Additive-FertigungHexagon LightHinge+: Potenziale für die automobile Fertigung
EDAG, voestalpine und Simufact stellen die Ergebnisse ihres gemeinsamen Projektes zur additiven Fertigung vor: Den praktischen Einsatz und das Potenzial von additiven Fertigungstechnologien in der Automobilproduktion aufzeigen – mit diesem Ziel haben sich die Projektpartner Edag Engineering, voestalpine Additive Manufacturing Center sowie Simufact Engineering zusammengeschlossen und das Projekt LightHinge+ aus der Taufe gehoben. LightHinge+ ist ein im Laserstrahlschmelz-Verfahren additiv hergestelltes Motorhaubenscharnier, das Leichtbau und erhöhte Sicherheit in einer Konstruktion vereint.
LightHinge+ ist ein im Laserstrahlschmelz-Verfahren additiv hergestelltes Motorhaubenscharnier (Bild: EDAG Engineering)
„Motorhauben-Scharniersysteme sind aufgrund der hohen Anforderungen an Sicherheit und Funktionalität sehr komplex“, erläutert Dr. Martin Hillebrecht, Leiter Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien bei der Edag Engineering GmbH. „Somit bleibt der Leichtbau bislang auf der Strecke. Deshalb haben wir uns gemeinsam mit voestalpine und Simufact das Ziel gesetzt, das Scharnier durch die generative Fertigung ganz neu zu überdenken.“
Motorhaubenscharnier - Real versus Simulation im GUI Umfeld – (Bild: Simufact Engineering)
Topologie-Optimierung
Die Edag-Ingenieure haben das Scharniersystem neu konstruiert. Im zweiten Schritt folgte die Topologie-Optimierung der komplexen Bauteilstruktur, um den gewünschten Gewichtsvorteil zu erreichen. Unter Anwendung bionischer Prinzipien gelang es den Edag-Ingenieuren, den minimalen Materialbedarf zu ermitteln und einen Gewichtsvorteil von 50 % gegenüber der Referenz zu erzielen. Die anschließende Optimierung der Stützstrukturen wurde in enger Zusammenarbeit mit dem voestalpine Additive Manufacturing Center durchgeführt.
„Die Topologieoptimierung berechnet anhand der tatsächlichen Belastungen den minimalen Materialbedarf des Scharniers“, erklärt Dr. Eric Klemp, Geschäftsführer des voestalpine Additive Manufacturing Center in Düsseldorf. „Die daraus resultierenden Geometrien der Bauteile erfordern einen hohen Anteil an Stützstrukturen, die wir im Projekt dann auf ein Minimum reduzieren konnten“, so Klemp.
Größenreferenz des additiv gefertigten Motorhaubenscharniers (Bild: EDAG Engineering)
Vergleich eines herkömmlichen Motorhaubenscharniers und der additiv gefertigten Varianten (Bild: EDAG Engineering)
Ergebnisdarstellung des Verzuges im Unterteil in Simufact Additive.
Vergleich der Verzüge vor und nach der Verzugskompensation im Unterteil.
Anhand einer Minitaurmotorhaube zeigen die Projektpartner die Funktionalität des additiv gefertigten Motorhaubenscharniers (v.l.n.r.): Sebastian Flügel - Edag, Eric Klemp - voestalpine Additive Manufacturing Center, Michael Wohlmuth - simufact, Volker Mensing - simuact und Martin Hillebrecht - Edag.
Größenreferenz des Motorhaubenscharniers: Das Teil wurde im Laserstrahlschmelz-Verfahren additiv hergestellt. (Bild: Edag Engineering)
Vergleich Motorhaubenscharnier: additive und herkömmliche Bauweise. (Bild: Edag Engineering)
Simulation des Bauprozesses
Ein wichtiger Zwischenschritt in der Konstruktion und Fertigung additiver Bauteile ist die Simulation des eigentlichen Druckprozesses im 3D-Drucker. Hier kam Simufact mit seiner speziell für die additive Fertigung erstellten Softwarelösung Simufact Additive zum Zuge. „Im additiven Fertigungsprozess entstehen durch den konzentrierten Wärmeeintrag mit hohen Aufheiz- und Abkühlraten Verzug und Eigenspannungen im Bauteil“, weiß Dr. Patrick Mehmert, Product Manager Additive Manufacturing bei Simufact. „Ein nicht verzugskompensiertes Scharnier kann so Abweichungen von ein bis zwei Millimetern vom CAD-Modell aufweisen.“
Mit Simufact Additive können der eigentliche Druckvorgang und die nachfolgenden Prozessschritte simuliert und damit Verzüge und Eigenspannungen vorhergesagt werden. „Auf Basis des simulierten Verzugs haben wir die Bauteil-Geometrie negativ vorverformt, um so die Formabweichungen der gedruckten Scharnierteile zur Sollgeometrie zu minimieren“, beschreibt Mehmert das Vorgehen im Projekt. Dass dieses Verfahren auch die gewünschten Ergebnisse erzielt, zeigte ein dem Druck der Teile nachgelagerter Abgleich der verzugskompensierten Bauteile: Eine dreidimensionale optische Vermessung durch Aicon 3D Systems konnte die Maßhaltigkeit der Bauteile nachweisen.
Vergleich der Verzüge vor und nach der Verzugskompensation im Unterteil.
Ergebnisdarstellung des Verzuges im Oberteil in Simufact Additive.
Präsentation des LightHinge+ Projekts auf der IAA Messe in Frankfurt (v.l.n.r.): Sebastian Flügel, Edag, Eric Klemp, voestalpine Additive Manufacturing Center, Volker Mensing, simufact, Michael Wohlmuth, simufact, und Martin Hillebrecht, Edag.
Potenziale voll ausgenutzt
Die Simulation des Bauprozesses hat wesentlich zur verbesserten Auslegung, Absicherung und Verzugs-Optimierung des additiv gefertigten LightHinge+ Scharniers beigetragen. Teure und zeitintensive Fertigungsversuche konnten verhindert werden. Am Ende wurde im voestalpine Additive Manufacturing Center eine wirtschaftliche, ressourcen-schonende Fertigung mit geringer Nacharbeit erzielt. Das Scharnier ist somit nach dem Laserschmelzprozess bereits so gut wie einsatzbereit.
„Das LightHinge+ Haubenscharnier nutzt durch ein effizientes, software-unterstütztes Engineering die Potenziale des Additive Manufacturing voll aus. Es werden eine ultimative Gewichtsreduktion sowie die Integration einer Fußgängerschutz-Funktion, in verzugs- und eigenspannungs-optimierter, werkzeugloser Herstellung mit geringer Nacharbeit für kleine Serien erzielt“, fasst Martin Hillebrecht abschließend zusammen.
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