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November 2010 126.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 1© VIRTUAL VEHICLE
COMET K2 Competence Center - COMET K2 Forschungsförderungsprogramm - Gefördert durch das Österreichische Bundesministerium für Verkehr und Technologie (BMVIT),
das Österreichische Bundesministerium für Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend, (BMWFJ), die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG),
das Land Steiermark sowie die Steirische Wirtschaftsförderung (SFG)
"Einsatz der Drapiersimulation mittels ANSYS Composite PrepPost
zur Erstellung von FE-Crashmodellen aus endlosfaserverstärkten
Kunststoffen"
Robert Szlosarek Clemens Rohne Dr. Thomas Karall
November 2010 226.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 2© VIRTUAL VEHICLE
Inhalt
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0
4. Beispielsimulationen
5. Zusammenfassung
November 2010 326.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 3© VIRTUAL VEHICLE
Inhalt
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0
4. Beispielsimulationen
5. Zusammenfassung
November 2010 426.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 4© VIRTUAL VEHICLE
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
Quelle: Privataufnahme Thomas Karall
November 2010 526.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 5© VIRTUAL VEHICLE
Verhältnis der Oberflächen = 67:1!
Oberfläche = 6 mm²
Oberfläche = 400 mm²
10 µm
1 mm³
1 mm
• Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach höhere Festigkeit als der
gleiche Werkstoff in jeder anderen Form.
• Je dünner dabei die Faser, umso höher ist die Festigkeit.
Verhältnis der Oberflächen =
67:1!
Faserverbundwerkstoffe sind die Paradewerkstoffe des Leichtbaus
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
November 2010 626.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 6© VIRTUAL VEHICLE
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
Anisotropes Materialverhalten
November 2010 726.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 7© VIRTUAL VEHICLE
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1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
November 2010 826.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 8© VIRTUAL VEHICLE
Quelle: Ehrenstein, G.; Faserverbund-Kunststoffe (2006)
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
November 2010 926.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 9© VIRTUAL VEHICLE
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
1. 2.
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November 2010 1026.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 10© VIRTUAL VEHICLE
Inhalt
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0
4. Beispielsimulationen
5. Zusammenfassung
November 2010 1126.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 11© VIRTUAL VEHICLE
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
Faserorientierung in LS-DYNA:
• Faserorientierung wird für das gesamte Bauteil angegeben
• Definition eines globalen Vektors auf das Bauteil
Beispiel Halbkugel:
UD-Gelege:
November 2010 1226.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 12© VIRTUAL VEHICLE
Umsetzung in LS-DYNA
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
November 2010 1326.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 13© VIRTUAL VEHICLE
Quelle: Dong, L., Lekakou, C., Bader, M.G. : Processing of Composites: Simulations of the Draping of Fabrics with Updated Material Behaviour
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
Lösungsmöglichkeiten
jedes Einzelelement wird als
seperates Bauteil definiert
manuelle Definition
empirische Ansätze
Fertigungssimulation
automatisierte Definition
analytischen Ansätze
November 2010 1426.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 14© VIRTUAL VEHICLE
Inhalt
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0
4. Beispielsimulationen
5. Zusammenfassung
November 2010 1526.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 15© VIRTUAL VEHICLE
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
Was kann der ANSYS PREPPOST 13.0 (ACP)?
 ermöglicht Drapiersimulation
Definition des Faserwinkels für jedes Element einzeln
Dickenänderungen infolge Drapieren werden berücksichtigt
Eigenschaften des Gewebes werden berücksichtigt
Schalen- und Solidelemente können drapiert werden
Zuschnitt wird ausgegeben
Vorspannungen werden nicht abgebildet
Was ist Drapieren?
„ Als Drapierung bezeichnet man die Formänderung von zweidimensionalen Textilien
und Fasermaterialien […], bei Anpassung an eine vorgegebene dreidimensionale
Geometrie.“
November 2010 1626.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 16© VIRTUAL VEHICLE
Wie wird die Drapiersimulation im ACP umgesetzt?
