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Neuer Studiengang

Virtuelle Produktentwicklung (Digitaler Maschinenbau)

Das Studienangebot richtet sich an Interessenten, die den Maschinenbau für die digitale Zukunft aktiv mitgestalten wollen und die dazu bereits heute verfügbaren Werkzeuge kennenlernen und nutzen wollen.

Die Virtuelle Produktentwicklung basiert auf den gleichen fachlichen Grundlagen wie der klassische Maschinenbau, Hier werden die Grundlagen an fachspezifischen Aufgabenstellungen durch Anwendung analytischer und experimenteller Verfahren vertieft und erweitert.

Bei der Virtuellen Produktentwicklung werden die Grundlagen anders weiterverwendet. Der Fokus liegt jetzt auf fachübergreifenden Aufgabenstellungen. Computer helfen dabei, komplexe Zusammenhänge durch numerische Simulationen aufzulösen und ggf. zu optimieren.

Durch die Virtuelle Produktentwicklung lassen sich so die analytischen Verfahren des klassischen Maschinenbaus sehr effizient erweitern. Je nach Anwendungsfall werden Lösungen der Virtuellen Produktentwicklung über einen experimentellen Nachweis der Wirksamkeit validiert, während die Optimierungsphase weitestgehend virtuell stattfindet.

Planungsraster des Studiengangs Virtuelle Produktentwicklung

Einen Überblick über den zeitlichen Ablauf und die Struktur des Studiengangs sowie die Semesterwochenstunden und die vergebenen Credits gibt das nachfolgende Planungsraster.

Der Studiengang Virtuelle Produktentwicklung ist aus fünf Blöcken aufgebaut.

Block I befasst sich mit Grundlagen angewandter Mathematik und Naturwissenschaften. Schwerpunkte sind hier Technische Mechanik, Thermodynamik oder optional Elektrotechnik.

Block II besteht aus den technischen Grundlagen des Maschinenbaus. Hier geht es um die klassischen Verfahren von Konstruktion, Entwicklung und Fertigung sowie des Materialverhaltens und der Messtechnik. Die Inhalte der beiden ersten Blöcke sind mit wenigen Ausnahmen identisch mit denen des klassischen Maschinenbaus.

Im Block III werden nicht-technische Module behandelt. Hier werden die Module Wirtschaft und Fremdsprache (Technisches Englisch) um interdisziplinäre Kompetenzen wie Lernmethoden, Kommunikation, Sozialkompetenz und Präsentation ergänzt. Als neues Lehrformat wird für diesen im globalen Umfeld wichtigen Themenkomplex ein fünteiliges Seminar angeboten.

Block IV beinhaltet die fachspezifischen Schwerpunkte des digitalen Maschinenbaus. Neben angewandter Informatik mit Programmierung von Software und Hardware werden hier virtuelle Methoden zur Produktentwicklung und zum System Engineering praktisch angewandt.

Im Block V können zwei beliebige Wahlfächer belegt werden, die auch aus einer Auswahl des Fachbereichs Maschinenbau und Mechatronik stammen können. Die beiden praktischen Abschlussarbeiten Studienarbeit und Bachelorarbeit mit mündlichem Kolloquium schließen das Studium ab.

Verfahren der Virtuellen Produktentwicklung

Der erste Schritt in die Welt der CAx-Technologien besteht im Erstellen dreidimensionaler Geometriemodelle, was das früher gängige zweidimensionale Konstruieren bereits weitgehend verdrängt hat. Die 3D-Konstruktion stellt heute in der Regel das Basisverfahren für alle weiteren Analysen dar. Ziel ist es heutzutage, den Produktlebenszyklus von Industrieprodukten durch digitale Modelle möglichst vollständig abbilden zu können.

Das wichtigste Verfahren der CAD-Technologien (Computer Aided Design oder Rechnerunterstütztes Konstruieren) ist die 3D-Konstruktion. Hierbei steht zunächst das funktionale Konstruieren von Produkten im Vordergrund. Neben einzelnen Bauteilen ist auch das Gestalten von Baugruppen oder größeren Einheiten möglich.

Alternativ können zur Ermittlung von Geometrien auch Verfahren des 3D-Scannens eingesetzt werden. Dies ist insbesondere beim Reverse-Engineering, bei der häufig keine Bauteilunterlagen zur Verfügung stehen, eine praktische Arbeitserleichterung. Auch komplexe Bauteile lassen sich hier mit hoher Genauigkeit erfassen. Weitere Anwendungen bestehen in der Qualitätssicherung komplex geformte Serienbauteile und bei Werkzeugen.

Technische Zeichnungen, die weiterhin als grafische Dokumentation für die Standard-Schnittstelle zwischen Entwicklung und  Fertigung von Bauteilen dienen, können problemlos und schnell aus den 3D-Modellen abgeleitet werden. Nachträgliche Änderungen in der Konstruktion lassen sich dabei einfach aktualisieren.

DMU-Modelle (Digital-Mockup-Unit) dienen dazu, Einbausituationen ganzer Maschinen bereits vor deren Produktion auf mögliche Kollisionen hin zu überprüfen.

Weitere Anwendungen sind CAS-Technologien (Computer Aided Styling oder Rechnerunterstütztes Design). Bei der 3D-Gestaltung steht weniger die Funktion als mehr die ästhetische Form im Vordergrund. Schwerpunkte liegen hier auf professioneller Produktdarstellung und Sonderverfahren zum Konstruieren von Freiformgeometrien.

