Leicht, langlebig und unendlich anpassungsfähig – Verbundwerkstoffe definieren die Möglichkeiten im Produktdesign neu. Früher waren sie auf die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigungsindustrie beschränkt, heute sind sie ein strategischer Werkstoff in fast allen Branchen, von der Automobilindustrie über Industrieanlagen bis hin zu Energie, Freizeit und Konsumgütern. Und dank fortschrittlicher digitaler Engineering-Tools wie PTC Creo ist ein einst komplexer und fragmentierter Prozess heute schneller, intelligenter und vernetzter denn je.
Eine steigende Nachfrage
Laut Grand View Research wurde der weltweite Markt für Verbundwerkstoffe im Jahr 2022 auf 93,7 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2030 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,2 % wachsen. In ähnlicher Weise prognostizieren andere Analysten, darunter Future Market Insights und Credence Research, ein zweistelliges Wachstum für hochleistungsfähige und fortschrittliche Polymerverbundwerkstoffe.
Für Hersteller sind die Grundlagen klar: das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Eine Gewichtsreduzierung von 10 % bei Fahrzeugen kann beispielsweise die Kraftstoffeffizienz um bis zu 8 % verbessern, was enorme Auswirkungen auf den Transport, die Luftfahrt und die erneuerbaren Energien hat, wo jedes Kilogramm zählt. Leichtere Materialien bedeuten auch kleinere Motoren, geringere Emissionen und längere Lebensdauern.
Angesichts dieser und weiterer Vorteile ist es nicht verwunderlich, dass sich Verbundwerkstoffe von einem Nischenmaterial zu einem zentralen Faktor für leichtere, stärkere und nachhaltigere Konstruktionen entwickelt haben.
Warum Verbundwerkstoffe wichtig sind
Wie Paul Sagar, Vice President of CAD Product Management bei PTC, erklärt, führt das Streben nach leichteren und umweltfreundlicheren Produkten zu einer neuen Denkweise im Bereich Design.
„Hersteller möchten optimale technische Teile entwickeln, und Verbundwerkstoffe bieten ihnen die Möglichkeit dazu“, so Sagar. „Da sie leicht und zunehmend anpassungsfähig sind, spielen Verbundwerkstoffe eine zentrale Rolle bei der Verbesserung der Effizienz und der Reduzierung des CO2-Fußabdrucks, insbesondere im Transportwesen.“
Genau diese Flexibilität ist es, was das heutige Ingenieurwesen verlangt. Von Windturbinenblättern und Wasserstofftanks bis hin zu Tennisschlägern und Prothesen – Verbundwerkstoffe bieten eine Kombination aus Festigkeit, Steifigkeit und geringem Gewicht, die Metalle einfach nicht erreichen können.
Außerdem tragen sie zur Förderung von Nachhaltigkeitsinitiativen bei. Durch die Anpassung der Festigkeit an die Stellen, an denen sie am meisten benötigt wird, können Ingenieure Abfall minimieren und die Produktlebensdauer verlängern, sodass Verbundwerkstoffe nicht nur eine leistungsstarke, sondern auch eine verantwortungsbewusste Wahl sind.
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Die Herausforderung der Komplexität
Trotz all ihrer Vorteile sind Produkte auf Verbundwerkstoffbasis nicht einfach zu konstruieren. Ihr anisotropes Verhalten, bei dem die Festigkeit je nach Faserausrichtung variiert, macht die Analyse und Simulation weitaus komplexer als bei Metallen. Konstrukteure müssen jede Lage, Ausrichtung und Stapelreihenfolge definieren und dabei gleichzeitig die Herstellbarkeit sicherstellen. Eine geringfügige Änderung im Laminat kann die Spannungsverläufe verschieben, die Steifigkeit verändern oder sogar die Aushärtung des Bauteils beeinflussen. Und wenn Projekte Hunderte von Schichten und mehrere Zonen umfassen, wird die manuelle Verwaltung dieser Daten zu einem großen Engpass.
Herkömmliche Arbeitsabläufe, bei denen CAD, CAE und PLM nicht miteinander verbunden sind, stellen einen zusätzlichen Aufwand für einen ohnehin schon zeitaufwändigen und komplexen Prozess dar. Und physische Prototypen können mit den heutigen beschleunigten digitalen Entwicklungsprozessen einfach nicht Schritt halten.
Um die Vorteile von Verbundwerkstoffen wirklich nutzen zu können, benötigen Ingenieure einen integrierten Arbeitsablauf.
