430 kg (34 %) weniger Aufbaumasse: MORPHOTEC präsentiert Ergebnisse des Forschungsprojekts ULAS-E-VAN zu FEM-Simulation, Topologieoptimierung und Leichtbau elektrischer Lieferfahrzeuge.
430 Kilogramm weniger Aufbaumasse bei gleichzeitig hoher struktureller Leistungsfähigkeit: Das abgeschlossene Forschungsprojekt ULAS-E-VAN zeigt das Potenzial simulationsgetriebener Leichtbauentwicklung für elektrische Lieferfahrzeuge. MORPHOTEC aus Aachen beteiligte sich mit umfangreichen Arbeiten zur Topologieoptimierung, Strukturmechanik und Bauteilentwicklung an dem öffentlich geförderten Verbundvorhaben.
Wie lässt sich die Masse elektrisch betriebener Lieferfahrzeuge deutlich reduzieren, ohne die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit ihrer tragenden Strukturen zu beeinträchtigen? Mit dieser Fragestellung beschäftigte sich das Forschungsprojekt ULAS-E-VAN („Ultra-Leichte Aufbau-Struktur für ein leichtes Elektro-Nutzfahrzeug“).
Die Ergebnisse des von den Ford-Werken koordinierten Forschungsverbunds zeigen ein erhebliches Leichtbaupotenzial: Die Masse der betrachteten Aufbaustruktur konnte im optimierten Konzept von 1.266 auf 836 Kilogramm reduziert werden. Das entspricht einer Masseneinsparung von 430 Kilogramm beziehungsweise rund 34 Prozent.
Der Vergleich umfasst die Aufbaustrukturen einschließlich Türen und Regalsystem, nicht jedoch das vollständige Fahrzeug mit Fahrwerk, Antrieb und Batterie.
Das Aachener Ingenieurunternehmen MORPHOTEC, das bereits im Oktober 2022 über die Zielsetzung des Forschungsprojekts berichtet hatte, stellt nun die abgeschlossenen Forschungsergebnisse und ausgewählte eigene Entwicklungsarbeiten vor.
Simulationsgetriebener Leichtbau statt konventioneller Konstruktion
Bei batterieelektrischen Nutzfahrzeugen stellt die Fahrzeugmasse einen wesentlichen Einflussfaktor für Energiebedarf und verfügbare Nutzlast dar. Insbesondere im innerstädtischen Lieferverkehr müssen Fahrzeuge hohe Nutzlastanforderungen erfüllen und gleichzeitig möglichst energieeffizient betrieben werden.
Im Forschungsprojekt ULAS-E-VAN wurden daher alternative tragende Fahrzeugstrukturen entwickelt, die unterschiedliche Werkstoffe und Funktionen miteinander kombinieren.
Zu den untersuchten Ansätzen gehörten Aluminium-Tragstrukturen, optimierte Gussbauteile, großflächige Sandwichpaneele sowie die Integration eines lasttragenden Regalsystems in die Aufbaustruktur.
Ein wesentliches Element war dabei die simulationsgetriebene Entwicklung. Anstatt Bauteile ausschließlich auf Grundlage konventioneller Konstruktionsansätze auszulegen, wurden ihre Lastpfade, Materialverteilungen und Wanddicken mithilfe numerischer Berechnungsverfahren untersucht und optimiert.
Hierzu kamen unter anderem Finite-Elemente-Analysen (FEM), Topologieoptimierung, parametrische Optimierungsverfahren und Simulationen des Herstellungsprozesses zum Einsatz.
34 Prozent weniger Masse – verbesserte Torsions- und Biegeeigenschaften
Der gemeinsame Schlussbericht des Forschungsverbunds dokumentiert den Vergleich zwischen einer skalierten Referenzstruktur und dem optimierten ULAS-E-VAN-Konzept.
Die Ergebnisse zeigen nicht nur die Reduzierung der Aufbaumasse von 1.266 auf 836 Kilogramm, sondern auch eine hohe strukturmechanische Leistungsfähigkeit der leichteren Konstruktion.
In der numerischen Analyse erreichte die optimierte Struktur eine um 40 Prozent höhere Torsionssteifigkeit als die Referenzstruktur. Gleichzeitig sank die Bodendurchbiegung unter dem betrachteten Biegelastfall auf nur noch 60 Prozent des ursprünglichen Wertes.
