Der Produktentstehungsprozess umfasst die aufeinanderfolgenden Phasen von der Konzeptentwicklung bis hin zur Serienreife und Produktion eines komplexen technischen Produkts, wie beispielsweise eines Fahrzeugs. Dabei ist zu beachten, dass der Begriff „Produktentstehungsprozess“ meist die Entwicklungs- und Produktionsphasen beschreibt, während der umfassendere Begriff „Produktlebenszyklus“ zusätzlich die Nutzungs- und Recyclingphase umfasst, welche den gesamten Zeitraum bis zum Ende der Produktverwendung abdeckt. Besonders im Automobilbereich sind die Entwicklungsphasen häufig parallel und interdisziplinär organisiert, um den vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden.

Die Entwicklung eines Fahrzeugs gliedert sich in verschiedene Fachdisziplinen, die jeweils spezifische Systeme und Komponenten betreuen: die Fahrzeugdisziplin, die Karosserie, das Fahrwerk, den Antriebsstrang, die Elektrik/Elektronik sowie die Software. Jede dieser Disziplinen steuert eigene Fachbereiche bei, wie etwa den Fahrzeuggewichtseinfluss auf den Kraftstoffverbrauch in der Fahrzeugdisziplin oder die Steuergeräte in der Elektronik. Die Integration dieser Einzeldisziplinen erfordert eine enge Abstimmung, da Zielgrößen auf Fahrzeugebene durch Beiträge mehrerer Fachbereiche realisiert werden.

Der Konzeptentwicklungsabschnitt umfasst die Vorentwicklung neuer Technologien, die Definition und Bestätigung des Produktdesigns sowie die Festlegung der Leistungsanforderungen für Systeme, Baugruppen und Einzelkomponenten. Hier wird auch entschieden, welche Teile intern durch den OEM (Original Equipment Manufacturer) oder extern durch Zulieferer entwickelt und gefertigt werden. Die Serienentwicklung baut darauf auf und beinhaltet das detaillierte Design, die Erstellung von Prototypen, Simulationen und Tests zur Sicherstellung von Funktion und Zuverlässigkeit. Parallel dazu werden die Produktionsanlagen vorbereitet, wobei etwa 95 % der Bauteile mit Serienwerkzeugen gefertigt werden.

Die Produktionsphase beginnt mit dem Serienanlauf (Ramp-up), bei dem die Produktionsmenge schrittweise erhöht wird, bis die maximale Kapazität der Fertigungslinie erreicht ist. Darauf folgt die Serienproduktion mit etablierten Abläufen und umfassenden Prüfungen, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, die häufig einer 100%-Inspektion unterzogen werden. Die Qualitätssicherung erfolgt sowohl inline während der Produktion als auch durch externe Tests. Nach dem Ende der Produktion (End of Production, EOP) wird die Fertigung zwar eingestellt, jedoch die Ersatzteilversorgung über Jahre hinweg aufrechterhalten, um die Nutzungsphase zu begleiten.

Der Verkaufs- und Feldsupportprozess beginnt mit der Markteinführung und begleitet das Produkt während seiner gesamten Nutzungsdauer. Der Feldsupport sichert die Betreuung der Produkte im Einsatz und schließt die Zeit nach Produktionsende mit ein. Die Ersatzteilversorgung wird dabei zeitlich abgestuft sichergestellt, wobei sicherheitskritische Teile meist über einen deutlich längeren Zeitraum verfügbar sind.

Ein zentrales Problem im Produktentwicklungsprozess ist das Spannungsfeld zwischen der frühen Festlegung von Entscheidungen, welche die Wertschöpfung und den späteren Einfluss auf das Produkt bestimmen, und der Unsicherheit, die in frühen Phasen noch vorherrscht. Die Einflussmöglichkeiten auf das Produkt nehmen mit Fortschreiten der Entwicklung ab, während die Kosten und Risiken durch späte Änderungen erheblich steigen. Daher liegt ein großer Fokus auf der Risikoerkennung und -minimierung in der Realisierungsphase, um einen reibungslosen Übergang von der Entwicklung in die Serienproduktion zu gewährleisten.

