhängiges Vernetzungs-Switching
 große Kantenlänge ermöglicht keine Darstellung von Sandwich-
Wabenstrukturen
 Sandwichmodellierung: Berechnungszeiten zu groß
 Eigenspannung im Sandwich, Kennwerte für verstärkte Schaumkerne
 Zuordnung Sandwichaufbau zu Anforderung/Struktur
Composite Simulation Roadmap 2015
17
Aufgaben
 schnelle FE-Modellableitung von Sandwichstrukturen mittels CT und
angepasster CT- Software
 Aufbau systematischer Auswahlverfahren und validierte Materialkennwerte für
Sandwichbauteile
Weitere Problemstellungen aus Expertensicht
IV. Weitere
Schnittstellendefinition zwischen Messtechnik und FE-Modellierung offen:
 Abstimmungsbedarf zwischen Messtechnik- und Softwareherstellern sowie
Anwendern
Mehrdeutigkeiten bei Bestimmung optimaler Materialparameter infolge der
Modelleigenschaften:
 mathematischen Untersuchung von Materialmodellen notwendig,
Mechanismus-basierte Materialmodellierung besser als eine
phänomenologische
Mehrdeutigkeiten bei Bestimmung optimaler Materialparameter infolge Material-
Inhomogenitäten:
 Kombination von Vollfeldmesstechniken mit
Mesostrukturcharakterisierungsmethoden notwendig
Composite Simulation Roadmap 2015
18
6. Ausblick
Ansatzpunkte Verbundforschung
 Leitthema „Prognosefähigkeit textilbasierter Sandwichstrukturen unter
Berücksichtigung der Prozesstechnologie“
Subthemen
 „Experimentelle und numerische Untersuchung des Einflusses der
Textilkonstruktion und der Kernbeschaffenheit auf die Verklebung in
Sandwich-Strukturen.“
 „Simulationsfähigkeit des Versagensverhaltens von Sandwich-Strukturen bei
Crash-Anwendungen.“
 „Anwendungsgerechte Modellierung und Kennwertermittlung von Sandwich-
Strukturen mit Wabenkern.“
7. Zusammenfassung
 Composite Simulation ist aktuell ein sich stark bewegendes Gebiet mit gut
identifizierbaren Einsatzfeldern
 wie viele andere Technologien wandert diese von stark Oligopol-geprägten
Branchen (Luftfahrt, Auto) in Polypol-Branchen (wie Maschinenbau) mit
tendenziell kleineren Strukturen
 viele gute Ansätze vorhanden, aber Forschungsbedarf in genannten Feldern
auf absehbare Zeit sehr groß
 weitere Auswertungen und Analysen von Sekundärliteratur zur Composite
Simulation Roadmap folgen in diesem Jahr
 Themen werden kontinuierlich weiterverarbeitet im “Industriearbeiskreis
Composite Simulation” des VDCs und der AFBW
 Veröffentlichungen erfolgen auf der Websites des VDCs und der AFWB
Composite Simulation Roadmap 2015
19
Besuchen Sie auch im kommenden Jahr den Fachkongress Composite Simulation!
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Composite Simulation Roadmap

  • 1. Composite Simulation Roadmap Branchen, Einsatzfelder, Technologien, Entwicklungsbedarfe Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach www.vdc-fellbach.de Ulrike Möller Allianz Faser-basierte Werkstoffe Baden-Württemberg (AFBW) www.afbw.eu
  • 2. Composite Simulation Roadmap 2015 2 Inhalt 1. Datenerhebung .................................................................................................... 3 2. Branchen.............................................................................................................. 4 3. Einsatzfelder ........................................................................................................ 7 4. Technologie ....................................................................................................... 10 5. F&E-Bedarf ........................................................................................................ 12 6. Ausblick.............................................................................................................. 18 7. Zusammenfassung............................................................................................. 18
  • 3. Composite Simulation Roadmap 2015 3 1. Datenerhebung Erhebung zur Composite Simulation Roadmap  Durchführung der Befragung im Februar 2015 auf dem Fachkongress Composite Simulation 2015  Damit Einschränkung des Panels auf mutmaßliche Experten im Thema.  43 verwertbare beantwortete Fragebögen  Nicht alle Fragebögen wurden vollständig beantwortet. Bei prozentualen Auswertungen wurde als Grundgesamtheit (= 100%) immer nur die Menge der Antworten gewählt, die sich explizit zu einer Frage geäußert haben.  Zusätzliche Angaben als Ergebnis des Industriearbeitskreises Composite Simulation, der seit 2013 besteht.
