Fibersim 幫助雷丁汽車改進(jìn)輕量設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)
-用纖維增強(qiáng)塑料高效開發(fā)產(chǎn)品
-開發(fā)輕量部件，滿足政府排放及燃料經(jīng)濟(jì)法規(guī)要求

成功關(guān)鍵
-采用Fibersim 軟件
-在纖維增強(qiáng)塑料加工方面的豐富專業(yè)知識(shí)
-對(duì)成本的系統(tǒng)級(jí)評(píng)估

結(jié)果
-開發(fā)了世界領(lǐng)先的輕量街道跑車
-將輕量設(shè)計(jì)服務(wù)推廣到汽車行業(yè)之外
-通過采用輕量戰(zhàn)略以及使用復(fù)合材料降低了總體成本

行業(yè)
汽車及交通運(yùn)輸

客戶主要業(yè)務(wù)
雷丁汽車公司一家技術(shù)公司，也是2008 年發(fā)布的獨(dú)一無二的碳輕量跑車?yán)锥∨苘嚨闹圃焐獭Ｗ猿闪⒁詠?，雷丁汽車一直專注于開發(fā)和制造用纖維增強(qiáng)塑料制造的輕量結(jié)構(gòu)，為汽車、工業(yè)機(jī)械和航空航天行業(yè)的客戶提供服務(wù)。

解決方案/服務(wù)
Fibersim

客戶位置
雷丁
德國

"我們把Fibersim 視為三維CAD、計(jì)算和生產(chǎn)之間的關(guān)鍵連接。"
Georg Käsmeier

首席執(zhí)行官

雷丁汽車

"只有用技術(shù)技巧和正確的軟件工具才能掌握這些復(fù)雜過程。"
Georg Käsmeier

首席執(zhí)行官

雷丁汽車

"從我們的角度來看，輕量設(shè)計(jì)的最大潛力是利用復(fù)合材料。Fibersim 是實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵所在。"
Georg Käsmeier

首席執(zhí)行官

雷丁汽車 

替代材料的潛力
直到幾年前，鋼鐵還是大部分制造業(yè) – 尤其是汽車行業(yè) – 的首選材料。設(shè)計(jì)人員把這一材料納入了自己的材料數(shù)據(jù)庫。由于需要提高能效，因此增加了對(duì)輕量汽車和用于制造輕量汽車的替代材料的需求。鋁和鎂以及包括纖維增強(qiáng)塑料在內(nèi)的一些創(chuàng)新塑料在很多設(shè)計(jì)人員的材料數(shù)據(jù)庫中正變得越來越常見。最新三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)的先進(jìn)功能使這些材料的精確計(jì)算和詳細(xì)設(shè)計(jì)成為可能。因此，作為高性能輕量材料，碳增強(qiáng)塑料（CFRP）、玻璃增強(qiáng)塑料（GFRP）等纖維增強(qiáng)塑料（FRP）正在逐步取代金屬材料。

FRP 的加工挑戰(zhàn)
雷丁汽車（雷丁）是纖維增強(qiáng)塑料加工領(lǐng)域的開拓者之一。作為領(lǐng)先的德國輕量、高性能汽車制造商，雷丁在FRP 產(chǎn)品開發(fā)和制造方面擁有豐富的專業(yè)知識(shí)。Georg Käsmeier 是雷丁汽車公司的首席執(zhí)行官和創(chuàng)始人。對(duì)他而言，關(guān)鍵在于早期在三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)中定義零件設(shè)計(jì)和材料選擇。Käsmeier 表示，“在大規(guī)模生產(chǎn)中，基本上只有設(shè)計(jì)人員的三維CAD 系統(tǒng)中定義的材料種類才能以高成本效益的方式使用。纖維增強(qiáng)塑料在這里帶來了一項(xiàng)特定挑戰(zhàn)。地像織物一樣的扁平墊子必須正確褶皺和預(yù)成形，只有這樣之后，并且考慮纖維結(jié)構(gòu)，才能生產(chǎn)處可使用的零件。現(xiàn)在，根據(jù)設(shè)計(jì)好的纖維結(jié)構(gòu)計(jì)算呢材料屬性以判斷應(yīng)變和變形就成了有趣的工作了。只有用技術(shù)技巧和正確的軟件工具才能掌握這些復(fù)雜過程。”