Quelle: Lin et al.: Finite element modelling of fabric shear (2009)
Quelle: Prododromou,Chen: On the relationship between shear angle and wrinkling of textile composite
preforms (1997)
„Pin-Jointed-Net“ - Modell „Trellis“ - Effekt
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
November 2010 1726.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 17© VIRTUAL VEHICLE
Laminataufbau: 0°/90°/90°/0°
0°-Faserorientierung
+45°-Faserorientierung90°-Faserorientierung
vor Drapiervorgang
nach Drapiervorgang
0°- Schicht 90°- Schicht
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
November 2010 1826.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 18© VIRTUAL VEHICLE
Scherung mit ACP:
Scherung zeichnet sich an signifikanten Stellen ab
0°-Faserrichtung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
November 2010 1926.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 19© VIRTUAL VEHICLE
Inhalt
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0
4. Beispielsimulationen
5. Zusammenfassung
November 2010 2026.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 20© VIRTUAL VEHICLE
4. Beispielsimulationen
Halbkugel [0°/90°]S , LS-DYNA
November 2010 2126.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 21© VIRTUAL VEHICLE
4. Beispielsimulationen
Darstellung der Kraft- und Energieaufnahme über dem Impaktorweg
 deutliche Unterschiede in Kraft- und Energieverlauf!
November 2010 2226.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 22© VIRTUAL VEHICLE
undrapiert drapiert
4. Beispielsimulationen
 deutliche Unterschiede im Versagensverhalten!
November 2010 2326.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 23© VIRTUAL VEHICLE
Beispiel Dachrahmen
4. Beispielsimulationen
November 2010 2426.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 24© VIRTUAL VEHICLE
4. Beispielsimulationen
Laminataufbau: +45°/-45°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/-45°/+45°
November 2010 2526.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 25© VIRTUAL VEHICLE
4. Beispielsimulationen
Darstellung der Kraft- und Energieaufnahme über dem Impaktorweg
 undrapiertes Bauteil wird überschätzt!
November 2010 2626.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 26© VIRTUAL VEHICLE
4. Beispielsimulationen
undrapiert drapiert
November 2010 2726.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 27© VIRTUAL VEHICLE
Inhalt
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0
4. Beispielsimulationen
5. Zusammenfassung
November 2010 2826.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 28© VIRTUAL VEHICLE
Zusammenfassung:
o die Steifigkeit und Festigkeit eines Bauteils aus Faser-Kunststoff-
Verbunden wird primär durch die Faserorientierung bestimmt
 Faserorientierung muss in der Simulation korrekt abgebildet
werden, um eine ausreichende Prognosegüte zu erhalten
o neben der Faserorientierung ändert sich auch die Laminatdicke
infolge des Drapierens
 kann durch ACP abgebildet werden
o Produktionsprozess kann in einem frühen Entwicklungsstadium auf
Faltenbildung untersucht werden
o Möglichkeit der Bauteiloptimierung durch Simulation (Variation
Laminataufbau, Faserorientierung, lokale Verstärkungen)
5. Zusammenfassung
November 2010 2926.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 29© VIRTUAL VEHICLE
Mehr Informationen
www.v2c2.at
…bringing the parts
together.
Die Autoren danken dem „COMET K2 Forschungsförderungs-Programm“ des Österreichischen Bundesministeriums für Verkehr,
Innovation und Technologie (BMVIT), des Österreichischen Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend (BMWFJ), der
Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), des Landes Steiermark sowie der Steirischen Wirtschaftsförderung
(SFG) für die finanzielle Unterstützung.