  • 4. Composite Simulation Roadmap 2015 4 2. Branchen Befragung Composite Simulation – Frage 1 Frage 1: „In welcher Branche sind Sie tätig?“
  • 5. Composite Simulation Roadmap 2015 5 Befragung Composite Simulation – Frage 2 Frage 2: „In welchen Branchen sehen Sie Anwendungen der Simulation von Composites?“  als weitere Branchen wurden genannt: Straßenbau, Brückenbau, Windkraftanlagenbau, Verteidigung
  • 6. Composite Simulation Roadmap 2015 6 Fazit Frage 2:  Die Branchen Automobil und Luft- & Raumfahrt sind dominierend in ihrer Bedeutung für die Composite Simulation (95% hohe oder sehr hohe Bedeutung).  Mit deutlichen Abstand folgen Sport & Freizeit, Nutzfahrzeugbau, Maschinenbau, Medizintechnik und Schienenfahrzeugbau.  Weitere Branchen sind Schutzvorrichtungsbau, Architektur Anlagenbau, Verpackungstechnik.  Im Vergleich mit den anderen Panelgruppen sehen die Anwender weniger Bedarf in der Architektur.  Im Vergleich mit den anderen Panelgruppen sehen die Dienstleister weniger Bedarf im Maschinenbau.
  • 7. Composite Simulation Roadmap 2015 7 3. Einsatzfelder Befragung Composite Simulation – Frage 3 Frage 3: „In welchen Einsatzfeldern sehen Sie Anwendungen der Simulation von Composites?“  als weitere Einsatzfelder wurden genannt: Prozessautomation
  • 9. Composite Simulation Roadmap 2015 9 Fazit Frage 3:  Wichtigste Einsatzfelder der Composite Simulation sind Bauteilversagen/Crash und Materialbeschreibung.  Mit Abstand folgen Bauteilanalysen (Sandwich, Schwingungen, Ermüdung), Materialentwicklung und Drapiersimulation.  Grundsätzlich sind die Einschätzungen der Panelgruppen bzgl. der Bedeutung von Composite Simulation in Einsatzfeldern ähnlich.  Unterschiede sind dennoch auszumachen bei Bauteilanalyen (besonders bei Untersuchungen Schwingungen und Sandwichstrukturen): Anwender sehen hier tendenziell geringere Bedeutung als andere Panelgruppen; Dienstleister sehen hier höhere Bedeutung.
  • 10. Composite Simulation Roadmap 2015 10 4. Technologie Befragung Composite Simulation – Frage 4 Frage 4: „Was sind relevante Technologien (Technologiegrundlagen) für die Simulation von Composites?“  als weitere relevante Technologien wurden genannt: Mikromechanische Simulation, 3D-Charakterisierung, Mikrostrukturerfassung
  • 11. Composite Simulation Roadmap 2015 11 Fazit Frage 4:  Alle Befragten schätzen Materialmodelle als „bedeutend“ (19%) oder „sehr bedeutend“ (81%) ein.  Mit deutlichem Abstand folgen Solver-Technologien, Kontaktalgorithmen und Parallelisierungsverfahren (immer noch mindestens ca. 2/3 erachten diese als „bedeutend“ oder „sehr bedeutend“)  KI-Methoden findet die Mehrheit der Befragten gering bedeutend oder unbedeutend.  Die Einschätzungen der Panelgruppen bzgl. der Bedeutung der Technologien zur Composite Simulation sind sehr ähnlich.
