voxeljet steigert Leistungsfähigkeit von Bauteilen
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.
Schritt 2: Lebensdaueranalyse zum Vorhersagen des Ermüdungsversagens.
Dr. Ingo Ederer
Vorstand der voxeljet AG
„Durch das Zusammenwirken aller Projektpartner konnte eine signifikante Verbesserung der Bauteileigenschaften bei gleichzeitiger Reduktion des Gesamtgewichts erzielt werden.
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„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“.
Gegenüberstellung des ursprünglichen Radträgers und des mithilfe des 3D-Drucks optimierten Bauteils.
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, 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.
Schritt 3: Gusssimulation.
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.
Schritt 1: Topologieoptimierung mittels einer Simulationssoftware.
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 konnten die Iterationen zwischen Design- und Entwicklungsabteilung reduziert werden. Am Ende der Designphase wurde dann noch einmal der Füllprozess und der Erstarrungsvorgang simuliert.
Schritt 4: Die von voxeljet gedruckte Gussform.
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.
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