Funktionsanimationen virtueller Modelle dienen zur Visualisierung von Bewegungsabläufen aus unterschiedlichen Perspektiven und Beleuchtungssituationen. Die 3D-Visualisierung erzeugt fotorealistische Darstellungen von Produkten auf Basis von Ray-Tracing oder Studio-Darstellungen, die teilweise von echten Produkten nicht zu unterscheiden sind.

Auf der Basis der 3D-Modelle können über die Gruppe der CAE-Technologien (Computer Aided Engineering oder Rechnerunterstützte Entwicklung) weiterführende Analysen auf dem Gebiet der Festkörpermechanik, Fluidmechanik oder Thermodynamik durchgeführt werden. Hierzu sollen einige typische mechanische Analysen vorgestellt werden.

Bei Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) kann das strukturmechanische Verhalten von festen Bauteilen oder Baugruppen unter Berücksichtigung von Dehnungen oder Verzerrungen sowie inneren Beanspruchungen bzw. Spannungen analysiert werden. Typischerweise lassen sich Bauteile heutzutage über FEM-Modelle sehr präzise im Verhalten abbilden.

Baugruppen werden häufig über sogenannte Mehrkörpersysteme (MKS) betrachtet. Von Interesse sind reine Bewegungsanalysen ohne Berücksichtigung der Ursachen (kinematische Modelle) oder Bewegungsanalysen als Folge äußerer Belastungen (dynamische Modelle). 3D-Modelle stellen für die MKS-Simulation die Bauteileigenschaften zur Verfügung und erlauben auch eine realitätsnahe Visualisierung der Bewegungsabläufe.

Strömungsvorgänge in Flüssigkeiten und Gasen können mittels CFD-Analysen (CFD für Computed Fluid Dynamics) untersucht werden. Neben durchströmten Bauteilen wie Leitungssystemen, Ventilen und Behälter sind auch angeströmte Bauteile wie beispielsweise Flugzeugflügel oder Automobile von Interesse. Aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge stellen CFD-Analysen auch heute noch eine Herausforderung für den Ingenieur dar.

Mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich auch Wärmeübertragungsvorgänge in Bauteilen oder zwischen Bauteilen analysieren. Thermische- und Strömungsanalysen lassen sich zu gekoppelten Systemen verbinden, die insbesondere in der der Energietechnolgie eine Beudeutung haben.

Multi-Physics Simulationen koppeln verschiedene physikalische Problemstellungen des CAE in eine gemeinsame Simulation. Gegenüber der Betrachtung einer einzelnen physikalischen Problemstellung, wie z.B. dem strukturmechanischen Verhalten, wird das Zusammenwirken in einem Gesamtmodell betrachtet.

Geometrie- und Topologie-Optimierung erlauben durch mehrmaliges Anwenden eine systematische Optimierung konstruktiver Ausführungen. Neben manuellen Verbesserungen, beispielsweise durch Trendanalysen, kann die Optimierung auch automatisiert werden.

CAM-Technologien (Computer Aided Manufacturing oder Rechnerunterstützte Fertigung) sowie CAP (Computer Aided Production Planning) erlauben die Anwendung virtueller Methoden im Bereich der Fertigung und Produktionsplanung. Schwerpunkt liegt hier auf der Optimierung von Produktionsprozessabläufen.

Eine Simulation von Zerspanungsabläufen kann auf der Basis der 3D-Modelle auf virtuellen Fertigungsmaschinen durchgeführt werden, um eine kollisionsfreie Werkzeugführung im Vorfeld der Fertigung sicherzustellen. Weiterhin können Maschinenlaufzeiten durch optimierte Wege minimiert werden. Gleichzeitig lassen sich auf Basis dieser Simulation Steuerprogramme für CNC-Produktionsmaschinen erstellen.

Simulationen von Urformverfahren wie zum Beispiel das Gießen oder unterschiedliche Verfahren der Kunststoffverarbeitung können wiederum auf der Basis von CFD-Analysen durchgeführt werden. Für die Simulation von Urformverfahren gilt das gleiche wie für die Simulation plastischer Umformprozesse deren Schwerpunkt liegt in der Fertigung.

Die Simulation plastischer Umformprozesse ist ein Zusammenspiel aus Entwicklung und Fertigung und basiert auf FEM-Berechnungen mit in der Regel komplexeren Materialmodellen. In der Fertigung steht der optimale Ablauf der Produktionsprozesse im Vordergrund, während in der Entwicklung die Produkteigenschaften ausgelegt werden.

Additive Fertigungsverfahren wie das 3D-Drucken können über geeignete Software-Schnittstellen unmittelbar auf den 3D-Modellen aufsetzen. Dabei lassen sich Eigenschaften und Geometrien herstellen, die mit den bisherigen Fertigungsverfahren nicht möglich waren.

Virtuelle Fabriklayouts und Virtueller Werkzeugbau werden eingesetzt, um Produktionsanlagen vor deren Realisierung auf Ihre Funktionsfähigkeit hin zu überprüfen und Optimierungen in Bezug auf den Produktionsablauf vorzunehmen.

Anhand virtueller Inbetriebnahmen können Steuerungen von Industrieanlagen, gekoppelt mit deren virtuellen Anlagenmodellen, auf den gewünschten Funktionsablauf im späteren Betrieb beim Anwender hin überprüft.

Bei der Augmented-Reality werden reale Situationen mit virtuellen Modellen gemischt. Die Virtual-Reality umfasst demgegenüber rein virtuelle Modelle. Beide Verfahren finden Einsatz in Entwicklungsprozessen und beim Service von Maschinen und Anlagen.