  • 12. Composite Simulation Roadmap 2015 12 5. F&E-Bedarf Befragung Composite Simulation – Frage 5 Frage 5: „Wo sehen Sie Forschungs-/ Entwicklungsbedarf für die Simulation von Composites?“  als weiterer, relevanter F&E-Bedarf wurde genannt: Gesamtprozess
  • 13. Composite Simulation Roadmap 2015 13 Fazit Frage 5:  Hoher F&E-Bedarf im Rahmen der Composite Simulation wird in den Bereichen Materialmodelle, Versagen, Lebensdauer und Herstellprozess gesehen.  Mit Abstand folgen Fluid-/Struktur-Interaktion, Fügen, Kontaktalgorithmen.  Die Forscher sehen zumeist überdurchschnittlich viel Forschungsbedarf, ausgenommen die Themen “Versagen” und “Kontaktalgorithmen”.  F&E-Bedarf im Feld “Versagen” hat niemand als “unbedeutend” eingeschätzt.
  • 14. Composite Simulation Roadmap 2015 14 Weitere Erkenntnisse zu F&E-Bedarfen: Ergebnisse des Industriearbeitskreises Composite Simulation Weitere Problemstellungen aus Expertensicht I. Modellierung Ziele  Reduktion von Versuchen, bessere Simulation  konservative Annahmen reduzieren, keine unangemessene Überdimensionierung, lastgerechte Bauteile  schnellere Qualifikation  optimale Sandwich bzw. Leichtbaulösung für das jeweilige Bauteil  Simulationsfähigkeit von Sandwichstrukturen; Einfluss von Fertigungsparametern, Strukturaufbau und Material  Virtual Design von Sandwich-Strukturen  Vertiefung Materialkenntnisse Sandwichstrukturen  Crashboxen/-elemente für Serienfahrzeuge, Fertigung / Crashmodelle  Vereinfachung des Simulationsprozesses (automatische Kalibrierung), freie Programmierung eines individuellen Materialmodells  Kostengünstige Kernmaterialien und Prozesse für die PKW-Anwendung  Beschreibung Gesamtspannung im Sandwich/Sandwich mit verstärktem Schaumkern Probleme  aufwändige Modellierung, keine Modellierungsart allgemein validiert  unternehmensgerechte Modellierung (keine akademischen Ansätze/Modelle)  effiziente Modellbildung – Durchgängigkeit der Prozesskette / Auslegung / Fertigungsaufbau – programmierfähige Modelle
  • 15. Composite Simulation Roadmap 2015 15  Lifecycle und Fatigue Simulation, Simulation von Vibrationen  Abbildung von Versagensmechanismen und Validierung komplexer Herstellungsprozesse Aufgaben  Kalibrierung zwischen realen Bauteilen und Simulation  Kennwertermittlung – Verknüpfung Versagensmodelle mit Versuchen  Kennwerte aus Prozess- Simulation  Kosten-/Aufwandsoptimierte Simulation von FVK- Strukturen – geschlossene Prozesssimulation (VAP/ RTM)  Verständnis über Versagensmechanismen  Materialmodelle, Materialtrennung: Riss  dynamisches Verhalten: Steifigkeit f(F), Dämpfung / Dauerfestigkeiten  Fertigungssimulation Weitere Problemstellungen aus Expertensicht II. Materialkennwerte Ziele  Erzeugung einer Materialmodell-Datenbank (Zeiteinsparung)  Makroskopische Materialmodellierung  Abbildung: Chemie/Materialeigenschaften „RTM“ Probleme  viele mögliche Material-Kombinationen, daher sind mehrere Materialmodelle notwendig  zuverlässige Materialkennwerte, Modelle zur Schadensentstehung und Ausbreitung