Robert Szlosarek robert.szlosarek@v2c2.at
Thomas Karall thomas.karall@v2c2.at
Clemens Rohne clemens.rohne@gmx.de
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CADFEM (Austria) GmbH
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Einsatz der Drapiersimulation mittels ANSYS Composite PrePost zur Erstellung von FE Crashmodellen aus endloserverstärkten Kunststoffen

  • 1. November 2010 126.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 1© VIRTUAL VEHICLE COMET K2 Competence Center - COMET K2 Forschungsförderungsprogramm - Gefördert durch das Österreichische Bundesministerium für Verkehr und Technologie (BMVIT), das Österreichische Bundesministerium für Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend, (BMWFJ), die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), das Land Steiermark sowie die Steirische Wirtschaftsförderung (SFG) "Einsatz der Drapiersimulation mittels ANSYS Composite PrepPost zur Erstellung von FE-Crashmodellen aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen" Robert Szlosarek Clemens Rohne Dr. Thomas Karall
  • 2. November 2010 226.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 2© VIRTUAL VEHICLE Inhalt 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0 4. Beispielsimulationen 5. Zusammenfassung
  • 3. November 2010 326.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 3© VIRTUAL VEHICLE Inhalt 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0 4. Beispielsimulationen 5. Zusammenfassung
  • 4. November 2010 426.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 4© VIRTUAL VEHICLE 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden Quelle: Privataufnahme Thomas Karall
  • 5. November 2010 526.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 5© VIRTUAL VEHICLE Verhältnis der Oberflächen = 67:1! Oberfläche = 6 mm² Oberfläche = 400 mm² 10 µm 1 mm³ 1 mm • Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach höhere Festigkeit als der gleiche Werkstoff in jeder anderen Form. • Je dünner dabei die Faser, umso höher ist die Festigkeit. Verhältnis der Oberflächen = 67:1! Faserverbundwerkstoffe sind die Paradewerkstoffe des Leichtbaus 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
  • 6. November 2010 626.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 6© VIRTUAL VEHICLE 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden Anisotropes Materialverhalten
  • 7. November 2010 726.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 7© VIRTUAL VEHICLE orthotropes Material:                                                                                                            12 31 23 3 2 1 12 31 23 32 23 1 13 3 32 21 12 3 31 2 21 1 12 31 23 3 2 1 1 00000 0 1 0000 00 1 000 000 1 000 1 000 1                G G G EEE EEE EEE isotropes Material:                                                                     xy zx yz z y x xy zx yz z y x E                   )1(200000 0)1(20000 00)1(2000 0001 0001 0001 1 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
  • 8. November 2010 826.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 8© VIRTUAL VEHICLE Quelle: Ehrenstein, G.; Faserverbund-Kunststoffe (2006) 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
  • 9. November 2010 926.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 9© VIRTUAL VEHICLE 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden 1. 2. FF F F
  • 10. November 2010 1026.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 10© VIRTUAL VEHICLE Inhalt 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0 4. Beispielsimulationen 5. Zusammenfassung
  • 11. November 2010 1126.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 11© VIRTUAL VEHICLE 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung Faserorientierung in LS-DYNA: • Faserorientierung wird für das gesamte Bauteil angegeben • Definition eines globalen Vektors auf das Bauteil Beispiel Halbkugel: UD-Gelege:
  • 12. November 2010 1226.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 12© VIRTUAL VEHICLE Umsetzung in LS-DYNA 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
  • 13. November 2010 1326.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 13© VIRTUAL VEHICLE Quelle: Dong, L., Lekakou, C., Bader, M.G. : Processing of Composites: Simulations of the Draping of Fabrics with Updated Material Behaviour 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung Lösungsmöglichkeiten jedes Einzelelement wird als seperates Bauteil definiert manuelle Definition empirische Ansätze Fertigungssimulation automatisierte Definition analytischen Ansätze
  • 14. November 2010 1426.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 14© VIRTUAL VEHICLE Inhalt 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0 4. Beispielsimulationen 5. Zusammenfassung
  • 15. November 2010 1526.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 15© VIRTUAL VEHICLE 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost Was kann der ANSYS PREPPOST 13.0 (ACP)?  ermöglicht Drapiersimulation Definition des Faserwinkels für jedes Element einzeln Dickenänderungen infolge Drapieren werden berücksichtigt Eigenschaften des Gewebes werden berücksichtigt Schalen- und Solidelemente können drapiert werden Zuschnitt wird ausgegeben Vorspannungen werden nicht abgebildet Was ist Drapieren? „ Als Drapierung bezeichnet man die Formänderung von zweidimensionalen Textilien und Fasermaterialien […], bei Anpassung an eine vorgegebene dreidimensionale Geometrie.“
  • 16. November 2010 1626.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 16© VIRTUAL VEHICLE Wie wird die Drapiersimulation im ACP umgesetzt? Quelle: Lin et al.: Finite element modelling of fabric shear (2009) Quelle: Prododromou,Chen: On the relationship between shear angle and wrinkling of textile composite preforms (1997) „Pin-Jointed-Net“ - Modell „Trellis“ - Effekt 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
  • 17. November 2010 1726.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 17© VIRTUAL VEHICLE Laminataufbau: 0°/90°/90°/0° 0°-Faserorientierung +45°-Faserorientierung90°-Faserorientierung vor Drapiervorgang nach Drapiervorgang 0°- Schicht 90°- Schicht 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
  • 18. November 2010 1826.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 18© VIRTUAL VEHICLE Scherung mit ACP: Scherung zeichnet sich an signifikanten Stellen ab 0°-Faserrichtung 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
  • 19. November 2010 1926.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 19© VIRTUAL VEHICLE Inhalt 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0 4. Beispielsimulationen 5. Zusammenfassung
  • 20. November 2010 2026.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 20© VIRTUAL VEHICLE 4. Beispielsimulationen Halbkugel [0°/90°]S , LS-DYNA
  • 21. November 2010 2126.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 21© VIRTUAL VEHICLE 4. Beispielsimulationen Darstellung der Kraft- und Energieaufnahme über dem Impaktorweg  deutliche Unterschiede in Kraft- und Energieverlauf!