Bei den untersuchten Bordstein-Lastfällen entsprach die diagonale Portalverzerrung bei einseitiger Belastung links dem Referenzwert, während sie bei Belastung rechts um 10 Prozent darüber lag.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine deutliche Reduzierung des Materialeinsatzes nicht zwangsläufig mit einer entsprechenden Verringerung der strukturellen Leistungsfähigkeit verbunden sein muss. Entscheidend ist vielmehr, das vorhandene Material entsprechend den mechanischen Belastungen und konstruktiven Anforderungen einzusetzen.
MORPHOTEC entwickelt und optimiert komplexe Leichtbaustrukturen
MORPHOTEC war im Rahmen seines Teilvorhabens unmittelbar an der simulationsgestützten Entwicklung unterschiedlicher Strukturkomponenten beteiligt.
Ein Schwerpunkt lag auf der Topologieoptimierung von Gussknoten und tragenden Rahmenstrukturen. Dabei wurde untersucht, wie sich Material innerhalb vorgegebener Bauräume so verteilen lässt, dass die erforderliche Steifigkeit bei möglichst geringer Masse erreicht wird.
Neben den mechanischen Belastungen wurden auch fertigungstechnische Randbedingungen berücksichtigt, beispielsweise Mindestwanddicken und geometrische Einschränkungen aufgrund der vorgesehenen Gießverfahren.
Die Untersuchungen zeigten sowohl erhebliche Leichtbaupotenziale als auch Grenzen einzelner Werkstoff- und Fertigungskonzepte. So wurden unterschiedliche Gussknotenvarianten hinsichtlich ihrer Masse, Steifigkeit und Herstellbarkeit bewertet. Nicht jeder optimierte Entwurf erfüllte dabei sämtliche Anforderungen für eine Übernahme in die Gesamtstruktur.
Ein weiterer Schwerpunkt war die simulationsgestützte Entwicklung einer A-Säulenstruktur aus Aluminiumdruckguss als Alternative zu einer hochfesten Stahlkonstruktion.
Durch die Kombination von Topologieoptimierung, expliziter dynamischer Simulation und integrierter automatischer Wanddickenoptimierung konnte die Masse des untersuchten Bauteils von 18,4 auf rund 14,2 Kilogramm reduziert werden. Dies entspricht einer Massenreduzierung um etwa 23 Prozent bei Einhaltung der definierten mechanischen Anforderungen.
Die Untersuchungen verdeutlichen, wie sich durch eine belastungsgerechte Gestaltung von Rippenstrukturen und die gezielte Anpassung lokaler Wanddicken das Leichtbaupotenzial metallischer Bauteile erschließen lässt.
Entwicklung des modular skalierbaren Batteriegehäuses
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt war die Entwicklung eines modular skalierbaren Batteriegehäuses für elektrische Nutzfahrzeuge. Untersucht wurden unterschiedliche Fertigungs- und Fügeverfahren, die Integration der Batteriekühlung sowie das Strukturverhalten unter Crashbelastungen. Neben umfangreichen Simulationen und Komponentenprüfungen wurde auch eine warmumgeformte Batteriewanne als Technologiedemonstrator hergestellt.
Optimierte Batterieschutzstrukturen durch gezielte Sickenanordnung
Auch im Bereich des Unterboden-Batterieschutzes untersuchte MORPHOTEC Möglichkeiten, die mechanische Leistungsfähigkeit von Strukturkomponenten bei gleichbleibender Wanddicke zu verbessern.
Im Mittelpunkt stand eine großflächige Bodenplatte, deren Verformung unter definierten lokalen Belastungen mithilfe numerischer Simulationen untersucht wurde.
Durch die automatisierte Optimierung der Sickengeometrie konnten die Durchbiegungen im untersuchten Belastungsszenario deutlich verringert werden.
Im sogenannten Pollertest wurde die lokale Belastung der Batterieschutzplatte durch einen Impaktor mit 100 mm Durchmesser und einer Prüfkraft von 36 kN simuliert. Bei einer erweiterten Untersuchung mit 35 unterschiedlichen Impaktorpositionen wurde eine Reduzierung der Durchbiegung um bis zu 57 Prozent gegenüber der Ausgangsgeometrie erzielt, ohne die Wanddicke der Bodenplatte zu erhöhen.
Dieses Ergebnis zeigt das Potenzial geometrischer Optimierungsverfahren, insbesondere für großflächige Blechstrukturen, bei denen die Bauteilmasse möglichst gering gehalten werden soll.
Funktionsintegration als Schlüssel zum Leichtbau
Neben der Optimierung einzelner Bauteile verfolgte das Projekt einen weiteren Ansatz: die Integration mehrerer Funktionen in gemeinsame tragende Strukturen.
