Verbesserung der Kraftstoffeffizienz mit Punktwolkentechnik
Aerodynamic Trailer Systems nutzt die Softwarelösung PolyWorks®, um eine schwierige Form zu digitalisieren und CFD-Analysen und Windkanaltests für seine aufblasbaren Lkw-Bootsträger durchzuführen.
Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS), Auburn, Ohio, hat ein neues Produkt entwickelt, das auf die Türen von kommerziellen Anhängern passt, um dem Heck des Anhängers eine aerodynamischere Form zu geben. Es handelt sich um eine „grüne Technologie“ die Emissionen verringert und die Kraftstoffeffizienz von LKW für den Straßenverkehr verbessert. Bei dem Produkt, einem Bootsheck, handelt es sich um eine aerodynamische Vorrichtung, die den Luftwiderstand verringert, der dadurch entsteht, dass die Luft in ungeordneter, turbulenter Weise um das Heck eines kommerziellen Anhängers strömt. Dadurch wird die flache Oberfläche der hinteren Türen in eine geschwungene Form verwandelt.
Die Herausforderung
Bei dem von Aerodynamic Trailer Systems entwickelten Bootsheck handelt es sich um ein aufblasbares Element aus einem hochbelastbaren, flexiblen Polymermaterial, das sich mit Hilfe eines Gebläse- und Ventilsystems bei voreingestellten Geschwindigkeiten auf der Autobahn automatisch aufbläst und entleert. Die entleerte Position stellt eine konstruktive Herausforderung dar, da die Hecktüren zum Beladen mit Fracht vollständig geöffnet werden müssen.
„Das aufgeblasene Bootsheck ist eine einzigartig gekrümmte Form, die sich nur sehr schwer auf technischen Zeichnungen vorgeben oder messen lässt, was die Modellierung erschwert“, so Jim Domo, Geschäftsführer von Aerodynamic Trailer Systems. „Wir wollten das aerodynamische Profil des Geräts messen. Da ein Lkw-Anhänger zu groß ist, um in eine Windkanalanlage zu passen, mussten wir ein maßstabsgetreues Modell erstellen, das die genaue physikalische Form beschreibt. Parallel dazu brauchten wir eine digitale Version des Bootshecks, um eine softwaregestützte digitalisierte strömungsdynamische Analyse (CFD) durchführen zu können.“
Die Lösung
Aerodynamic Trailer Systems wandte sich an 3D Scan IT, Inc., um Alternativen zu herkömmlichen Datenerfassungstechniken zu besprechen. 3D Scan IT ist ein Messtechnikunternehmen und nordamerikanischer Integrator von PolyWorks. Der Hauptsitz des Unternehmens befindet sich in Royal Oak, Michigan. Die Techniker von 3D Scan IT empfahlen einen berührungslosen High-Density-Scanner zur Datenerfassung und brachten einen Imetric IScan White Light-Scanner zum Unternehmens.
„Wir haben zunächst mit Hilfe der Photogrammetrie Navigationspunkte auf der Oberfläche des Bootshecks gesetzt und dann einen vollständigen Scan mit dem Weißlicht-Scansystem Imetric durchgeführt. Die Einrichtung und die Photogrammetrie dauerten etwa zwei Stunden, einschließlich der Kalibrierung des Scanners, des Anzielens des Teils und der Durchführung der Photogrammetrie. Der Scanvorgang dauerte etwa drei Stunden“, erklärt Bob Squier, Präsident von 3D Scan IT.
Punktwolken-Datenmanagement liefert schnelle Ergebnisse
Die Daten wurden mit dem Softwarepaket PolyWorks von InnovMetric erfasst. Insgesamt wurden 62 Scans aufgenommen und im photogrammetrischen Koordinatensystem registriert. Eine toleranzkontrollierte Best-Fit-Ausrichtung der Scans wurde im PolyWorks|IMAlign™-Modul durchgeführt. Die ausgerichteten Scans wurden dann mit dem PolyWorks|MMerge™-Modul verarbeitet, um ein polygonales Netz zu erstellen, bei dem alle überlappenden Scandaten entfernt wurden, während gleichzeitig die Stofftextur entfernt und die Dateigröße reduziert wurde.
Das polygonale Modell wurde dann in das PolyWorks|IMEdit™-Modul gebracht, um die photogrammetrischen Ziele zu entfernen. Ein wasserdichtes Polygonmodell wurde mit Hilfe der IMEdit-Funktionalität der krümmungsbasierten Lochfüllung erstellt.