  • 16. Composite Simulation Roadmap 2015 16 Aufgaben  Materialieneigenschaften besser simulieren durch besseres Verständnis des Materials  Berechnungsmethodik: Berechnungswerkzeuge, Materialmodelle weiterzuentwickeln, einschließlich Versagen Weitere Problemstellungen aus Expertensicht III. Sandwichstrukturen Probleme  Abbildung von Adhäsion der Kern-Decklage, bis zu welcher Dicke Schalenformulierung für Sandwich nutzbar  Abbildung inhomogener Schäume, Simulation Betriebsfestigkeit (insbesondere der Fügetechnik)  Prognosegüte bei CFK- und Sandwichstrukturen  Modellierung Deckschichtanbindung (Klebung)  adaptives lastabhängiges Vernetzungs-Switching  große Kantenlänge ermöglicht keine Darstellung von Sandwich- Wabenstrukturen  Sandwichmodellierung: Berechnungszeiten zu groß  Eigenspannung im Sandwich, Kennwerte für verstärkte Schaumkerne  Zuordnung Sandwichaufbau zu Anforderung/Struktur
  • 17. Composite Simulation Roadmap 2015 17 Aufgaben  schnelle FE-Modellableitung von Sandwichstrukturen mittels CT und angepasster CT- Software  Aufbau systematischer Auswahlverfahren und validierte Materialkennwerte für Sandwichbauteile Weitere Problemstellungen aus Expertensicht IV. Weitere Schnittstellendefinition zwischen Messtechnik und FE-Modellierung offen:  Abstimmungsbedarf zwischen Messtechnik- und Softwareherstellern sowie Anwendern Mehrdeutigkeiten bei Bestimmung optimaler Materialparameter infolge der Modelleigenschaften:  mathematischen Untersuchung von Materialmodellen notwendig, Mechanismus-basierte Materialmodellierung besser als eine phänomenologische Mehrdeutigkeiten bei Bestimmung optimaler Materialparameter infolge Material- Inhomogenitäten:  Kombination von Vollfeldmesstechniken mit Mesostrukturcharakterisierungsmethoden notwendig
  • 18. Composite Simulation Roadmap 2015 18 6. Ausblick Ansatzpunkte Verbundforschung  Leitthema „Prognosefähigkeit textilbasierter Sandwichstrukturen unter Berücksichtigung der Prozesstechnologie“ Subthemen  „Experimentelle und numerische Untersuchung des Einflusses der Textilkonstruktion und der Kernbeschaffenheit auf die Verklebung in Sandwich-Strukturen.“  „Simulationsfähigkeit des Versagensverhaltens von Sandwich-Strukturen bei Crash-Anwendungen.“  „Anwendungsgerechte Modellierung und Kennwertermittlung von Sandwich- Strukturen mit Wabenkern.“ 7. Zusammenfassung  Composite Simulation ist aktuell ein sich stark bewegendes Gebiet mit gut identifizierbaren Einsatzfeldern  wie viele andere Technologien wandert diese von stark Oligopol-geprägten Branchen (Luftfahrt, Auto) in Polypol-Branchen (wie Maschinenbau) mit tendenziell kleineren Strukturen  viele gute Ansätze vorhanden, aber Forschungsbedarf in genannten Feldern auf absehbare Zeit sehr groß  weitere Auswertungen und Analysen von Sekundärliteratur zur Composite Simulation Roadmap folgen in diesem Jahr  Themen werden kontinuierlich weiterverarbeitet im “Industriearbeiskreis Composite Simulation” des VDCs und der AFBW  Veröffentlichungen erfolgen auf der Websites des VDCs und der AFWB
  • 19. Composite Simulation Roadmap 2015 19 Besuchen Sie auch im kommenden Jahr den Fachkongress Composite Simulation! Rückblick auf 2015