CADFEM ANSYS Mechanical: Faserverbund additiv gefertigt

Giovanni Cavolina
Chief Business Development Officer bei 9T Labs

„Die Simulation ist für uns eines der wichtigsten Werkzeuge, um unsere Technologie in die industrielle Serienfertigung zu bringen und den Kunden die damit verbundenen Vorteile zu eröffnen.“

„Unsere 3D-Drucklösung der Red Series dient zur Herstellung von Teilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen, die nicht nur als Prototypen nutzbar sind, sondern auch für strukturelle Anwendungen im industriellen Einsatz“, erläutert Giovanni Cavolina, Mitgründer und Chief Business Development Officer von 9T Labs. „Dabei spielen Simulationen mit der Ansys Software sowohl für unsere Produktentwicklung als auch für die Auslegung und Optimierung der zu druckenden Bauteile eine große Rolle.“

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) haben herausragende spezifische Eigenschaften bezüglich Steifigkeit, Festigkeit und Gewicht. Deshalb werden sie in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt, im Sport, der Biomedizin oder auch der Robotik. Trotzdem ist der großflächige Einsatz bisher noch stark eingeschränkt, da die üblicherweise genutzten industriellen Fertigungsverfahren sehr aufwendig und kostenintensiv sind. Unter anderem ist zum Einlegen der einzelnen Faserschichten viel händische Arbeit notwendig, und das gezielte Ausrichten der Fasern für optimierte Strukturen ist stark eingeschränkt.

Zur Serienherstellung von strukturellen Verbundbauteilen müssen folgende Voraussetzungen erfüllt werden, konstatiert der Firmengründer: „Wir müssen in der Lage sein, industrielle Carbonfaser-Verbundwerkstoffe zu drucken.“ Die Filamente bestehen aus kontinuierlichen Carbonfasern zur Verstärkung der verwendeten Thermoplaste. Dabei steht eine relativ große Materialpalette von einfachem Nylon (PA) bis zu Hochleistungsthermoplasten wie PEI oder PEKK zur Auswahl.

Die von 9T Labs entwickelte 3D-Drucklösung Red Series dient zur Herstellung von Teilen aus Carbonfaserverbund-Kunststoffen.

3D-Druck auch für die Serienfertigung

Nach dem 3D-Druck erfolgt ein patentierter Prozess, der Fusion genannt wird. Das Verbundbauteil wird bei erhöhtem Druck und Temperatur nachkonsolidiert. Resultat ist ein guter Verbund zwischen den einzelnen Druckschichten. Der Fusion-Prozess führt zudem zu einer hervorragenden Konsolidierung mit minimalen Lufteinschlüssen, typischerweise von einem Prozent.

„Unsere Technologie muss zudem eine konkurrenzfähige Kostenstruktur für die industrielle Serienfertigung aufweisen“, erklärt Cavolina. „Nur dann können wir einen Ansporn gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren bieten.“ Die Fertigung von Verbundbauteilen hat einige Kostentreiber: Da ist zunächst die händische Arbeit, die durch das automatisierte Ablegen mit dem 3D-Drucker ersetzt wird. Weiterhin sind die Maschinenkosten zu betrachten, die durch einen kostengünstigen Aufbau der 3D-Druck-Technologie mit der Red Series reduziert werden. Zuletzt sind Materialkosten einer der dominanten Kostentreiber in der CFK-Bauteilfertigung. Diese werden durch den optimierten und gezielten Materialeinsatz mittels 3D-Druck signifikant reduziert.

Um den neuen 3D-Druckprozess innerhalb der industriellen Fertigung möglichst effizient zu nutzen, müssen Optimierungen und Simulationen zum Einsatz kommen. Speziell bei höheren Stückzahlen ist die Kostenreduzierung durch Materialeinsparungen bei den Carbonfaser-Verbundwerkstoffen der wichtigste Aspekt, wobei die anvisierten Material- und schlussendlich Kosteneinsparungen von 30 bis 40 Prozent nur durch umfassenden Simulationseinsatz möglich sind.

Zur optimierten Auslegung von Carbonfaser-Verbundbauteilen werden die Simulationspakete Ansys Mechanical und Ansys Composite PrepPost genutzt.

Optimale Faserausrichtung

„Um von einem traditionellen Grundentwurf für eine Metallfertigung zu einer optimierten Carbonfaser-Auslegung zu kommen, die mit unserem Druckprozess effizient fertigbar ist, nutzen wir Ansys Mechanical gemeinsam mit Ansys Composite PrepPost“, erläutert Cavolina. Mit Ansys Composite PrepPost lässt sich in jeder einzelnen Schicht gezielt die Faserorientierung bestimmen, um die erforderlichen lokalen Steifigkeiten und Festigkeiten zu erhalten und in Ansys Mechanical strukturell zu analysieren.

Anschließend wird die Faserorientierung von der Ansys Anwendung an die Drucksoftware übertragen. Diese teilt dem Drucker genau mit, in welchen Bereichen des Bauteils die Carbonfasern wie ausgerichtet sein sollen und in welchen Bereichen das thermoplastische Material allein ausreichend ist. Durch die Integration von Fasern in das Thermoplastmaterial erhalten die Bauteile einerseits die gewünschte extrem hohe Stabilität andererseits lässt sich der sonst bei der Fertigung mittels 3D-Druck auftretende Verzug erheblich verringern.

Mit Simulation zur Prozessoptimierung

„Simulationen dienen auch zur Analyse unserer Fertigungsprozesse, um diese besser zu verstehen und kontinuierlich optimieren zu können“, betont der Firmengründer. „Dabei ist zum Beispiel thermische Simulation vom 3D-Druck-Ablegeverfahren essenziell.“ Während dieser Entwicklung wurden mit der Software optiSLang von Dynardo Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um zu verstehen, welche Parameter den Druckprozess wie beeinflussen. Zum Beispiel wurde untersucht, welche Rolle die Druckgeschwindigkeit und -temperatur spielen. Dadurch entwickelte sich ein immer besseres Verständnis über das Verhalten der Anlagen.

„Die Simulation ist für uns eines der wichtigsten Werkzeuge, um unsere Technologie in die industrielle Serienfertigung zu bringen und den Kunden die damit verbundenen Vorteile zu eröffnen“, erklärt Cavolina abschließend.