Fibersim 帮助雷丁汽车改进轻量设计

业务挑战
-用纤维增强塑料高效开发产品
-开发轻量部件，满足政府排放及燃料经济法规要求

成功关键
-采用Fibersim 软件
-在纤维增强塑料加工方面的丰富专业知识
-对成本的系统级评估

结果
-开发了世界领先的轻量街道跑车
-将轻量设计服务推广到汽车行业之外
-通过采用轻量战略以及使用复合材料降低了总体成本

行业
汽车及交通运输

客户主要业务
雷丁汽车公司一家技术公司，也是2008 年发布的独一无二的碳轻量跑车雷丁跑车的制造商。自成立以来，雷丁汽车一直专注于开发和制造用纤维增强塑料制造的轻量结构，为汽车、工业机械和航空航天行业的客户提供服务。

解决方案/服务
Fibersim

客户位置
雷丁
德国

"我们把Fibersim 视为三维CAD、计算和生产之间的关键连接。"
Georg Käsmeier

首席执行官

雷丁汽车

"只有用技术技巧和正确的软件工具才能掌握这些复杂过程。"
Georg Käsmeier

首席执行官

雷丁汽车

"从我们的角度来看，轻量设计的最大潜力是利用复合材料。Fibersim 是实现这一点的关键所在。"
Georg Käsmeier

首席执行官

雷丁汽车 

替代材料的潜力
直到几年前，钢铁还是大部分制造业 – 尤其是汽车行业 – 的首选材料。设计人员把这一材料纳入了自己的材料数据库。由于需要提高能效，因此增加了对轻量汽车和用于制造轻量汽车的替代材料的需求。铝和镁以及包括纤维增强塑料在内的一些创新塑料在很多设计人员的材料数据库中正变得越来越常见。最新三维计算机辅助设计（CAD）系统的先进功能使这些材料的精确计算和详细设计成为可能。因此，作为高性能轻量材料，碳增强塑料（CFRP）、玻璃增强塑料（GFRP）等纤维增强塑料（FRP）正在逐步取代金属材料。

FRP 的加工挑战
雷丁汽车（雷丁）是纤维增强塑料加工领域的开拓者之一。作为领先的德国轻量、高性能汽车制造商，雷丁在FRP 产品开发和制造方面拥有丰富的专业知识。Georg Käsmeier 是雷丁汽车公司的首席执行官和创始人。对他而言，关键在于早期在三维计算机辅助设计（CAD）系统中定义零件设计和材料选择。Käsmeier 表示，“在大规模生产中，基本上只有设计人员的三维CAD 系统中定义的材料种类才能以高成本效益的方式使用。纤维增强塑料在这里带来了一项特定挑战。地像织物一样的扁平垫子必须正确褶皱和预成形，只有这样之后，并且考虑纤维结构，才能生产处可使用的零件。现在，根据设计好的纤维结构计算呢材料属性以判断应变和变形就成了有趣的工作了。只有用技术技巧和正确的软件工具才能掌握这些复杂过程。”

为了掌握设计、分析和制造FRP 产品的复杂性，雷丁将产品生命周期管理（PLM）专家 Siemens PLM Software 提供的Fibersim™ 软件组合用于复合材料工程。Käsmeier 表示，“我们把Fibersim 视为三维CAD、计算和生产之 间的关键连接。该软件被无缝集成到我们现有的设计和生产过程之中。此外，该软件易于操作。作为该软件的开发商，Siemens PLM Software 是持续开发的合作伙伴。”



从缝隙到主流
在2007 年，慕尼黑工业大学的四名年轻工程师与以精密技术著称的Stangl & Kulzer 集团的董事组建团队，设计了一款超轻量跑车。随着雷丁汽车的成立，现在世界上随处都出现了最轻量街道跑车。雷丁跑车R1 是一款用轻量碳材料设计的跑车，采用小批量制造。

在汽车行业取得巨大成功之后，Käsmeier 希 望让其它行业了解纤维增强塑料的可用性。Käsmeier 解释道，“对我们而言，雷丁跑车R1 是CFRP 如何推动轻量设计的一个绝佳范例。因此，雷丁技术扩大了我们的服务范围，向其它行业提供我们的专业知识。除了汽车、航空和宇航技术外，我们还是机床和设备制造、医疗技术和消费品行业的开发伙伴。这是因为我们知道材料，并且能够评估材料能够在哪里发挥最大优势。比如，通过用CFRP 替换传统材料，往往能够产生多米诺效应，对减轻整车重量产生积极影响。”

