Hirschvogel Generative Fertigung: Innovative Lösungen – generativ gefertigt

Leichtbau mittels Additiver Fertigung am Beispiel eines seriennahen Schwenklagers

Bei der Neuentwicklung eines seriennahen Schwenklagers wurde im Halsbereich des Fahrwerksbauteils eine Massenreduktion von 40 % gegenüber dem Serienbauteil erzielt. Durch bionische Versteifungselemente wie z. B. Waben, Gitter und eine adaptive Anpassung der Wandstärke wurde eine belastungsgerechte Bauteilstruktur erarbeitet, die eine hohe Steifigkeit bei deutlich reduzierter Masse garantiert. Vorzüge der additiven Verfahren werden heute im Automobilbau – aufgrund der im Vergleich zu konventionellen Prozessen geringen Fertigungsgeschwindigkeiten – primär in Bereichen der Prototypen und Kleinstserien genutzt. Jedoch wird anhand des aufgezeigten exemplarischen Bauteils das Potential der Additiven Fertigung unter Berücksichtigung der Gesamtprozesskette deutlich. Wohin die Reise in der Additiven Fertigung geht, entscheidet nicht zuletzt der Kunde, durch die in Zukunft von ihm eingesetzten Produkte.

Durch die Kombination der Leistungsbausteine Bauteilentwicklung, Generative Fertigung, Werkstoffe und Schadensanalyse unterstützt die Hirschvogel Tech Solutions (HTS) ihre Kunden mit einem optimal aufeinander abgestimmten Kompetenzpaket. Insbesondere wenn es innovative Produkte oder hoch belastbare Komponenten zu entwickeln gilt, nehmen diese Eckpunkte eine Schlüsselrolle ein.

Strukturanalyse eines unter bionischen Gesichtspunkten konstruierten Leichtbauschwenklagers.

DI Michael Dahme
Leiter Hirschvogel Tech Solutions

„Mit dem Leistungsangebot der Hirschvogel Tech Solutions bieten wir unseren Kunden die Möglichkeiten eines ganzheitlichen Ansatzes. Die Bauteilentwicklung auf Basis schadenskundlicher sowie werkstofflicher Analyse ermöglicht es, unter Einbeziehung neuester Entwicklungswerkzeuge anspruchsvollste Komponenten für unsere Kunden zu realisieren.“

Bereich Bauteilentwicklung

Der frühzeitigen Einbindung in den Entwicklungsprozess durch den Kunden kommt heutzutage eine große Bedeutung zu. Im Zuge des sogenannten Simultaneous Engineering begleitet und berät HTS in allen Entwicklungsphasen von der ersten Bauteilidee bis zur fertigen Funktionsbaugruppe. Als Know-how-Lieferant verfügt HTS über Simulationsprogramme, mit denen sich Topologie und Gestalt von Komponenten optimieren und Festigkeiten sowie Steifigkeiten ebenso wie die Lebensdauer berechnen lassen. So ist HTS in der Lage, Bauteile für den Anwendungsfall anforderungsgerecht zu entwickeln. Dank umfangreicher Entwicklungskompetenzen findet HTS für hochspezifische Anforderungen ihrer Kunden stets die adäquate Lösung. Exemplarisch aufgezeigt werden kann diese am Beispiel eines innovativen Schwenklagers: Durch die Realisierung von bionischem Design konnte mittels Einsatz der Additiven Fertigung den extremen Leichtbauanforderungen Rechnung getragen werden.

Für dieses hochbelastete Bauteil wurde eine signifikante Gewichtsreduktion aufgrund der Kombination von inneren Strukturen, Gitter- und Schalenelementen sowie der Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen der Additiven Fertigung erst möglich. Im Speziellen wurde bei der Bauteilentwicklung unter bionischen Gesichtspunkten auf das Softwaretool ELISE zurückgegriffen.

Leichtbaupotenzial – Goodman-Diagramm (rot) und Haigh-Diagramm (blau): Diese Darstellung zeigt, wie real vorliegende Unterschiede in der Belastbarkeit von Werkstoffen unter Zug und Druck (sog. Mittelspannungsempfindlichkeit) in der Lebensdaueranalyse ausgenutzt und somit Leichtbaupotenziale optimal ausgeschöpft werden können – siehe grüner schraffierter Bereich. Dies wird letztendlich aber erst dadurch ermöglicht, dass zugleich einfache Bewertungsmethoden (z. B. Goodman-Kriterium) von leistungsfähigeren Ans

DI Adam Schaub
Technologe Additive Fertigung bei Hirschvogel

„Das Zusammenspiel aus fundierter Fachkenntnis jedes einzelnen Elementes der Gesamtprozesskette, der Wechselwirkung der einzelnen Schritte untereinander und eine größtmöglichen Ausnutzung der Alleinstellungsmerkmale der Fertigungsverfahren bildet den Schlüssel zum Erfolg für die Additive Fertigung.“

Bereich Werkstoffe/Schadensanalyse

Bei hoch beanspruchten Bauteilen ist eine genaue Kenntnis der Werkstoffeigenschaften, über die Hirschvogel durch jahrzehntelange eigene Forschungserfahrung und modernste Laboreinrichtungen (z. B. Rasterelektronenmikroskop) verfügt, unerlässlich. Gleichzeitig arbeitet Hirschvogel seit vielen Jahren mit industriellen und universitären F&E-Partnern zusammen. Dies hat dazu geführt, dass HTS über die vorliegende Werkstoffexpertise heute in der Lage ist, fortschrittliche Modelle in der Simulation nutzbar zu machen und bei der Bauteilauslegung zugrunde zu legen.

