Hannover Messe: 3D-Druck für Formenbau und simulationsgetriebenes Design

Immer wieder heißt es, dass der 3D-Druck völlig neue Möglichkeiten der Konstruktion und Formgebung ermöglicht. Doch wo sind die Softwarewerkzeuge, die Formen abseits von Regelgeometrie und herkömmlichen Fertigungsverfahren erzeugen? Und wie schaffen diese Formen den Sprung in die Massenfertigung? Diese Fragen beantwortet ein Technologiedemonstrator, den Altair, Click2Cast, HBM nCode und voxeljet auf der Hannover Messe (Halle 7, Stand B56) präsentieren.

Bisher wird in der Konstruktion von 3D-Druckteilen nach wie vor überwiegend mit den selben Tools gearbeitet wie für die herkömmliche Fertigung, allerdings bieten CAD/CAM-Systeme heute zwar sehr gute Unterstützung für Blechverarbeitung, Spritzguss, Formenbau und andere herkömmliche Prozesse, nicht jedoch für den 3D-Druck. Die organisch anmutenden, nur additiv fertigbaren Formen, die man auf Messen gerne zeigt und die tatsächlich in Punkto Gewicht und Kraftaufnahme herkömmlichen Bauteilen oft haushoch überlegen sind, lassen sich eben nicht mit diesen heutigen Werkzeugen erstellen.

Zum einen sind die Formen geometrisch oft komplex, viel wichtiger ist jedoch, dass diese hochoptimierten Formen nicht mehr von einem Menschen „erfunden“ werden können, sondern mit Hilfe der Festigkeitsanalyse und Optimierung entstehen. Am anderen Ende des Prozesses ist der Sandguss von Aluminium mit verlorenen Formen mehr oder weniger die einzige Fertigungstechnologie, die die Brücke zur Serienfertigung von Teilen aus diesem Prozess schlägt. Die Teilnehmer des Technologiedemonstrators decken alle diese Schritte ab.

Von der Idee zum Gussteil

Mit dem Technologiedemonstrator wird sowohl ein effizienter, weil simulationsgetriebener Entwicklungsprozess gezeigt als auch, wie man mit dem 3D-Druck serientauglich produzieren kann. Der Prozess wurde beispielhaft für einen Radträger durchlaufen. Dabei konzentrierten sich die Designer und Ingenieure der teilnehmenden Unternehmen darauf, eine neue Form des Radträgers zu entwickeln, die bei gleichem Gewicht deutlich leistungsfähiger sein sollte als das Original.

Ein Radträger ist unter Last Verformungen ausgesetzt, die die Spurstabilität des kompletten Fahrwerks beeinflussen können. Daher ist die Steifigkeit dieses Bauteils besonders wichtig. Das ursprüngliche Design des Radträgers war eher durch die Bedürfnisse der Produktion getrieben, während das neue Design vor allem Leistung in den Vordergrund stellt.

Zunächst wurde in Inspire, einem Konzeptdesign- und Optimierungstool, das auf Altairs Optimierungssolver OptiStruct beruht, der Bauraum festgelegt. Dann wurden dem Modell die wichtigsten Lastfälle wie starkes Bremsen, extreme Kurvenfahrten und Hindernisüberfahrten hinzugefügt. Nach der Optimierung war das Material so verteilt, dass die Steifigkeit des Bauteils bei gleichem Materialeinsatz je nach Lastfall um den Faktor 3 bis 5 erhöht wurde.

Da Ermüdungsversagen durch die komplette Lasthistorie des Bauteils und nicht nur durch eine Maximallast verursacht wird, wurde ein Lastzyklus von 35 Stunden ermittelt und in nCode DesignLife importiert; dort wurden die Lasten aus fünf verschiedenen Straßenzuständen berücksichtig. Zudem wurden in Altair OptiStruct berechnete Spannungen von Einheitenlasten hinzugefügt, die es den Ingenieuren ermöglichten, Spannungshistorien für alle Positionen auf dem Radträger zusammenzustellen. Diese Daten, zusammen mit Materialeigenschaften aus der DesignLife Materialdatenbank, wurden genutzt, um das Ermüdungsversagen vorherzusagen.

Simulation macht den Gussvorgang sicherer

Die Gusssimulation mit Click2Cast (C2C) wurde zwei Mal verwendet – zu Beginn und am Ende des Designprozesses. In der frühen Phase ermöglichte es C2C den Konstrukteuren, die Herstellbarkeit des Bauteildesigns zu überprüfen und zu optimieren, um so innere Schäden zu vermeiden und kritische Bereiche analysieren zu können, während gleichzeitig die Iterationen zwischen Design- und Entwicklungsabteilung reduziert werden konnten. Am Ende der Designphase wurde C2C dann noch einmal genutzt, um nun den Füllprozess und den Erstarrungsvorgang zu simulieren. Dies ermöglichte die Auswahl der effizientesten Produktionsmethode und half, den Energie- und Materialverbrauch zu reduzieren und den Gesamtprozess zu verkürzen.

Nach dem Abschluss von Optimierung, Fatigue-Analyse und Gusssimulation wurden die Ergebnisse für den 3D-Druck der Gussformen an voxeljet weitergeleitet. Als Werkstoff kommt in den voxeljet-Anlagen PMMA (Polymethylmethacrylat) zum Einsatz, das häufig in Feingusswachsen enthalten ist. Durch die Verwendung dieses organischen Materials ergibt sich ein sehr niedriger Restaschegehalt. Die Modelle dehnen sich nicht aus, weisen ideale Ausbrenneigenschaften auf und eignen sich dadurch hervorragend für den Feinguss.

„Gerade, wenn es um Geschwindigkeit und die Möglichkeiten für die Serienproduktion geht, sollte man sich diesen neuen Prozess ansehen“, sagte Kevin Smith, Director Global Applications, bei voxeljet. „Es ist die Wiedergeburt einer der ältesten Herstellungsmethoden, die wir kennen – das Gießen! Der neue Prozess umfasst Formenbau mittels 3D Druck – ein neuer Ansatz im Formenbau. Mit dem 3D-Druckprozess von voxeljet wird der Formenbau deutlich beschleunigt und die Freiheiten, die dieser Prozess bietet, sind enorm. Der 3D-Druck der Formen ist wahrscheinlich sogar der einzige Weg, dieses Niveau an Komplexität zu erreichen. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist, dass der Produktionsprozess bereits gut etabliert und in vielen Industrien zertifiziert ist, außerdem eignet er sich für die Serienproduktion“.

„Wir freuen uns sehr, dass wir mit unseren Partnern ein so innovatives Projekt umsetzen können“, sagte Mirko Bromberger, Marketing Director, Altair Engineering GmbH. „Der Technologiedemonstrator zeigt deutlich, welche Möglichkeiten in diesem Prozess stecken. Mit einer Kombination aus Optimierung, Fatigue-Analyse, Gusssimulation und 3D-Druck ist es möglich, das volle Potenzial eines Leichtbaudesigns auszuschöpfen, oder wie in diesem Fall, die Leistung deutlich zu steigern, ohne das Bauteil schwerer zu machen. Mit diesem Bauteil haben Altair, unsere Altair Partner Alliance-Partner Click2Cast und nCode sowie voxeljet gezeigt, dass ein Paradigmenwechsel in der Entwicklung von neuen Bauteilen möglich und bereits heute verfügbar ist.“

Der komplette Prozess, die 3D-gedruckten Gussformen und das Bauteil aus Aluminiumguss werden am Altair-Stand in Halle 7 an Stand B56 gezeigt.