Scannen des Bootsschwanzes
Windkanaltests
ATS wollte die Leistung des Bootskörpers im Windkanal testen. „Das Ziel war es, eine Datei zu erstellen, die wir in einem Rapid-Prototyping-Verfahren verwenden konnten, um schnell ein 1:8-Modell des Bootsschwanzes zu erstellen, das für Leistungstests in einem Windkanal verwendet werden sollte“, so Patrick Ryan, Präsident von ATS.
Prototyp aus PolyWorks STL-Modell erstellt.
Zur Durchführung der Simulation wurde das polygonale Modell an das Auto Research Center in Indianapolis, Indiana, geschickt. Diese Windkanal-Testanlage, die in erster Linie für die Erprobung von Rennwagen konzipiert wurde, ist eine offene, rollende Straßenkonstruktion, die die Bedingungen auf der Autobahn genau nachbildet. Um ein maßstabsgetreues Modell des Bootshecks zu erstellen, verwendeten die Spezialisten des Auto Research Centers eine Stratasys FDM 8000 Rapid-Prototyping-Maschine und das von 3D Scan IT, Inc. erstellte wasserdichte polygonale Modell, um das Teil in ultradünnen Schichten aus starkem ABS-Kunststoff zu bauen.
„Wir planten, diese Windkanaltestdaten zu verwenden, um in letzter Minute noch Änderungen an der Konstruktion vorzunehmen, bevor wir in die Produktion gingen. Daher war es für unser Programm entscheidend, dass das Modell so genau wie möglich war“, sagte Ryan.
Prozess der NURBS-Erstellung.
CFD-Analyse
Zusätzlich zu den Windkanaltests wollte ATS auch eine CFD-Analyse durchführen. Zur Durchführung dieser Analyse erstellte 3D Scan IT mit dem Modul PolyWorks|IMEdit ein Oberflächenmodell (NURBS-Modell).
Zunächst wurde ein Kurvennetz mit Hilfe der Kurvenextraktions- und Bearbeitungsfunktionen von IMEdit erstellt. Automatische NURBS-Oberflächenanpassungsverfahren erzeugen die Flächen, wenn die Kurven fertiggestellt sind. Das PolyWorks|IMInspect™-Modul wurde verwendet, um das Modell am globalen Koordinatensystem der Anhängertüren auszurichten, da das Bootsheck genau in den Türbereich passen musste, ohne die Scharniere zu behindern.
Das optimierte NURBS-Modell wurde an Spezialisten der NASA geschickt, um eine CFD-Analyse durchzuführen. Diese Software ermöglichte einen schnellen Überblick über die aerodynamische Leistung des aufblasbaren Bootskörpers unter verschiedenen Bedingungen.
Das NURBS-Modell wurde auch in das SolidWorks®-Softwarepaket von ATS exportiert, um es für künftige Änderungen und für Produktionszwecke zu verwenden.
Die Vorteile
Nach Angaben von Herrn Domo und Herrn Ryan war das 1:8-Modell des Bootshecks, das durch Laserscanning und Punktwolken-Datenmanagement erstellt wurde, ein maßstabsgetreues Modell des Körpers in Originalgröße, praktisch eine exakte Nachbildung. „Wir waren zuversichtlich, dass wir bei den Windkanaltests aussagekräftige Ergebnisse erhalten würden, die sich direkt auf das Gerät in Originalgröße übertragen ließen“, so Ryan.
Der Kraftstoffverbrauch wurde um bis zu 5 % gesenkt
Die Testergebnisse zeigten, dass das Bootsheck den Kraftstoffverbrauch um bis zu 5 % senken kann. „Das bedeutet weniger Emissionen und geringere Kraftstoffkosten durch die Verbesserung des Luftwiderstands des Anhängers, was die effektive Last, die die Zugmaschine ziehen muss, verringert und damit die Effizienz verbessert“, so Domo. „Außerdem glauben wir, dass wir mit einigen kleinen Änderungen an der Form des Geräts unser Profil noch weiter verbessern können.“ Er fügte hinzu, dass der Einsatz von Scantechnologie und Punktwolken-Datenmanagement die Zeit für die Erstellung des Modells um ein Vielfaches reduzierte. „Wir waren in der Lage, in nur wenigen Tagen ein präzises Modell zu erstellen“, sagte er.
Bob Squier von 3D Scan IT, Inc. sagte, dass diese Anwendung insofern einzigartig sei, als der gesamte Design- und Fertigungsprozess auf dem Scannen und der Verfeinerung von Punktwolkendaten sowie dem Rapid Prototyping beruhe. „Ein traditioneller Ansatz für Produktdesign und -entwicklung hätte einfach nicht die Ergebnisse gebracht, die sich das Unternehmen gewünscht hat.“
