Additive Fertigung Mit 3D-Druck und Live-Simulation zu leistungsfähigeren Produkten

Entwicklung neu gedacht: Die Simulationsexperten von Smile-FEM nutzten aktuelle Technologien wie 3D-Druck, Topologieoptimerung und Live-Simulationen, um die Leistung eines Hydraulik-Steuerblocks deutlich zu verbessern.

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Seit über zehn Jahren unterstützen die Berechnungsingenieure von Smile-FEM ihre Kunden und Partner, indem sie ausgereifte Konstruktionsentwürfe unter realen Bedingungen simulieren. Ziel ist es, das vollständige Potential der technischen Anwendungen nutzen zu können. Neue Verfahren wie die additive Fertigung erlauben es, bisher bestehende Grenzen zu überschreiten. An einem Hydraulik-Steuerblock, der bereits mit konventionellen Methoden optimiert wurde, wird hier anhand eines topologieoptimierten Prototyps dargestellt, welches Potential in der additiven Fertigung steckt.

Weniger Gewicht bei besserer Funktionalität

Die technischen Herausforderungen bei einem solchen Projekt lassen sich in zwei Bereiche unterteilen. Zum einen geht es um Gewichts- und damit um Materialeinsparungen. Zum anderen soll die Funktionalität des Bauteils verbessert werden. Diese beiden Aspekte müssen gemeinsam betrachtet werden, wenn ein gutes und erfolgreiches Produkt entstehen soll. So wurde hier nicht nur eine erhebliche Gewichtsreduzierung angestrebt, sondern auch die Druckverluste in dem Hydrauliksteuerblock sollten minimiert werden.

Dies ließ sich nur dadurch erreichen, dass die bisherigen Einschränkungen durch die Fertigungsmethodik aufgehoben werden konnten. Denn bisher wurden die erforderlichen Kanäle in einen Rohblock gebohrt oder gefräst. Somit waren nur gerade Verbindungen mit konstantem oder sich verjüngendem Querschnitt möglich. Die additive Fertigung erlaubt dagegen auch gekrümmte Verbindungen, Verzweigungen und Hinterschneidungen.

Weniger Druckverlust für höhere Energieeffizienz

„Neben der Herstellung von optimalen Verbindungen zwischen den einzelnen Anschlüssen war die Zielsetzung, den Druckverlust in den Kanälen zu reduzieren, um somit eine bessere Energieeffizienz zu erzielen“, betont Dr. Marco Göttsche, General Manager bei Smile-FEM in Heikendorf bei Kiel. Zudem können funktionale Einheiten wie Druckminderer, Rückschlagventile und Regler einfacher in den Steuerblock integriert werden. Zur Neukonstruktion und Auslegung des Steuerblocks für die additive Fertigung kam die neue Softwaregeneration Ansys Discovery Live zum Einsatz. Damit ließ sich einerseits die Topologie optimieren und andererseits konnten in den Steuerkanälen Strömungsanalysen durchgeführt und erhebliche Verbesserungen erzielt werden.

Änderungen sind sofort sichtbar

„Die Discovery-Software ist super leicht zu bedienen, speziell, wenn vorher schon mit der CAD-Anwendung Space-Claim gearbeitet wurde“, berichtet Deborah Kaschube, die bei Smile-FEM als Berechnungsingenieurin tätig ist. „Werden geometrische Modifikationen vorgenommen, sind die entsprechenden Änderungen bei der Strömungsanalyse sofort sichtbar, so dass unterschiedliche Varianten schnell verglichen und beurteilt werden können. Zwar lassen sich keine genauen Zahlenwerte ermitteln, wie bei traditionellen Simulationsanwendungen, aber die Tendenzen des physikalischen Verhaltens sind klar sichtbar.

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Konstruktionsbegleitende Berechnungen

So können schon in sehr frühen Phasen konstruktionsbegleitende Berechnungen durchgeführt werden, um den richtigen Weg zur gewünschten Funktionalität zu finden. Ebenso lässt sich einfach untersuchen, welchen Effekt kleine oder auch größere Änderungen haben. „Das hat sich für uns immer wieder als entscheidender Vorteil von Discovery Live erwiesen“, erklärt Dr. Göttsche. „Und natürlich die Geschwindigkeit, mit der die Berechnungen durchgeführt werden.“ Möglich wird dies durch die Nutzung der GPU-Prozessoren der Grafikkarten von PNY.