Ein Beispiel ist das Regalsystem des Lieferfahrzeugs. Während konventionelle Fahrzeuge häufig mit einer nachträglich montierten Laderaumeinrichtung ausgestattet werden, wurde im ULAS-E-VAN-Konzept ein Regalsystem entwickelt, das gleichzeitig zur Steifigkeit des Fahrzeugaufbaus beiträgt.
Dadurch konnten tragende Rahmenstrukturen, flächige Bauteile und Regalkomponenten gemeinsam betrachtet und hinsichtlich ihrer Materialverteilung optimiert werden.
Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe und die gezielte Nutzung zusätzlicher Tragfunktionen eröffneten dabei erhebliche Potenziale zur Verringerung der Gesamtmasse des Fahrzeugaufbaus.
Auch wirtschaftlich interessante Ergebnisse
Der gemeinsame Schlussbericht enthält zudem eine vereinfachte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der entwickelten Aufbaustruktur.
Der Wirtschaftlichkeitsvergleich ergab für die optimierte Aufbaustruktur rechnerische Mehrkosten von rund 0,92 Euro je eingespartem Kilogramm, wenn das in die Tragstruktur integrierte Regalsystem berücksichtigt wird. Ohne Einbeziehung des Regalsystems lagen die Mehrkosten bei etwa neun Euro je eingespartem Kilogramm. Die Berechnung basiert auf vereinfachten Material- und Fertigungskostenannahmen. Ein gesonderter Vergleich der erforderlichen Investitionskosten wurde nicht durchgeführt.
Die Ergebnisse unterstreichen die wirtschaftliche Bedeutung der Funktionsintegration, bei der zusätzliche Aufgaben von bereits vorhandenen Strukturkomponenten übernommen werden können.
Potenzial für zukünftige elektrische Nutzfahrzeuge
Die im ULAS-E-VAN-Projekt entwickelten Konzepte und Simulationsmethoden zeigen, welches Leichtbaupotenzial durch eine systematische Verbindung von Strukturmechanik, Topologieoptimierung, Werkstoffauswahl und fertigungsorientierter Konstruktion erschlossen werden kann.
Für batterieelektrische Lieferfahrzeuge kann eine reduzierte Aufbaumasse zusätzliche Spielräume bei der Nutzlast und beim Energiebedarf schaffen.
Die im gemeinsamen Schlussbericht ausgewiesene Masseneinsparung von 430 Kilogramm ist das Ergebnis der Entwicklungs- und Simulationsarbeiten des gesamten Forschungsverbunds. Die untersuchten Konzepte und Technologiedemonstratoren bilden eine Grundlage für weiterführende industrielle Entwicklungen; eine Serienumsetzung des optimierten Gesamtaufbaus ist damit nicht gleichzusetzen.
MORPHOTEC konnte die im Rahmen des Forschungsprojekts eingesetzten Optimierungs- und Simulationsmethoden weiterentwickeln und in sein ingenieurtechnisches Dienstleistungsportfolio integrieren.
Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auch auf weitere industrielle Anwendungen übertragen, bei denen hohe mechanische Anforderungen mit möglichst geringem Materialeinsatz erfüllt werden müssen.
Über das Forschungsprojekt ULAS-E-VAN
Das Verbundforschungsvorhaben ULAS-E-VAN (Förderkennzeichen 03LB3086) wurde im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.
Die Projektkoordination lag bei der Ford-Werke GmbH. Weitere Verbundpartner waren Benteler GmbH, Voxeljet AG, C-TEC GmbH, Altair Engineering GmbH, MORPHOTEC sowie die RWTH Aachen mit dem Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA) und dem Institut für Kraftfahrzeuge (ika). Die Franken Guss GmbH & Co. KG war ebenfalls am Forschungsverbund beteiligt, schied jedoch vorzeitig aus dem Projekt aus.
MORPHOTEC bearbeitete das Teilvorhaben „Anwendungsentwicklung zur Simulation und Optimierung von Leichtbaustrukturen im E-VAN mittels Inspire Cast, OptiStruct und FEMFAT“ unter dem Förderkennzeichen 03LB3086G.
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MORPHOTEC ist ein Ingenieurunternehmen für numerische Simulation, CAE und technische Optimierung. Das Leistungsspektrum umfasst unter anderem Struktur- und Umformsimulation, Dynamik, Thermik sowie die simulationsgestützte Produkt- und Prozessentwicklung. Im Bereich der Metallumformung bietet MORPHOTEC Simulationsdienstleistungen, Schulungen und den Vertrieb der Umformsimulationssoftware AFDEX an. Kunden können sowohl einzelne Entwicklungs- und Analyseaufgaben an MORPHOTEC vergeben als auch AFDEX für die eigene Inhouse-Simulation einsetzen.
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