Die Ingenieursfrage
Kann ein Achsschenkel signifikant erleichtert werden, ohne seine strukturelle Integrität zu beeinträchtigen?
Der ursprüngliche Stahl-Achsschenkel wog 6,3 kg und trug stark zur ungefederten Masse des Fahrzeugs bei. Ziel war es, ihn neu zu gestalten, um das Gewicht zu minimieren, ohne seine strukturelle Integrität zu beeinträchtigen, Kosten zu senken und die Umweltauswirkungen dieser Massenreduzierung zu berücksichtigen.
Die bestehende Komponente verstehen
Erfassen der vorhandenen Geometrie für das parametrische Redesign.
3D-Scan & Netz
Parametrisches CAD
Überprüfung der anfänglichen Hypothese
Das ursprüngliche Design wurde analysiert, um die Projekthypothese zu validieren.
Ein kombinierter Lastfall (maximales Bremsen, maximale Kurvenfahrt und maximaler Schlaglocheinschlag) wurde am ursprünglichen Achsschenkel simuliert, um eine Basislinie zu erstellen. Die Analyse bestätigte, dass die ursprüngliche Komponente Bereiche mit geringer bis gar keiner Belastung aufwies, was die Hypothese bestätigte, dass das Teil überdimensioniert war.
Konzeptentwicklung
Optimierung allein war nicht genug.
Das Redesign kombinierte technische Analyse mit Konzeptuntersuchung. Die visuelle und strukturelle Sprache der Komponente wurde absichtlich neu gestaltet, wobei alternative Ideen und Ästhetiken erforscht wurden, anstatt sich nur auf die reine Topologieoptimierung zu verlassen.
CAD-Redesign
Umwandlung des Konzepts in ein herstellbares CAD-Modell.
Der Erhalt funktionaler Schnittstellen war entscheidend. Die optimierte Geometrie wurde mithilfe parametrischer Modellierung konstruiert, um sicherzustellen, dass fertigungstechnische Überlegungen berücksichtigt wurden und die neue Designsprache beibehalten wurde.
Originale Rekonstruktion
Fertigbares CAD-ModellAbschließende strukturelle Validierung
Die neu gestaltete Komponente wurde unter den gleichen Belastungsbedingungen validiert.
Die strukturelle Leistung blieb erhalten. Der Sicherheitsfaktor blieb bei identischen kombinierten Lastfällen deutlich über 2,0, während eine Massenreduzierung von 33,3 % erreicht wurde.
Endgültiges Design
Ein leichterer, optimierter Achsschenkel.
Technische Ergebnisse
Leistungskennzahlen.
33.3%
Massenreduzierung
6.34.2kg
Endgewicht
>2
Sicherheitsfaktor
Technische Überlegungen
Erkenntnisse aus dem Redesign-Prozess.
Was gut funktionierte: Die parametrische Rekonstruktion direkt aus den Scandaten war sehr erfolgreich und bewahrte alle funktionalen Schnittstellen präzise.
Größte technische Herausforderung: Die Übersetzung der rohen, facettierten Ausgabe der Topologieoptimierung in ein glattes, herstellbares CAD-Modell erforderte umfangreiche manuelle Oberflächenbearbeitung.
Was verbessert werden könnte: Die Etablierung eines robusteren Koordinatensystems und die Anwendung von Referenzmarkierungen während des initialen 3D-Scans hätten den Ausrichtungsprozess optimiert.
Wichtigste technische Erkenntnisse: Optimierung ist nur ein Teil des technischen Prozesses; geometrische, ästhetische und fertigungstechnische Randbedingungen bestimmen die endgültige visuelle Sprache ebenso sehr wie die Spannungsverteilung.
Nächste Schritte
Zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten.