Neben der detaillierten Betrachtung des Produktentstehungsprozesses ist es wesentlich, den gesamten Produktlebenszyklus im Blick zu behalten. Die Nutzungsphase kann sich über Jahrzehnte erstrecken, insbesondere in der Automobilbranche, und prägt den späteren Wert und die Umweltbilanz des Produkts maßgeblich. Recycling und nachhaltige Produktgestaltung gewinnen daher zunehmend an Bedeutung. Die Integration von Lebenszyklusanalysen in die Entwicklungsprozesse ist notwendig, um ökologische und ökonomische Zielsetzungen zu vereinen.

Ebenso wichtig ist das Verständnis der interdisziplinären Zusammenarbeit und der damit verbundenen Komplexität in der Produktentwicklung. Ein isoliertes Vorgehen einzelner Fachbereiche kann zu Zielkonflikten oder Suboptimierungen führen. Nur durch eine systemische Betrachtung und enge Abstimmung aller beteiligten Disziplinen lassen sich innovative und nachhaltige Produkte realisieren, die den Anforderungen von Markt, Umwelt und Technik gerecht werden.

Optimierung von Crashstrukturen in der Fahrzeugentwicklung: Ansätze und Methoden zur Verbesserung der passiven Sicherheit

Die passive Sicherheit eines Fahrzeugs spielt eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, die Folgen eines unvermeidbaren Verkehrsunfalls zu mildern. Dabei werden nicht nur Sicherheitssysteme wie Airbags und Gurte verwendet, sondern auch die mechanische Struktur des Fahrzeugs, die insbesondere bei einem Crash die kinetische Energie in Verformungsenergie umwandelt. Ziel ist es, die Verzögerungswerte der Insassen auf ein Minimum zu reduzieren und die Deformationspfade möglichst kurz zu halten, um eine kompakte Struktur zu ermöglichen. Dieser Prozess der Entwicklung von Crashstrukturen ist von großer Komplexität, da das strukturelle Verhalten hochgradig nichtlinear ist. Zur Unterstützung dieses Entwicklungsprozesses werden mathematische Optimierungsmethoden genutzt, die eine wichtige Rolle in der Fahrzeugentwicklung spielen.

Die Optimierung solcher Strukturen ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da sie eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen muss, die sowohl gesetzliche Vorschriften als auch Tests zum Schutz der Verbraucher betreffen. Um diese zu erfüllen, müssen verschiedene Designvariablen wie Wandstärken, Form oder Topologie der Strukturelemente optimiert werden. Die zugrunde liegenden Optimierungsprobleme lassen sich dabei in der folgenden allgemeinen Form darstellen:

min f(x)
unter der Bedingung, dass
gj(x) ≤ 0 (ungleichartige Beschränkungen)
hk(x) = 0 (gleichartige Beschränkungen)
xli ≤ xi ≤ xui (Randbedingungen für jede Variable)

Solche Optimierungsaufgaben lassen sich nicht nur zur Minimierung von Energieverbrauch und Kosten formulieren, sondern auch, um die Sicherheit in Crashszenarien zu maximieren, sodass die festgelegten Grenzwerte für Beschleunigungen und Kräfte eingehalten werden.

Zur Durchführung der Optimierungen werden Finite-Elemente-Simulationen genutzt, die eine detaillierte Modellierung des Crashverhaltens ermöglichen. In diesen Simulationen werden unterschiedliche Optimierungsansätze ausprobiert, darunter die Topologieoptimierung, die es ermöglicht, das optimale Layout und die Materialanordnung der Struktur zu finden. Darüber hinaus kommen Verfahren wie die Modellreduktion zum Einsatz, die die Rechenzeiten signifikant verringern können, ohne die Genauigkeit der Simulationen zu beeinträchtigen. Diese Techniken bieten die Möglichkeit, mit kleineren Modellen zu arbeiten, die in realistischen Zeiträumen analysiert werden können.

