Fachverlag x-technik
search
 

Schließen

PDF


Leistungsfähigkeit von Bauteilen steigern

: voxeljet


Am Beispiel eines optimierten Radträgers zeigt voxeljet, wie sich die Leistungsfähigkeit von Bauteilen bei gleichem Gewicht um ein Vielfaches steigern lässt. Das Unternehmen ist ein führender Hersteller von großformatigen 3D-Drucksystemen und betreibt Dienstleistungszentren für die „On-Demand-Fertigung“ von Formen und Modellen für Kunden aus der Industrie.

/xtredimg/2015/Additive%20Fertigung/Ausgabe152/8470/web/Casting_10cm_schwarzweiss.jpg
Gegenüberstellung des ursprünglichen Radträgers und des mithilfe des 3D-Drucks optimierten Bauteils.

Gegenüberstellung des ursprünglichen Radträgers und des mithilfe des 3D-Drucks...

„Durch Kombination von Simulation und 3D-Druck kann der gesamte Optimierungsprozess stark verkürzt werden. Aufwendige und kostenintensive Materialtests werden durch Simulation ersetzt und der Prototyp kann schnell und kostengünstig mit Hilfe innovativer 3D-Drucktechnologie hergestellt werden“, schickt Dr. Ingo Ederer, Vorstand der voxeljet AG, voraus. Und stellt das Projekt vor: „Ein Radträger ist unter Last Verformungen ausgesetzt, was die Spurstabilität des kompletten Fahrwerks beeinflussen kann. Daher ist die Steifigkeit dieses Bauteils besonders wichtig. Die Herausforderung war es, das Design des bestehenden Radträgers so zu optimieren, dass der Radträger bei gleichem Gewicht um ein Vielfaches steifer ist und im Anschluss die Formelemente für die Fertigung herzustellen“.

Topologieoptimierung

Um die Geometrie optimieren zu können wurde zunächst mit einem Konzeptdesign- und Optimierungstool der Bauraum festgelegt. Dann wurden an dem Modell die wichtigsten Lastfälle simuliert, wie z. B. starkes Bremsen, extreme Kurvenfahrten und Hindernisüberfahrten. Nach der Optimierung, in der auch die Herstellbarkeit berücksichtigt wurde, entstand ein Bauteil mit völlig neuem Design, bei gleichem Material (Aluguss). Dabei wurde das Material so verteilt, dass die Steifigkeit des Bauteils um das Drei- bis Fünffache (je nach Lastfall) erhöht wurde und das Bauteil trotzdem deutlich leichter wurde. Zur Topologieoptimierung wurde solidThinking INSPIRE verwendet,
/xtredimg/2015/Additive%20Fertigung/Ausgabe152/8470/web/Inspire_Optimierung_Radtrager.jpg
Schritt 1: Topologieoptimierung mittels einer Simulationssoftware.

Schritt 1: Topologieoptimierung mittels einer Simulationssoftware.

das auf Altairs Optimierungssolver OptiStruct beruht. Die aus INSPIRE resultierenden Strukturen entsprechen bionischen Prinzipien, sie verdeutlichen Lastpfade und optimale Materialverteilungen. Anschließend werden die auf den Bauraum wirkenden Lasten, Lagerungen und Fertigungsrestriktionen definiert.



Lebensdaueranalyse

Da das Ermüdungsversagen eines Bauteils durch die komplette Lasthistorie verursacht wird und nicht nur durch eine Maximallast, wurde für den Radträger ein Lastzyklus von 35 Stunden ermittelt, in dem die Lasten aus fünf verschiedenen Straßenzuständen berücksichtig wurden. Zusätzlich wurden Spannungshistorien für alle Positionen auf dem Radträger ermittelt. Zusammen mit den Materialeigenschaften kann so das Ermüdungsversagen vorhergesagt werden. Das Werkzeug hierfür war Designlife von HBM Ncode.