Umstellung auf Aluminium und geschraubte Lager
Im Gegensatz zur Verwendung von Stahl und eingepressten Lagern im ursprünglichen Ford Focus Achsschenkel geht der aktuelle Trend in der Automobilindustrie hin zur Verwendung von Aluminiumlegierungen und geschraubten Befestigungssystemen. Diese Lösung ermöglicht es, die Masse der Baugruppe zu reduzieren, die Wartbarkeit des Fahrzeugs zu verbessern und den Austausch sowie die Austauschbarkeit von Komponenten während ihrer Lebensdauer zu erleichtern.
Generatives Design und Additive Fertigung
Als natürliche Weiterentwicklung könnte eine Methodik auf Basis von generativem Design entwickelt werden, um noch effizientere Lösungen zu erhalten. Die metallische additive Fertigung würde es ermöglichen, diese komplexen Geometrien mit einem Freiheitsgrad zu materialisieren, der mit herkömmlichen Verfahren nicht erreichbar ist.
Experimentelle Validierung durch Ermüdungstests
Der nächste logische Schritt nach diesem Projekt besteht darin, das Verhalten der Komponente experimentell zu validieren. Obwohl die strukturelle Integrität durch Finite-Elemente-Simulation unter dem kombinierten Lastfall verifiziert wurde, ist die physikalische Validierung durch Ermüdungstests auf einem Prüfstand unerlässlich, um die Haltbarkeit des Designs zu bewerten und seine Machbarkeit unter realen Betriebsbedingungen zu bestätigen.
Technische Zusammenfassung
Neugestaltung eines leichteren Achsschenkels ohne Kompromisse bei der strukturellen Integrität, Herstellbarkeit oder Leistung.
Allgemeine Beschreibung
Diese Bachelorarbeit konzentrierte sich auf die Neugestaltung des vorderen Achsschenkels eines Ford Focus Active (2021) durch Reverse Engineering, Topologieoptimierung und CAD-gestützte Produktentwicklung.
Ziel war es nicht nur, die ungefederte Masse zu reduzieren, sondern eine herstellbare technische Lösung zu entwickeln, die strukturelles Verhalten, Nachhaltigkeitskriterien und Produktdesign in Einklang bringt.
Technische Entscheidungen
- Reverse Engineering: Die Geometrie der Originalkomponente wurde mittels 3D-Scannen digitalisiert und als vollständig parametrisches CAD-Modell rekonstruiert, wobei alle funktionalen Schnittstellen und geometrischen Randbedingungen erhalten blieben.
- Strukturanalyse: Vor jedem Redesign wurde der ursprüngliche Achsschenkel mittels Finite-Elemente-Analyse unter einem kombinierten Lastfall analysiert, um überdimensionierte Bereiche zu identifizieren und die Hypothese der Gewichtsreduzierung zu validieren.
- Konzeptentwicklung: Die Topologieoptimierung wurde als werkzeugunterstützendes Design eingesetzt und mit einem konzeptionellen Explorationsprozess kombiniert, um eine Lösung zu entwickeln, die sowohl das strukturelle Verhalten als auch die finale Geometrie der Komponente verbesserte.
- Design for Manufacturing: Das Optimierungsergebnis wurde als herstellbares CAD-Modell rekonstruiert, wobei Kriterien der Herstellbarkeit, funktionalen Integration und industriellen Machbarkeit berücksichtigt wurden.
Validierung
Die neu gestaltete Komponente wurde mit demselben kombinierten Lastfall evaluiert, der auf das Originalteil angewendet wurde, was einen direkten Vergleich ihres strukturellen Verhaltens ermöglichte. Simulationen mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) bestätigten, dass das neue Design unter den anspruchsvollsten Belastungsbedingungen einen Sicherheitsfaktor von über 2 beibehielt.
Ergebnis
- Massenreduzierung von 33,3 % (6,3 kg → 4,2 kg).
- Sicherheitsfaktor größer als 2 unter kritischen Lasten.
- Geschätzte Einsparung von 29 Litern Kraftstoff während der Lebensdauer des Fahrzeugs.
- Geschätzte Reduzierung von 73,4 kg CO₂ pro Fahrzeug, unter Berücksichtigung von Herstellung und Nutzungsphase.
- Arbeit mit Auszeichnung (9,3/10) bewertet.