為了掌握設(shè)計(jì)、分析和制造FRP 產(chǎn)品的復(fù)雜性，雷丁將產(chǎn)品生命周期管理（PLM）專家 Siemens PLM Software 提供的Fibersim™ 軟件組合用于復(fù)合材料工程。Käsmeier 表示，“我們把Fibersim 視為三維CAD、計(jì)算和生產(chǎn)之 間的關(guān)鍵連接。該軟件被無縫集成到我們現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程之中。此外，該軟件易于操作。作為該軟件的開發(fā)商，Siemens PLM Software 是持續(xù)開發(fā)的合作伙伴。”



從縫隙到主流
在2007 年，慕尼黑工業(yè)大學(xué)的四名年輕工程師與以精密技術(shù)著稱的Stangl & Kulzer 集團(tuán)的董事組建團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了一款超輕量跑車。隨著雷丁汽車的成立，現(xiàn)在世界上隨處都出現(xiàn)了最輕量街道跑車。雷丁跑車R1 是一款用輕量碳材料設(shè)計(jì)的跑車，采用小批量制造。

在汽車行業(yè)取得巨大成功之后，Käsmeier 希 望讓其它行業(yè)了解纖維增強(qiáng)塑料的可用性。Käsmeier 解釋道，“對(duì)我們而言，雷丁跑車R1 是CFRP 如何推動(dòng)輕量設(shè)計(jì)的一個(gè)絕佳范例。因此，雷丁技術(shù)擴(kuò)大了我們的服務(wù)范圍，向其它行業(yè)提供我們的專業(yè)知識(shí)。除了汽車、航空和宇航技術(shù)外，我們還是機(jī)床和設(shè)備制造、醫(yī)療技術(shù)和消費(fèi)品行業(yè)的開發(fā)伙伴。這是因?yàn)槲覀冎啦牧?，并且能夠評(píng)估材料能夠在哪里發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。比如，通過用CFRP 替換傳統(tǒng)材料，往往能夠產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，對(duì)減輕整車重量產(chǎn)生積極影響。”

“輕量設(shè)計(jì)螺旋”節(jié)約成本
經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員經(jīng)常提到新出現(xiàn)的“輕量設(shè)計(jì)螺旋”。減重策略不得單單依靠個(gè)別部件，因?yàn)橹挥胁捎孟到y(tǒng)減重方法才能達(dá)到最優(yōu)減重效果。此外，要實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)，就要求一開始就實(shí)施減重設(shè)計(jì)策略。

車身減重會(huì)對(duì)車輛總體減重產(chǎn)生螺旋影響：減輕車身重量，就會(huì)減輕底盤重量，要求的發(fā)動(dòng)機(jī)就更小，要求的蓄電池電源也更少，或者會(huì)減少燃料箱容量，今兒減少剎車力，進(jìn)一步減少車身重量。從單個(gè)來看，通過用CFRP 制造的零件來減輕重量一開始似乎比金屬鋼或鋁制零件更昂貴。但是，若從整車來看，使用CFRP 的成本更低。

雷丁汽車發(fā)現(xiàn)了更多的機(jī)會(huì)窗口。Käsmeier 表示，“我希望將像這些因素一樣的因素從整體系統(tǒng)評(píng)估中除掉，提供與決策相關(guān)的可靠數(shù)據(jù)。汽車行業(yè)正處于一個(gè)20 或30 多年以來從未經(jīng)歷過的巨大變革時(shí)代。輕量設(shè)計(jì)是前瞻性自然資源保護(hù)的變速桿，每個(gè)行業(yè)都能因之受益。”



設(shè)計(jì)中的纖維知識(shí)
除了具備輕量、高剛性和巨大強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)之外，纖維增強(qiáng)塑料的外觀還提供了更高的價(jià)值以及出色的設(shè)計(jì)靈活性。當(dāng)設(shè)計(jì)人員對(duì)FRP 產(chǎn)品進(jìn)行建模時(shí)，織物信息成了幾何信息的一部分，在計(jì)算材料行為時(shí)必須予以考慮。Käsmeier 正是從這一點(diǎn)看到了Fibersim 的突出優(yōu)勢(shì)，“我們現(xiàn)在用Fibersim 從幾何圖形進(jìn)入纖維層，從設(shè)計(jì)進(jìn)入制造。在從CAD 模型到成品零件的整個(gè)工作流中，該軟件均為我們提供了巨大支持。”