  • 22. November 2010 2226.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 22© VIRTUAL VEHICLE undrapiert drapiert 4. Beispielsimulationen  deutliche Unterschiede im Versagensverhalten!
  • 23. November 2010 2326.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 23© VIRTUAL VEHICLE Beispiel Dachrahmen 4. Beispielsimulationen
  • 24. November 2010 2426.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 24© VIRTUAL VEHICLE 4. Beispielsimulationen Laminataufbau: +45°/-45°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/-45°/+45°
  • 25. November 2010 2526.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 25© VIRTUAL VEHICLE 4. Beispielsimulationen Darstellung der Kraft- und Energieaufnahme über dem Impaktorweg  undrapiertes Bauteil wird überschätzt!
  • 26. November 2010 2626.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 26© VIRTUAL VEHICLE 4. Beispielsimulationen undrapiert drapiert
  • 27. November 2010 2726.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 27© VIRTUAL VEHICLE Inhalt 1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden 2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung 3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0 4. Beispielsimulationen 5. Zusammenfassung
  • 28. November 2010 2826.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 28© VIRTUAL VEHICLE Zusammenfassung: o die Steifigkeit und Festigkeit eines Bauteils aus Faser-Kunststoff- Verbunden wird primär durch die Faserorientierung bestimmt  Faserorientierung muss in der Simulation korrekt abgebildet werden, um eine ausreichende Prognosegüte zu erhalten o neben der Faserorientierung ändert sich auch die Laminatdicke infolge des Drapierens  kann durch ACP abgebildet werden o Produktionsprozess kann in einem frühen Entwicklungsstadium auf Faltenbildung untersucht werden o Möglichkeit der Bauteiloptimierung durch Simulation (Variation Laminataufbau, Faserorientierung, lokale Verstärkungen) 5. Zusammenfassung
  • 29. November 2010 2926.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 29© VIRTUAL VEHICLE Mehr Informationen www.v2c2.at …bringing the parts together. Die Autoren danken dem „COMET K2 Forschungsförderungs-Programm“ des Österreichischen Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT), des Österreichischen Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend (BMWFJ), der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), des Landes Steiermark sowie der Steirischen Wirtschaftsförderung (SFG) für die finanzielle Unterstützung. Robert Szlosarek robert.szlosarek@v2c2.at Thomas Karall thomas.karall@v2c2.at Clemens Rohne clemens.rohne@gmx.de
  • 30. Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne! CADFEM (Austria) GmbH Wagenseilgasse 14 1120 Wien Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0 E-Mail. info@cadfem.at Web. http://www.cadfem.at Immer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-Channel CADFEM Blog - Umfassend informiert • News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new? • Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr • Hinter den Kulissen: CADFEM intern CADFEM Youtube Channel - Tips & Trick • Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM Applications CADFEM auf Xing - News kompakt • Vorschau auf Events & Seminare • Neue CADFEM Produkte • CADFEM Jobbörse Fragen? Interesse?