Gusssimulation

Auch eine Gusssimulation kam bei dem Projekt zum Einsatz. Dafür wurde sowohl am Anfang des Projekts, als auch am Schluss eine Gusssimulation erstellt, die es den Ingenieuren ermöglicht hat, schon früh die Herstellbarkeit des Bauteildesigns zu überprüfen und zu optimieren, um so innere Schäden zu vermeiden und kritische Bereiche analysieren zu können. Gleichzeitig
/xtredimg/2015/Additive%20Fertigung/Ausgabe152/8470/web/3_nCode_DesignLive_Fatigue_Analysis_small.jpg
Schritt 2: Lebensdaueranalyse zum Vorhersagen des Ermüdungsversagens.

Schritt 2: Lebensdaueranalyse zum Vorhersagen des Ermüdungsversagens.

konnten die Iterationen zwischen Design- und Entwicklungsabteilung reduziert werden. Am Ende der Designphase wurde dann noch einmal der Füllprozess und der Erstarrungsvorgang simuliert.

In Form gebracht

„Anschließend kam der optimierte Radträger für den 3D-Druck der Gussformen zu uns. Anhand der CAD-Daten haben wir Kunststoffmodelle hergestellt. Derartige Modelle kommen in der Regel beim Feinguss zur Anwendung. Wir verwenden als Partikelmaterial für den schichtweisen Aufbau PMMA (Polymethylmethacrylat), das mit einem Binder selektiv verklebt wird. Durch die Verwendung dieses organischen Materials ergibt sich ein sehr niedriger Restaschegehalt bei feinkörniger Oberflächenstruktur. Die Modelle dehnen sich nicht aus und weisen ideale Ausbrenneigenschaften auf. Zudem können die gedruckten Teile wie konventionell hergestellte Wachslinge gehandhabt werden“, geht Ederer ins Detail.

Die entstehenden Kunststoffmodelle werden für die Gussformherstellung in einen Keramikschlicker getaucht und anschließend mit Formsand stabilisiert. Durch Ausbrennen erhält man so eine detaillierte Form, mit der auch feine Strukturen abgebildet werden können. Neben Zeit- und Kostenersparnis sind mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie
auch komplexe Geometrien realisierbar, die mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht herstellbar sind, woraus sich der entscheidende Vorteil für die Bauteiloptimierung ergibt.

Gemeinschaftsleistung

Der oben beschriebene Radträger wurde in Zusammenarbeit von Altair, Click2Cast, HBM nCode und voxeljet optimiert. Freiheiten der Bauteilgestaltung konnten dank des 3D-Drucks und des simulationsgetriebenen Designs voll ausgeschöpft werden. Für die Simulationen wurde unterschiedliche Software eingesetzt und für die Gusssimulationen kam die Software Click2Cast zum Einsatz.

Messe formnext: Halle 3.1, Stand D80


Gegenüberstellung des ursprünglichen Radträgers und des mithilfe des 3D-Drucks optimierten Bauteils.
Schritt 1: Topologieoptimierung mittels einer Simulationssoftware.
Schritt 2: Lebensdaueranalyse zum Vorhersagen des Ermüdungsversagens.
Schritt 3: Gusssimulation.
Schritt 4: Die von voxeljet gedruckte Gussform.


Zum Firmenprofil >>


Bericht in folgenden Kategorien:
Additive Fertigung, Binderjetting (BJ), Optimierung

Im Gespräch

/xtredimg/2019/Additive%20Fertigung/Ausgabe260/19458/web/Thomas__Fehn.jpgAdditive Zukunft mit Metallen
Trumpf zählt zu den Maschinenpionieren im Bereich der Metall-Additiven Fertigung. Nach einem starken Einstieg im Jahr 2003 hat sich das Unternehmen aus dem Bereich zurückgezogen, um etwa zehn Jahre später ein umso fulminanteres Comeback zu feiern. Nach wie vor zählt der Maschinenbauer aus Ditzingen (D) zu den technologischen Vorreitern. Dr. Thomas Fehn, General Manager Trumpf Additive Manufacturing, schildert, wie Trumpf den Markt um die Additive Fertigung einschätzt. Das Interview führte: Georg Schöpf, x-technik
Interview lesen >>

Newsletter abonnieren