So liegen nicht nur zahlreiche Datensätze zur Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung von Stählen vor. Auch prozessspezifische Materialkennwerte werden zur Abschätzung der Bauteillebensdauer herangezogen.

Prozesskette Generative Fertigung: Im Allgemeinen kann die Gesamtprozesskette entlang der Werkschöpfungskette in die drei Hauptbestandteile Pre-Processing, Additive Fertigung und Post-Processing entsprechend der farblichen Kennzeichnung gegliedert werden.

Jochen Heizmann BA
Maschinenbautechniker bei Hirschvogel

„Die Hirschvogel Tech Solutions versteht sich als kompetenter Partner zur Bauteilentwicklung und -fertigung und strebt stets nach kundenspezifischen Lösungen. Dabei steht der nachhaltig messbare Kundennutzen im Vordergrund.“

Bereich Additive Fertigung

Auch wenn beide diskutierten Themengebiete, Bauteilauslegung und Schadensanalyse, fundamentale Bestandteile der Prozesskette für die Additive Fertigung sind, muss für eine erfolgreiche Etablierung der Fokus auf die Gesamtprozesskette gerichtet sein. Im Allgemeinen kann diese entlang der Werkschöpfungskette in die drei Hauptbestandteile Pre-Processing, Additive Fertigung und Post-Processing gegliedert werden. Ausgehend von einem aus dem Anwendungsfall abgeleiteten Anforderungsprofil bilden fundierte Kenntnisse zu der gesamten Prozesskette den entscheidenden Schlüssel für ein erfolgreiches Produkt.

Anwendungsbereiche für Generative Fertigungsverfahren.

Prozesskette und Schlüsselfaktoren

Eckpunkte im Rahmen der Fertigungsvorbereitung sind numerische Festigkeitsberechnungen gekoppelt mit einer Struktur- und Topologieoptimierung. Dabei ist der Fokus nicht nur auf ein einzelnes Bauteil sondern vielmehr auf die gesamte, funktionstragende Baugruppe gerichtet.

An dieser Stelle gilt es die existenten Fertigungsrestriktionen Additiver Fertigungsverfahren zu berücksichtigen. Heute gängige CAD-Systeme stoßen an die Grenzen, wenn es gilt, die Möglichkeiten der generativen Fertigung auch konstruktiv zu nutzen. HTS setzt deshalb auf innovative Ansätze und Softwarelösungen und entwickelt eigene Lösungsansätze zur Potentialnutzung. Ergebnisse mit besonderen Alleinstellungsmerkmalen ergeben sich in diesem Zusammenhang durch eine enge Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). Leichtbauaspekte können dabei über das Softwaretool ELISE in Anlehnung an Vorbilder aus der Natur auf Bauteile übertragen werden. So wird ermöglicht, die über Jahrmillionen alte Entwicklung der Natur technisch nutzbar zu machen, wie dies am Beispiel des Schwenklagers aufgezeigt werden konnte.

Für die eigentliche Fertigung eines Bauteils spielen anlagen- und prozessspezifische Rahmenbedingungen eine wesentliche Rolle. Diese gilt es zu verstehen und reproduzierbar zu beherrschen. In diesem Zusammenhang nimmt auch der Werkstoff in Form von Pulver eine zentrale Stellung ein. Hier reicht das benötigte Know-how von der Wechselwirkung zwischen Pulver und Energiequelle bis hin zur wiederkehrenden Aufbereitung des Werkstoffes.

Das Ende der Wertschöpfungskette bildet die Nachbereitung und Veredelung des Bauteils. In den Bereichen mechanische Nachbearbeitung, Wärmebehandlung und Qualitätssicherung kann dabei auf Kernkompetenzen des Unternehmens zugegriffen werden.

Anwendungsbereiche für Generative Fertigungsverfahren

Unter Berücksichtigung all dieser Herausforderungen wird es möglich, Bauteile und Produkte zu identifizieren und in neue innovative Lösungen – generativ gefertigt – umzusetzen. Im Besonderen gilt dies, wenn man neben der verkürzten Lieferzeit weitere Vorteile der Additiven Fertigung wie beispielsweise Funktionsintegration und Leichtbau verbindet. Durch die Zusammenführung dieser Aspekte ist es möglich, ein Produktspektrum von Prototypen über Werkzeuge bis hin zu einbaufertigen Bauteilen herzustellen. Umsetzbar sind Werkzeuge mit innenliegenden Kühlkanälen für den Schmiedeprozess, Bauteile mit Leichtbaufokus wie das Schwenklager und Fertigungshilfsmittel wie etwa Sprühplatten.

Hybride Verfahren, bei denen additive Funktionselemente auf einen konventionell gefertigten Grundkörper aufgebaut werden, stehen ebenfalls im Fokus aktueller Arbeiten bei HTS. Dies liegt darin begründet, dass diese Verfahren enormes Potential zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses bieten.