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Einfach Umdenken

Zum konkreten Vorgehen erläutert Deborah Kaschube: „Zunächst habe ich beim bisherigen Modell die Anschlüsse von den Steuerkanälen getrennt, um neue, möglichst kurze Kanäle, die ja nicht mehr gradlinig sein mussten, erzeugen zu können. Anschließend nutzte ich Discovery Live für die Optimierung des Strömungsverlaufs in den einzelnen Verbindungskanälen.“

So konnte der Druckverlust in einigen Bereichen um mehr als 50 % reduziert werden. Erreicht wurde dies nicht nur durch kürzere Kanäle für die Hydraulikflüssigkeit, sondern auch durch ein verbessertes Fließverhalten im optimierten Steuerblock – beispielsweise kein scharfkantiger Richtungswechsel mehr. Aber auch die so genannten toten Enden, die beim traditionellen Vorgehen mit Bohrungen in Kauf genommen werden, entfallen bei additiv gefertigten Steuerblöcken.

Komponenten zu einem Bauteil vereinen

Zur Funktionsoptimierung gehört auch die Integration einzelner Komponenten zu einem Bauteil. So konnten in diesem Fall zwei Bauteile zu einem vereint werden. Dies spart nicht nur Montageschritte, sondern reduziert auch Dichtflächen und somit potentielle Fehlerquellen. Nachdem die Kanäle neu definiert waren, wurde eine Topologieoptimierung der Struktur durchgeführt, um die gewünschte Gewichtsreduzierung zu erreichen.

Gewichtsreduzierung von über 75 %

Dazu erläutert Dr. Göttsche: „Der Hauptnutzen der Simulation liegt eindeutig in der enormen Gewichtsreduzierung, da das Bauteil um über 75 % leichter wurde und auch um mehr als 25 % flacher. Das führt zu erheblichen Materialeinsparungen und erfordert nun weniger Bauraum. Und das alles, ohne die interne Verrohrung grundsätzlich verändern zu müssen oder sonstige Einschränkungen in Kauf zu nehmen.“ Eine zusätzliche Herausforderung war, die Funktionsflächen in ihrer Position beizubehalten, so dass der optimierte Steuerblock ohne bauliche Änderungen in die bisherige Maschinenkonstruktion integriert werden konnte.

Leichtbau als treibende Kraft

In vielen Industriebranchen ist der Leichtbau die treibende Kraft für den Einsatz der additiven Fertigung und die Nutzung der Topologieoptimierung. Speziell in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem gesamten Transportwesen aber auch in Sonderbereichen der maritimen Industrie sind Gewichtsreduzierungen eine wichtige Basis der Effizienzsteigerung. So wird beispielsweise der Energieverbrauch reduziert oder die mögliche Zuladung erhöht. Am Beispiel der Steuerblocks konnte hier aufgezeigt werden, wie viel schlummerndes Potential bei sehr vielen bestehenden Konstruktionen mit dem 3D-Druck und neuen Simulationslösungen erschlossen werden kann. Dies ist aber nur möglich, wenn man sich von der Prämisse „Das haben wir immer schon immer so gemacht und sind damit gut gefahren!“ löst, um neue technologische Welten zu erkunden und deren Vorteile zu nutzen.

Eine willkommene Entscheidungshilfe

„Als Ingenieurdienstleister übernehmen wir auch immer öfter Entwicklungsaufgaben“, erklärt Dr. Göttsche. „Für diese Anforderungen ist Discovery Live, speziell in den frühen Phasen der Entwicklung ein ideales Werkzeug und bietet uns Entscheidungshilfen, wenn wir den besten Weg zum Ziel suchen.“ Dazu ergänzt Deborah Kaschube: „Außerdem haben wir festgestellt, dass mit Discovery in den Besprechungen mit allen Beteiligten einzelne Ideen sofort umgesetzt und veranschaulicht werden können. So können die jeweils vorgeschlagenen Alternativen auf Grundlage eines berechneten Ergebnisses gemeinsam diskutiert und bewertet werden. Denn jeder hat seine individuellen Anforderungen und Prämissen bei der Auslegung des Produktes, die zu berücksichtigen sind.“

Mehr zum Thema additive Fertigung finden Sie auf unserer Partnerplattform Mission Additive.

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