Leichtbau 3D-Druck im Formenbau setzt topologieoptimierte Gussteile um

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Der 3D-Druck im Formenbau und simulationsgetriebenes Design setzen neue Maßstäbe für die Entwicklung von Gussteilen und ermöglichen die optimale Bauteilgestaltung.

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Von der Natur inspiriert: Mithilfe der Software Inspire von Altair wurde das Bauteil topologieoptimiert.
Von der Natur inspiriert: Mithilfe der Software Inspire von Altair wurde das Bauteil topologieoptimiert.
(Bild: Altair)

Ein Radträger ist unter Last Verformungen ausgesetzt, die die Spurstabilität des kompletten Fahrwerks beeinflussen können. Daher spielt die Steifigkeit dieses Bauteils eine besonders wichtige Rolle. Die Herausforderung bei der Neuentwicklung war, das Design des bestehenden Radträgers so zu optimieren, dass der Radträger bei gleichem Gewicht um ein Vielfaches steifer ist.

Im Folgenden werden die einzelnen Schritte erklärt, wie der Radträger durch Simulation und 3D-Druck effizient optimiert wurde. Die für das Bauteil nötigen Feingussformen wurden von Voxeljet im 3D-Druckverfahren hergestellt. Dank des Einsatzes von Software zur Strukturoptimierung und nahezu unbegrenzter Gestaltungsfreiheit im Formenbau durch die Verfahren des 3D-Drucks konnten deutlich verbesserte Leistungsmerkmale erzielt werden.

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Start mit Topologieoptimierung

Der Prozess wurde beispielhaft für einen Radträger durchlaufen. Dafür haben sich die Designer und Ingenieure der teilnehmenden Unternehmen darauf konzentriert, einen neue Form des Radträgers zu entwickeln, die bei gleichem Gewicht deutlich leistungsfähiger sein sollte als das Original. 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 Herstellbarkeit berücksichtigt wurde, erhielten die Ingenieure ein Bauteil, das mit dem gleichen Materialeinsatz (Aluguss), jetzt ein völlig neues Design hatte. Bei diesem neuen Design wurde das Material so verteilt, dass die Steifigkeit des Bauteils um den Faktor 3 bis 5 (je nach Lastfall) erhöht wurde. Natürlich können Bauteile auch so optimiert werden, dass sie bei gleicher Steifigkeit deutlich leichter sind.

Lasthistorie beeinflusst Lebensdauer

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, in dem die Lasten aus fünf verschiedenen Straßenzuständen berücksichtigt wurden. Außerdem wurden in Optistruct von Altair 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.

Zwei Auftritte für die Gusssimulation

Die Gusssimulation wurde zwei Mal verwendet: In der frühen Phase ermöglichte sie den Konstrukteuren, die Herstellbarkeit des Bauteildesigns zu überprüfen und zu optimieren. So werden innere Schäden vermieden und kritische Bereiche analysiert, während gleichzeitig die Iterationen zwischen Design- und Entwicklungsabteilung sanken. Am Ende der Designphase wurden schließlich Füllprozess und Erstarrungsvorgang simuliert.

Der 3D-Druckprozess

Anschließend wurde der optimierte Radträger für den 3D-Druck der Gussformen an Voxeljet weitergeleitet. Anhand von CAD-Daten produziert Voxeljet Kunststoffmodelle, die wie in diesem Fall für Feingussanwendungen eingesetzt werden. Die Modelle entstehen durch den schichtweisen Auftrag eines Partikelmaterials, das mit einem Binder selektiv verklebt wird. Als Werkstoff kommt der Kunststoff PMMA zum Einsatz. Durch die Verwendung dieses organischen Materials ergibt sich ein sehr niedriger Restaschegehalt. Die Modelle dehnen sich nicht aus und weisen ideale Ausbrenneigenschaften auf. Zudem können die gedruckten Teile wie Wachslinge gehandhabt werden. Neben Zeit- und Kostenersparnis sind mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie auch komplexe Geometrien realisierbar, die mit konventionellen Verfahren nicht herstellbar sind. (mz)

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