Simulation Wie Kabel reibungsloser ins Auto kommen

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Autos sind bis unters Dach vollgepackt mit Technik. Immer neue Funktionen machen das Fahren angenehmer oder sicherer. Dies alles auf kleinstem Raum zu verkabeln, ist ein hartes Stück Handarbeit. Professor Stefan Diebels erforscht mit seinem Team an der Universität des Saarlandes, welche Kräfte auf Kabel wirken, wenn sie zugleich gebogen und verdreht werden.

In Oldtimern ist noch alles überschaubar: Von Batterie oder Lichtmaschine führen Kabel zu Motor, Lichtern, Radio oder Scheibenwischern. Heute dagegen stecken Tausende von Einzelkabeln in dicken Kabelbäumen, die sich im Fahrzeug verästeln wie ein Wurzelwerk. Sie versorgen und verknüpfen unzählige Sensoren und Minicomputer, die untereinander kommunizieren und alles Mögliche steuern: vom Tempomat, Spur- oder Bremsassistenten bis hin zum Fensterheber – etwa damit Scheiben beim Verriegeln der Türen automatisch hochfahren.

„Je mehr Komfort, Sicherheit und Multimedia Einzug halten und je autonomer das Fahrzeug agieren soll, desto mehr Kilometer verschiedenster Kabel müssen im Auto untergebracht werden“, erklärt der Ingenieurwissenschaftler Professor Stefan Diebels von der Universität des Saarlandes.

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Unberechenbare Leitungen

Das Verlegen der Kabel geht nur von Hand; die flexiblen und mitunter laschen Leitungen sind für Roboterhände unberechenbar und nicht zu handhaben: Kabeleinbau ist nach wie vor eine komplexe und aufwändige Geduldsarbeit für Autobauer. Schließlich muss das gesamte Nervenkostüm des Autos in Karosserie und Innenverkleidung verschwinden, ohne dass sich Kabel verheddern. Oft wird es dabei eng. Vor allem darf kein Kabel zu sehr verbogen oder verdreht werden, sonst funktioniert bald weder Strom- noch Datenfluss. Nicht selten stellen sich Engstellen erst im Prototyp heraus, und es muss umgeplant werden. Auch können Kabel infolge des komplizierten Einbaus Schaden nehmen und zu Sicherheitsrisiken oder teuren Rückrufaktionen führen.

Simulationen erleichtern den Kabeleinbau

Neuartige Simulationen sollen jetzt den Kabeleinbau erleichtern und sicherer machen. Hieran forschen Professor Stefan Diebels und sein Team am Saarbrücker Lehrstuhl für Angewandte Mechanik gemeinsam mit der Abteilung „Mathematik für die digitale Fabrik“ unter Leitung von Dr.-Ing. Joachim Linn am Kaiserslauterer Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik sowie dem Fraunhofer-Spin-off fleXstructures als Praxis-Partner.

Einbau der Kabel schon in der Designphase durchspielen

„Unser Ziel ist es, dass die Entwicklungsabteilungen der Autoindustrie den Einbau der Kabel schon in der Designphase durchspielen können“, erklärt Stefan Diebels. Auf diese Weise sollen sie am virtuellen Reißbrett zum einen früh Schwachstellen wie Engstellen beim Verlegen erkennen, wo Kabel etwa Gefahr laufen, durch Knicken oder Biegen Schaden zu nehmen. Zum anderen wird so planbar, wo welche Kabel für den späteren Betrieb am besten durchgeführt und befestigt werden, so dass Schäden und früher Verschleiß durch Scheuern oder scharfe Kanten verhindert werden können.

Experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Kabelproben

Um solche Simulationen entwickeln zu können, sind zunächst genaueste Kenntnisse nötig, wie sich verschiedene Kabeltypen verhalten, wenn sie – wie beim Einbau ins Auto – belastet werden. Dies ist der Forschungspart des Teams der Universität des Saarlandes: Professor Diebels und seine Arbeitsgruppe, darunter auch Doktorandinnen und Doktoranden im Rahmen ihrer Doktorarbeit, führen umfangreiche experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Kabelproben durch und bestimmen mechanische Parameter der Kabelsysteme – will heißen: An mehreren, eigens hierfür weiterentwickelten Versuchsständen biegen, belasten und verdrehen sie verschiedene Kabelarten und sammeln dabei Daten, welche Kräfte wirken und was genau mit den Kabeln passiert.

Untersuchung des Biegeverhaltens bei gleichzeitiger Drehung

Was sich einfach anhört, ist hoch komplex. Wird das Kabel frei verformt, kommen verschiedenste Effekte auf, die sich durch die Kopplung von Biegeverhalten bei gleichzeitiger Drehung, also Torsion, ergeben. „Solche Kombinationen aus Biegen und Drehen kommen in der Praxis beim Verlegen der Kabel typischerweise vor. Wir untersuchen gezielt diese Wechselwirkungen bei Überlagerung von Biegen und Torsion unterschiedlicher Kabeltypen und modellieren die mechanischen Belastungen“, erläutert Stefan Diebels.

„Hierzu haben wir spezielle Versuchsstände entwickelt, in denen die unterschiedlichen Lastfälle einzeln und in Kombination aufgebracht werden können“, sagt Dr. Prateek Sharma, der in Diebels Team forscht. „Wegen der großen Vielfalt an unterschiedlichen Kabeln benötigen wir für die Modellierung eine große Basis an experimentellen Daten. Da die Zusammenhänge sehr komplex sind, ist eine Auswertung der Daten mittels KI-Methoden erforderlich“, erläutert Doktorandin Carole Tsegouog, die im Rahmen ihrer Doktorarbeit am Projekt arbeitet.

Auf Belastungsforschung spezialisierte Arbeitsgruppe

Auf derartige Belastungsforschung ist die Saarbrücker Arbeitsgruppe spezialisiert. In anderen Forschungsprojekten untersuchen sie beispielsweise die Belastung in Unterschenkelknochen beim Gehen, was Grundlage für neuartige Behandlung von Knochenbrüchen durch „intelligente“ Implantate ist.

Die so in Saarbrücken gewonnenen Daten nutzen die Kaiserslauterer Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-ITWM für die Materialmodellierung. Sie setzen die Daten mithilfe maschineller Lernmethoden in Simulationen um.

Projekt „ProP4CableSim – Property Predictor für die Simulation von Kabelsystemen“

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Fraunhofer-Gesellschaft fördern das trilaterale Projekt „ProP4CableSim – Property Predictor für die Simulation von Kabelsystemen“, das Forschung, anwendungsorientierte Wissenschaft und Industriepraxis verbindet, als Transfer von Erkenntnissen aus DFG-geförderten Vorhaben in die Wirtschaft mit einem Gesamtvolumen von 850 000 Euro für drei Jahre. 263.000 Euro davon fließen an die Saarbrücker Arbeitsgruppe.

Die Projektleitung liegt bei Professor Stefan Diebels, Universität des Saarlandes, und Dr.-Ing. Joachim Linn vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern, wo in der von ihm geleiteten Abteilung „Mathematik für die Digitale Fabrik“ die Forschungsgruppe von Dr. Vanessa Dörlich beteiligt ist. Anwendungspartner ist die Fraunhofer-Ausgründung fleXstructures GmbH (Projektgruppe von Dr. Meike Schaub), die eng mit der Automobilindustrie zusammenarbeitet und die Materialproben liefert, die sämtliche Varianten an Kabeln und Schläuchen abdecken.

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