Eine der zentralen Herausforderungen der Fahrzeugentwicklung liegt in der präzisen Bestimmung der erforderlichen Empfindlichkeiten, die zur Durchführung der Optimierungen notwendig sind. Hierfür werden effiziente Methoden zur Sensitivitätsanalyse entwickelt, die es ermöglichen, die Auswirkungen von Designänderungen auf das Crashverhalten genau zu bestimmen. Diese Analysen sind besonders in der frühen Phase der Fahrzeugentwicklung von großer Bedeutung, um die Anzahl an Tests und Prototypen zu minimieren und den Entwicklungsprozess zu beschleunigen.

Die Anforderungen an die passive Sicherheit sind weltweit vielfältig und variieren je nach Region und den dort geltenden gesetzlichen Vorschriften. Für die Entwicklung sicherer Fahrzeuge müssen diese Anforderungen nicht nur erfüllt, sondern auch in einem umfassenden Evaluierungsschema berücksichtigt werden. Zu den wichtigsten Kriterien gehören unter anderem spezielle Beschleunigungswerte wie der Head Injury Criterion (HIC-Wert), die Energieabsorptionsfähigkeit der Strukturen und die Erfüllung bestimmter Kraftniveaus an definierten Positionen des Fahrzeugs. Für spezifische Lastfälle müssen auch bestimmte Kraftverläufe sowie die Steifigkeit von Bauteilen an speziellen Stellen, wie etwa im Bereich des Fahrgastraums, realisiert werden. Eine niedrige Steifigkeit wiederum kann an Positionen erforderlich sein, die bei einem Unfall in Kontakt mit einem Fußgänger kommen, wie etwa am Kopfkontaktpunkt.

Neben der Anpassung an diese gesetzlichen und sicherheitsrelevanten Anforderungen spielt die Effizienz der verwendeten Software eine entscheidende Rolle. Kommerzielle Solver wie LS-DYNA®, PAM-Crash® oder Radioss® sind heutzutage in der Lage, mit Millionen von Finite-Elementen-Modellen zu arbeiten, die eine detaillierte Simulation des gesamten Fahrzeugs ermöglichen. Die schnelle Berechnung von Crashszenarien ist dabei eine der größten Herausforderungen, die nur mit leistungsfähigen Rechenressourcen und Algorithmen zu bewältigen ist. Eine wichtige Innovation in diesem Bereich ist die Entwicklung von Submodellierungsroutinen, die es ermöglichen, die Berechnungen nicht für das gesamte Fahrzeugmodell, sondern nur für relevante Teilbereiche durchzuführen. Dies reduziert die benötigte Rechenzeit und erhöht die Effizienz des Entwicklungsprozesses erheblich.

Ein weiterer innovativer Ansatz zur Optimierung von Crashstrukturen ist die Verwendung der Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA). Dieses Verfahren ermöglicht eine Modellreduktion, bei der die wichtigsten Parameter eines Designs extrahiert und analysiert werden. Diese Methodik ermöglicht es, Ausreißer zu identifizieren und die Designs zu bewerten, um die besten Lösungen für die Crashsicherheit zu finden. Dabei wird nicht nur die technische Effizienz der Crashstrukturen maximiert, sondern auch die Kosten und der Entwicklungsaufwand reduziert.

Für die Zukunft der Fahrzeugentwicklung sind weitere Fortschritte in der Optimierung von Crashstrukturen zu erwarten. Besonders in Hinblick auf die zunehmende Komplexität der Fahrzeuge und der Vielzahl von gesetzlichen Anforderungen wird der Bedarf an effizienten und innovativen Optimierungsmethoden weiter steigen. Die Kombination aus leistungsstarken Simulationstools, optimierten Algorithmen und innovativen Designansätzen wird es ermöglichen, Fahrzeuge noch sicherer zu machen und gleichzeitig die Entwicklungszeiten und Kosten zu minimieren.

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