In Oldtimern ist noch alles überschaubar: Von der Batterie oder der Lichtmaschine führen Kabel zu Motor, Lichtern, Radio und Scheibenwischern. Heute dagegen stecken Tausende von einzelnen Kabeln in dicken Kabelbäumen, die sich im Fahrzeug verästeln wie ein Wurzelwerk. Sie versorgen und verknüpfen Sensoren und Minicomputer, die untereinander kommunizieren und alles Mögliche steuern: vom Tempomat, Spur- oder Bremsassistenten bis hin zum Fensterheber – 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.
Das Verlegen der Kabel geht nur von Hand, denn die flexiblen und mitunter laschen Leitungen sind für Roboter unberechenbar und nicht zu händeln. Daher ist der Kabeleinbau nach wie vor eine komplexe und aufwändige Geduldsarbeit. 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.
Schwachstellen erkennen, Verschließ vermeiden
Simulationen sollen den Kabeleinbau erleichtern und sicherer machen. Hieran forschen Diebels und sein Team am Saarbrücker Lehrstuhl für Angewandte Mechanik im Projekt „Pro-P4-Cable-Sim - Property Predictor für die Simulation von Kabelsystemen“ 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. „Unser Ziel ist es, dass die Entwicklungsabteilungen der Autoindustrie den Einbau der Kabel schon in der Designphase durchspielen können“, erklärt Diebels. So können Schwachstellen wie Engstellen beim Verlegen früh erkannt werden. Zudem wird planbar, wo welche Kabel für den späteren Betrieb am besten durchgeführt und befestigt werden. Das verhindert Schäden und frühen Verschleiß durch Scheuern oder scharfe Kanten.
Um solche Simulationen entwickeln zu können, muss man wissen, wie sich verschiedene Kabeltypen verhalten, wenn sie belastet werden. Dies ist der Forschungspart des Teams der Universität des Saarlandes. Sie führen umfangreiche experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Kabelproben durch und bestimmen die mechanischen Parameter der Kabelsysteme. Dazu biegen, belasten und verdrehen sie verschiedene Kabelarten an mehreren, eigens hierfür weiterentwickelten Versuchsständen.
Wird das Kabel frei verformt, kommen verschiedene Effekte auf, die sich durch die Kopplung von Biegeverhalten bei gleichzeitiger Torsion ergeben. „Solche Kombinationen sind typisch beim Verlegen der Kabel. Wir untersuchen gezielt diese Wechselwirkungen bei Überlagerung von Biegen und Torsion unterschiedlicher Kabeltypen und modellieren die mechanischen Belastungen“, erläutert 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 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.