比如，用幾何圖形生成的一塊帶精確纖維層、纖維類型和纖維角度定義的表面。通過對(duì)織物進(jìn)行褶皺仿真，設(shè)計(jì)人員能夠用Fibersim 來判斷是否能夠生成預(yù)期的褶皺效果。通過使用Fibersim，有助于識(shí)別帶易于解釋的色度的問題點(diǎn)。比如，紅色區(qū)域?yàn)榘櫦y或者其它不希望出現(xiàn)的褶皺效果。這些可以通過變更零件數(shù)據(jù)、應(yīng)用刻痕或者切換材料來加以補(bǔ)救。

Fibersim 提供了一個(gè)可以用特定材料屬性進(jìn)行修改和調(diào)整的材料數(shù)據(jù)庫。比如，該數(shù)據(jù)庫含有材料厚度數(shù)據(jù)、纖維剪切角度數(shù)據(jù)以及機(jī)械屬性數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)仿真增強(qiáng)了設(shè)計(jì)人員對(duì)成品零件屬性的信心。Fibersim 可用于為結(jié)構(gòu)仿真和有限元建模（FEM）程序提供用于計(jì)算的輸出數(shù)據(jù)。由于有了Fibersim 提供的數(shù)據(jù)，即使在制造過程中將纖維和粘結(jié)材料“結(jié)合”的過程也可以通過全面仿真程序進(jìn)行說明。Käsmeier 表示，“對(duì)我們而言，這正是充分發(fā)揮Fibersim 的特定優(yōu)勢(shì)的地方。這個(gè)工具極為高效，能夠產(chǎn)生快速響應(yīng)。作為一家合同制造商，我們依賴于具有超高可靠性的快速結(jié)果。Fibersim 確實(shí)是一個(gè)非常出色的解決方案。”



轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)
在生產(chǎn)方面，F(xiàn)ibersim 可以自動(dòng)為接頭處生成層板作業(yè)指導(dǎo)書，為切割機(jī)床生成格式適當(dāng)?shù)膶影逭归_圖。Käsmeier 表示，“對(duì)我們而言，F(xiàn)ibersim 是CAD 模型和生產(chǎn)之間的理想接口。Fibersim 為我們提供的另一個(gè)重要組件是定位圖 – 即所謂的‘層板作業(yè)指導(dǎo)書’。該操作程序確保將坯件成品嵌入擠出模的正確位置。Fibersim 會(huì)自動(dòng)生成這些定位圖，精確設(shè)定嵌入復(fù)合材料纖維墊子的方向和順序。這樣，加工復(fù)合材料的額外優(yōu)勢(shì)首次就得以體現(xiàn)，比如將不同的纖維和材料類型結(jié)合到一個(gè)夾層符合材料中。”

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，通過簡(jiǎn)化層板形狀對(duì)過程進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化，優(yōu)化排樣效率，減少材料浪費(fèi)和成本。然后，在深拉過程中按照要求的三維形狀對(duì)切口增強(qiáng)層板進(jìn)行預(yù)成形處理。然后，三維預(yù)成形可注入樹脂，并轉(zhuǎn)移到高壓樹脂傳輸模制（HD-RTM）機(jī)，高壓注入的樹脂會(huì)均勻擴(kuò)散到整個(gè)預(yù)成形。然后注入樹脂后的預(yù)成形會(huì)快速固化，形成預(yù)期的復(fù)合材料零件。



符合材料的最大輕量設(shè)計(jì)潛力
Käsmeier 表示，“從我們的角度來看，輕量設(shè)計(jì)的最大潛力在于利用復(fù)合材料。Fibersim 是實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵所在，因?yàn)樗莆樟藦?fù)合材料設(shè)計(jì)和計(jì)算的復(fù)雜細(xì)節(jié)。面向未來的成功設(shè)計(jì)要求概述每個(gè)相關(guān)的材料類型。多材料混合構(gòu)造明確證明了這一能力。替代材料越多，替代解決方案更好。能夠輕易確定碳、鋁、鋼、鎂或者熱塑料最佳應(yīng)用場(chǎng)所的就具有大優(yōu)勢(shì)。”