MBO@Halder

Simulieren statt probieren

29.6.2010

Bevor „Rapid Prototyping“ kam, arbeiteten sich Entwicklerteams durch Test und anschließende Überarbeitung von Prototypen schrittweise an die richtige Konstruktion heran. Das wird heute genauso gemacht – vorgeschaltet wird eine Simulation im Computer. Sie zeigt das Verhalten neuer Komponenten, schon bevor sie gebaut werden.

ACTech hat 2008 einen Abgasturbolader entwickelt, der im Antrieb von Wasserfahrzeugen verwendet werden kann. Das Besondere: Wegen der Feuergefährdung dürfen ihre Oberflächen höchstens 80 ˚C warm werden – Abgase erreichen aber 900 ˚C und mehr.

Bei solchen Aufgaben sind Ingenieure gleichzeitig Materialexperten, Konstrukteure, Einkäufer, Fertigungstechniker und Produkttester: Der Werkstoff muss den Temperaturen im Turbolader standhalten. Er soll aber nicht teuer oder schwer zu verarbeiten sein. Also braucht man eine Konstruktion, die zu den richtigen Arbeitstemperaturen für die gewünschten Materialien führt.

Das ACTech-Team entschied sich für die Wasserkühlung – im Motorenbau bewährt, für Turbolader eine Innovation. „Wasserkühlung“ bedeutete, den Lader mit einem Wassermantel zu umgeben, der Wärme abtransportiert. Beim Kühlsystem mussten die Ingenieure die Strömung des Kühlmittels berücksichtigen, das bis zu einer Temperatur von 120 ˚C eingesetzt werden konnte und unterschiedlich heiße Zonen des Laders kühlen sollte.

Zuerst erarbeitete das Team das CAD-Modell für einen Gusseisenturbolader und spielte dann mit einer Simulationssoftware die Strömungsverhältnisse durch. Ergebnis: Im Kühlkreislauf, der aus fertigungstechnischen Gründen zwei Kammern hatte, traten Spitzentemperaturen von 300 ˚C auf – zu viel für das Kühlmittel.

Die Simulation zeigte, dass die Strömung im Kühlkreislauf zu langsam war und nur einen Teil des Kühlmittels einbezog. Daraufhin wurden in der nächsten Konstruktionsstufe aus zwei Kammern vier – das verbesserte Temperaturverteilung und Strömung. Da die Simulation immer noch zu hohe Temperaturen auswies, wurden statt der Daten für Gusseisen die von Aluminium geladen. Als Folge musste die Konstruktion geändert werden, denn Aluminium kann mit kleineren Wandstärken verarbeitet werden als Eisen. Aber die Lösung war da: Die zehnmal bessere Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und dünnere Wände kühlten den Turbolader deutlich ab – ohne seine mechanische Belastbarkeit zu reduzieren.

Für ACTech-Geschäftsführer Florian Wendt bestätigt das die Geschäftsidee von ACTech: „Simulationen sparen Zeit und Geld – so reift ‚Rapid Prototyping‘ zur kompletten Dienstleistung.“