Additive Fertigung Leistung dank Design

Redakteur: Luca Meister

Wie kann die Leistungsfähigkeit von Bauteilen bei gleichem Gewicht um ein Vielfaches gesteigert werden? 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 mithilfe von 3D-Drucktechnologie hergestellt werden.

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Lebensdaueranalyse mit Berücksichtigung der Lasten aus fünf verschiedenen Strassenzuständen.
Lebensdaueranalyse mit Berücksichtigung der Lasten aus fünf verschiedenen Strassenzuständen.
(Bild: Voxeljet)

mei. Ein Radträger ist unter Last Verformungen ausgesetzt, welche die Spurstabilität des kompletten Fahrwerks beeinflussen können. Daher muss er besonders steif sein. Das bestehende Design musste deshalb so optimiert werden, dass der Radträger bei gleichem Gewicht um ein Vielfaches steifer wurde. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte erklärt, wie das Design durch Simulation und 3D-Druck effizient optimiert wurde. Die für das Bauteil nötigen Feingussformen wurden von Voxeljet im 3D-Druckverfahren hergestellt. Dank Strukturoptimierung und fast unbegrenzter Gestaltungsfreiheit im Formenbau durch das additive Verfahren konnten deutlich verbesserte Leistungsmerkmale erzielt werden.

Topologieoptimierung

Zunächst wurde 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, erhielten die Ingenieure ein Bauteil, das mit dem gleichen Materialeinsatz (Aluminiumguss) jetzt ein völlig neues Design hatte. Bei diesem wurde das Material so verteilt, dass die Steifigkeit des Bauteils um den Faktor drei bis fünf (je nach Lastfall) erhöht wurde. Natürlich können Bauteile auch so optimiert werden, dass sie bei gleicher Steifigkeit deutlich leichter sind.

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Lebensdaueranalyse

Das Ermüdungsversagen wird durch die komplette Lasthistorie des Bauteils und nicht nur durch eine Maximallast verursacht. Aus diesem Grund wurde ein Lastzyklus von 35 Stunden ermittelt, in dem die Lasten aus fünf verschiedenen Strassenzuständen berücksichtigt wurden. Zusätzlich wurden Spannungshistorien für alle Positionen auf dem Radträger ermittelt und zusammen mit den Materialeigenschaften konnte so das Ermüdungsversagen vorhergesagt werden.

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