“轻量设计螺旋”节约成本
经验丰富的设计人员经常提到新出现的“轻量设计螺旋”。减重策略不得单单依靠个别部件，因为只有采用系统减重方法才能达到最优减重效果。此外，要实现减重目标，就要求一开始就实施减重设计策略。

车身减重会对车辆总体减重产生螺旋影响：减轻车身重量，就会减轻底盘重量，要求的发动机就更小，要求的蓄电池电源也更少，或者会减少燃料箱容量，今儿减少刹车力，进一步减少车身重量。从单个来看，通过用CFRP 制造的零件来减轻重量一开始似乎比金属钢或铝制零件更昂贵。但是，若从整车来看，使用CFRP 的成本更低。

雷丁汽车发现了更多的机会窗口。Käsmeier 表示，“我希望将像这些因素一样的因素从整体系统评估中除掉，提供与决策相关的可靠数据。汽车行业正处于一个20 或30 多年以来从未经历过的巨大变革时代。轻量设计是前瞻性自然资源保护的变速杆，每个行业都能因之受益。”



设计中的纤维知识
除了具备轻量、高刚性和巨大强度的优势之外，纤维增强塑料的外观还提供了更高的价值以及出色的设计灵活性。当设计人员对FRP 产品进行建模时，织物信息成了几何信息的一部分，在计算材料行为时必须予以考虑。Käsmeier 正是从这一点看到了Fibersim 的突出优势，“我们现在用Fibersim 从几何图形进入纤维层，从设计进入制造。在从CAD 模型到成品零件的整个工作流中，该软件均为我们提供了巨大支持。”

比如，用几何图形生成的一块带精确纤维层、纤维类型和纤维角度定义的表面。通过对织物进行褶皱仿真，设计人员能够用Fibersim 来判断是否能够生成预期的褶皱效果。通过使用Fibersim，有助于识别带易于解释的色度的问题点。比如，红色区域为皱纹或者其它不希望出现的褶皱效果。这些可以通过变更零件数据、应用刻痕或者切换材料来加以补救。

Fibersim 提供了一个可以用特定材料属性进行修改和调整的材料数据库。比如，该数据库含有材料厚度数据、纤维剪切角度数据以及机械属性数据。结构仿真增强了设计人员对成品零件属性的信心。Fibersim 可用于为结构仿真和有限元建模（FEM）程序提供用于计算的输出数据。由于有了Fibersim 提供的数据，即使在制造过程中将纤维和粘结材料“结合”的过程也可以通过全面仿真程序进行说明。Käsmeier 表示，“对我们而言，这正是充分发挥Fibersim 的特定优势的地方。这个工具极为高效，能够产生快速响应。作为一家合同制造商，我们依赖于具有超高可靠性的快速结果。Fibersim 确实是一个非常出色的解决方案。”



转移到生产
在生产方面，Fibersim 可以自动为接头处生成层板作业指导书，为切割机床生成格式适当的层板展开图。Käsmeier 表示，“对我们而言，Fibersim 是CAD 模型和生产之间的理想接口。Fibersim 为我们提供的另一个重要组件是定位图 – 即所谓的‘层板作业指导书’。该操作程序确保将坯件成品嵌入挤出模的正确位置。Fibersim 会自动生成这些定位图，精确设定嵌入复合材料纤维垫子的方向和顺序。这样，加工复合材料的额外优势首次就得以体现，比如将不同的纤维和材料类型结合到一个夹层符合材料中。”

为了实现大规模生产，通过简化层板形状对过程进行了进一步细化，优化排样效率，减少材料浪费和成本。然后，在深拉过程中按照要求的三维形状对切口增强层板进行预成形处理。然后，三维预成形可注入树脂，并转移到高压树脂传输模制（HD-RTM）机，高压注入的树脂会均匀扩散到整个预成形。然后注入树脂后的预成形会快速固化，形成预期的复合材料零件。



符合材料的最大轻量设计潜力
Käsmeier 表示，“从我们的角度来看，轻量设计的最大潜力在于利用复合材料。Fibersim 是实现这一点的关键所在，因为它掌握了复合材料设计和计算的复杂细节。面向未来的成功设计要求概述每个相关的材料类型。多材料混合构造明确证明了这一能力。替代材料越多，替代解决方案更好。能够轻易确定碳、铝、钢、镁或者热塑料最佳应用场所的就具有大优势。”