Creo: Neudefinition des Verbundwerkstoffdesigns
Creo von PTC vereint Composite-Design, Analyse und Herstellbarkeit in einer vernetzten Umgebung. Ingenieure können vom Konzept bis zur Produktion arbeiten, ohne ihren digitalen Designbereich verlassen zu müssen.
Mit Creo 10 führte PTC ein komplettes Composite-Toolkit ein: Lagenaufbau, Visualisierung von Drapierungen und automatisierte Fertigungsdokumentation. Designer konnten modellieren, wie sich Materialien an komplexe Geometrien anpassen, und in Echtzeit sehen, ob ein Teil tatsächlich gebaut werden kann.
Mit Creo 11 wurden diese Funktionen um zonenbasiertes Design, verbesserte Übergänge und Laserprojektionsunterstützung für präzises, rückverfolgbares Handlaminieren oder automatisierte Faserplatzierung erweitert.
Das Anfang dieses Jahres eingeführte Creo 12 hat die Messlatte noch höher gelegt. Zu den wichtigsten Verbesserungen gehören:
- Schnellere und genauere 3D-Laminatmodellierung für große und komplexe Teile
- Assoziative Fertigungsreferenzmodelle zur Sicherstellung der Übereinstimmung zwischen Entwurf und Fertigung
- Funktion für zusammengeführte Bereiche zur Vereinfachung und Optimierung von Laminierungen
- Verbesserte Drapierungs- und Übergangssteuerungen für realistischere Simulationen
Mit diesen und weiteren Verbesserungen stellt Creo 12 einen großen Fortschritt in Bezug auf Geschwindigkeit und Präzision dar und schließt die Lücke zwischen digitalem Design und realer Fertigung.
„Creo 12 zeigt, wie weit wir gekommen sind“, sagt Sagar. „Designer können nun in einem Bruchteil der Zeit von der Idee zum fertigungsreifen Modell gelangen – und das mit vollständiger Nachverfolgbarkeit und Zuversicht.“
Der Weg vor uns
Angesichts der steigenden Nachfrage nach Produkten auf Verbundwerkstoffbasis richtet PTC seinen Blick bereits auf die Zukunft. Zukünftige Versionen von Creo werden die Unterstützung für Verbundwerkstoff-Einsätze erweitern, die Simulationsintegration vertiefen und KI-gesteuerte Automatisierung integrieren, um Design und Validierung zu optimieren.
„Unser Ziel ist es, das Design von Verbundwerkstoffen so intuitiv wie das von traditionellen Materialien zu gestalten und Ingenieuren gleichzeitig Echtzeit-Einblicke in Leistung und Herstellbarkeit zu ermöglichen“, sagt Sagar.
Diese Zukunft nimmt bereits Gestalt an. Digitales Engineering und Verbundwerkstoffe verschmelzen miteinander, da generatives Design, KI-basierte Optimierung und vernetzte PLM-Systeme wie Windchill und ThingWorx einen kontinuierlichen Digital Thread vom Konzept bis zur Produktion schaffen. Stellen Sie sich vor, Sie entwerfen ein Verbundwerkstoffteil, bei dem jede Entscheidung, von der Faserrichtung bis zum Harztyp, durch Live-Simulationsfeedback, Daten der Zulieferer und Nachhaltigkeitskennzahlen gesteuert wird.
Die Zukunft der Verbundwerkstoff-Innovation gestalten
Da die Industrie immer leichtere, stabilere und nachhaltigere Produkte anstrebt, sind Verbundwerkstoffe zu einem strategischen Faktor geworden. Durch die Kombination dieser Materialien mit den integrierten digitalen Tools von Creo können Hersteller die Entwicklung beschleunigen, die Leistung verbessern und Abfall reduzieren.
Die Zukunft von Produkten auf Verbundwerkstoffbasis liegt nicht nur in ihrer geringeren Gewicht oder höheren Stabilität, sondern auch in ihrer höheren Intelligenz. KI-gestützte Modellierung bewertet und empfiehlt optimale Lagenausrichtungen. Die Cloud-Zusammenarbeit verbindet globale Designteams in Echtzeit. Eingebettete Simulationen validieren die Herstellbarkeit im Laufe der Designentwicklung, und vernetzte PLM-Systeme gewährleisten einen integrierten Workflow vom Designschreibtisch bis zur Fertigung.
Das ist das Ziel von PTC: Ingenieure mit intelligenten, vernetzten Tools auszustatten, die ein sicheres Design, eine optimierte Zusammenarbeit und nachhaltige Innovationen ermöglichen.
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