Additive Fertigung, Bauteilentwicklung sowie Werkstoff- und Schadensanalyse

Keine Grenzen in der Konstruktion

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Durch die Einführung additiver Fertigungsverfahren ergeben sich für Entwickler und Designer bislang ungeahnte Möglichkeiten. Um diese schier grenzenlose Gestaltungsfreiheit letztlich auch sinnvoll zu nutzen, müssen Auslegungs- und Konstruktionsphasen kritisch hinterfragt und in einen ganzheitlichen Produktentstehungsprozess eingebunden werden.

Die Hirschvogel Automotive Group ist einer der größten, weltweit operierenden Automobilzulieferer auf dem Gebiet der Massivumformung von Stahl und Aluminium sowie anschließender Bearbeitung. Als Geschäftsfeld der Hirschvogel Automotive Group bietet Hirschvogel Tech Solutions seinen Kunden ein optimal aufeinander abgestimmtes Kompetenzpaket aus additiver Fertigung, Bauteilentwicklung sowie Werkstoff- und Schadensanalyse.

Durch die Möglichkeiten einer nahezu freien Bauteilgestaltung wecken additive Fertigungsverfahren seit einigen Jahren ein zunehmendes wirtschaftliches Interesse bei der Optimierung traditioneller Entwicklungs- und Produktionsprozesse. In der Konstruktionsphase müssen Bauteile bereits neu gedacht werden, um ein grenzenlos scheinendes Gestaltungspotenzial auch nutzbar zu machen. Fertigungs- und prozessspezifische Randbedingungen dürfen allerdings nicht ganz außer Acht gelassen werden.

Aktuell bewegt sich das Themenfeld der additiven Fertigung hin zur Herstellung von funktions- und sicherheitsrelevanten Bauteilen in Serie. Deshalb befasst sich Hirschvogel Tech Solutions mit dem Aufbau einer stabilen, bauteil- und qualitätsorientierten Prozesskette, um das bislang isoliert betrachtete „Prototyping“ mit Folge- und Begleitprozessen zu ergänzen. Als Know-how-Lieferant können Bauteile für den Anwendungsfall anforderungs-, funktions- und fertigungsgerecht entwickelt werden. Mithilfe geeigneter Simulationstools lassen sich Komponenten topologie-, strömungs- oder auch thermisch optimiert auslegen. Letztlich werden die Potenziale einer nahezu freien Gestaltung erst dadurch nutzbar und Bauteile einer additiven Fertigung gerecht.

Maximaler Leichtbau

Im Automotive-Bereich handelt es sich in der Entwicklung um einen stark Leichtbau getriebenen Prozess, bei gleichzeitig hoher Steifigkeit sowie definierter Festigkeit. Ein Beispiel hierfür ist eine optimierte Lenkwellenanbindung, bei der mithilfe der additiven Fertigung maximaler Leichtbau in Verbindung mit der wirtschaftlichen Fertigung kleiner Stückzahlen erreicht werden kann.

Die Lenkwellenanbindung stellt die Verbindung zwischen der Lenkwelle und dem Monocoque des Fahrzeugs dar und hat dabei die Aufgabe, alle vom Fahrer an das Lenkrad abgegebenen Kräfte und Momente abzustützen. Daher das oberste Ziel: eine möglichst hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Für eine Topologieoptimierung müssen zunächst allerdings einige Randbedingungen definiert werden:

  • Non-Design-Bereich: Einbauraum, der aus funktions- oder einbautechnischen Gründen nicht verändert werden darf (Lagerstellen, Verschraubung)
  • Design-Bereich: Einbauraum, der verändert werden darf
  • Lasteinleitung an den Lagerstellen und Berücksichtigung definierter Lastfälle
  • Schraubenverbindungen als Einspannung
  • Zulässige Spannung, Sicherheit, Materialparameter
  • Optimierungsziel minimales Volumen

Durch ein iteratives Berechnungsverfahren wird schrittweise eine belastungsoptimale Geometrie erzeugt. In der Regel muss die dadurch erzeugte Lösungsgeometrie anschließend geglättet, schrumpfverpackt oder an entsprechenden Stellen mittels CAD weiterbearbeitet werden. Mittlerweile gibt es im Bereich des „Additiv Designs“ auch Optimierungsverfahren, die fertigungstechnische Restriktionen wie zum Beispiel die Aufbaurichtung und dadurch entstehende Überhänge berücksichtigen, um Supportvolumina zu verringern oder das Ziel zu verfolgen, gar keinen Support zu gebrauchen. Denn dann werden die Bauteile auch hinsichtlich des Nacharbeitsprozesses deutlich wirtschaftlicher und für einen industriellen Serienprozess tauglich gemacht.

Die so belastungsgerecht konstruierte Geometrie muss dann erneut über eine FE-Rechnung auf die relevanten Lastfälle des dynamischen Lenkens und der Abstützung des Fahrers beim Bremsen überprüft werden. Hinsichtlich fertigungstechnischen Restriktionen muss neben dem additiven Fertigungsprozess auch eine spanende Nacharbeit, insbesondere bezüglich Aufmaß und Spannvorrichtung, berücksichtigt werden. An den Funktionsflächen mit engen Toleranzangaben, hier lediglich die Lagerstellen sowie die Auflageflächen der Verschraubung, muss ein Aufmaß definiert werden.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die additive Fertigungstechnik über prototypische Anwendungen hinaus in der Lage ist, Bauteile in Serie herzustellen. Allerdings ist dafür ein breites Wissen in Bezug auf den additiven Fertigungsprozess und entlang der gesamten Prozesskette nötig, was sich letztlich in einem funktions- und prozessgerechten Bauteildesign widerspiegeln muss. Die Lenkwellenanbindung wurde im Rahmen der Formula Student in einer Zusammenarbeit mit dem DHBW-Engineering-Team aus Stuttgart umgesetzt und im aktuellen Konstruktionswettbewerb des „Netzwerk-Strahlschmelzen“ mit dem ersten Platz prämiert.

Hirschvogel Umformtechnik GmbH
www.hirschvogel-tech-solutions.com



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