Suchen

CAE Wie Design und Fertigung eins werden

Autor / Redakteur: Mirko Bromberger / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Im Bereich der additiven Fertigung stehen einige neue und vielversprechende Verfahren bereit, die den Anspruch erheben, die klassischen Fertigungsmethoden zu ergänzen oder sogar abzulösen. Einhergehend mit diesen neuen Verfahren und der damit verbundenen Gestaltungsfreiheit setzt ein Umdenken in der Konstruktion ein. Die additiven Fertigungsverfahren ebnen den Weg für völlig neue Konstruktions- und Produktionskonzepte – und das fast ohne Materialabfall.

Firmen zum Thema

Simulationsgetriebenes Design: Die Symbiose aus additiver Fertigung und Optimierung bietet den Unternehmen den größtmöglichen Nutzen.
Simulationsgetriebenes Design: Die Symbiose aus additiver Fertigung und Optimierung bietet den Unternehmen den größtmöglichen Nutzen.
(Bild: Altair)

Fertigungsgerechtes Gestalten ist die Kunst, die Anforderungen verschiedener Fertigungsmethoden in den Entwürfen zu berücksichtigen, um einen Kompromiss zwischen optimalen Produkteigenschaften und niedrigen Herstellungskosten zu schaffen. Neue Fertigungsverfahren aus dem Bereich der additiven Fertigung stellen nun die klassischen Konstruktionsansätze in Frage, da sie eine fast unbegrenzte Gestaltungsfreiheit bieten und so die direkte und kosteneffiziente Herstellung optimaler, lastgerechter Strukturen – unabhängig von ihrer Komplexität – ermöglichen.

Bei den additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck oder dem FPP (Fiber Patch Preforming) Verfahren wird, im Gegensatz zu vielen klassischen Verfahren, Material Schicht für Schicht aufgetragen, um am Ende eine gewünschte Form zu erzeugen. So können mit diesen Verfahren komplexe Strukturen erzeugt werden, die mit anderen Herstellungsverfahren so nicht umsetzbar wären.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Lastgerechte Gestaltung

Die neuen Fertigungsmethoden ergänzen sich ideal mit dem Einsatz von Strukturoptimierung im Designprozess, denn sie lassen eine konsequente lastgerechte Gestaltung zu. Für die klassischen Fertigungsverfahren müssen beispielsweise verschiedene Randbedingungen wie das Vermeiden von Hinterschnitten beim Spritzgussverfahren, die Extrudierbarkeit, Symmetrien, Mustervorgaben und so weiter direkt im Optimierungsprozess berücksichtigt werden, um die Interpretation der Topologieoptimierungsergebnisse zu vereinfachen. Jede dieser Fertigungsrandbedingungen führt jedoch zu einem schlechteren Gewichts-/Leistungsverhältnis. Grundsätzlich gilt dies auch für die additiven Verfahren, die allerdings eine wesentlich höhere strukturelle Gestaltungsfreiheit bieten. Der Konstrukteur kann seinen Entwicklungsprozess dabei deutlich näher an der idealen Struktur orientieren.

Leichtbaupotenzial erschließen

Die Symbiose aus additiver Fertigung und Optimierung bietet den Unternehmen den größtmöglichen Nutzen, da die Topologieoptimierung das vorhandene Leichtbaupotenzial eines Bauteils erschließt und die additive Fertigung diese ideale Struktur mit wenigen Einschränkungen umsetzen kann. Die Komplexität der Struktur spielt dabei nur eine geringe Rolle, vielmehr werden die Fertigungskosten maßgeblich durch die eingesetzte Materialmenge bestimmt. Folglich gilt im Bereich additiver Fertigung folgender Grundsatz: je effizienter die Formgebung, desto leichter und günstiger wird ein Bauteil in der Produktion.

Simulation als Gestaltungswerkzeug

Dies ermöglicht eine tiefgreifende Umstellung des gesamten Entwicklungsablaufes und erfordert ein Umdenken in den Konstruktionsabteilungen. Denn nur wenn die Simulation zum Gestaltungswerkzeug wird und die Optimierungswerkzeuge bereits in der Designphase die Gestaltfindung aktiv antreiben, können die Vorteile der Technologiesymbiose voll zum Tragen kommen. Im Ergebnis verfügt der Konstrukteur über eine bisher unerreichte Gestaltungsfreiheit und kann so gleichzeitig die Produktionskosten durch die erreichten Gewichtsersparnisse am Bauteil deutlich senken.

Optimierung als Schlüsseltechnologie

Altair Engineering, ein weltweiter Anbieter von Simulations- und Optimierungstechnologie, hat sich die Etablierung des CAE-getriebenen Designs auf die Fahnen geschrieben. Dabei ist es dem Unternehmen wichtig, dass die Simulation nicht nur für den virtuellen Test, zur Überprüfung eines Designs, genutzt wird und schadensrelevante Schwachstellen aufzeigt, sondern vielmehr selbst Strukturvorschläge liefert. So werden die Optimierungstools zu Gestaltungswerkzeugen, die ein simulationsgetriebenes Design ermöglichen. Das Altair-Werkzeug Optistruct ermöglicht es mittels Topologieoptimierung völlig neue Formen zu entdecken. Die gleiche Optimierungstechnologie ist auch in Altairs Software Solid-Thinking Inspire enthalten. Dieses Konzeptwerkzeug für Industriedesigner und Designingenieure ermöglicht den Einsatz von Optimierungstechnologie schon während der Konzeptphase.

Beispiele aus der Praxis

Mehrere Kunden von Altair setzen diesen kombinierten Ansatz aus Optimierung und additiven Fertigungsmethoden bereits erfolgreich in ihren Prozessen ein, wie die folgenden Anwendungsbeispiele zeigen.

Ein Anwendungsbeispiel, bei dem additive Verfahren zum Einsatz kommen, zeigt, wie sich neue Konstruktionsansätze aus der Bionik in den Auslegungsprozess integrieren lassen. Im aktuellen Forschungsprojekt Ti-Light des Laser Zen-trums Nord (LZN) werden in enger Kooperation mit dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (Ilas) der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Konstruktionsmethoden für innovative Leichtbaudesigns untersucht, die sich gut mit additiven Herstellungsverfahren kombinieren lassen.

Added Layer Manufacturing

Als Testobjekt des Projektes Ti-Light wurde eine Halterung (Bracket) ausgewählt, die als Standardhalteelement in Flugzeugen eingesetzt wird. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts ermöglichen es, die konventionellen Brackets durch innovative Leichtbaukonstruktionen zu ersetzen und damit ein signifikantes Gewichteinsparpotenzial zu erschließen. Das Forschungsprojekt Ti-Light ist ein Gemeinschaftsprojekt des LZN und Ilas der TUHH und wird aus Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 03CL20A gefördert.

Unter besonderer Berücksichtigung des Werkstoffes Titan wurde eine auf das laseradditive Verfahren zugeschnittene Prozesskette entwickelt, bei der das Optimierungswerkzeug Optistruct von Altair eingebunden wurde. Zur Erschließung des weiteren Leichtbaupotenzials werden neben der additiven Fertigung auch neue Konstruktionsansätze wie die Bionik für etablierte Fertigungsverfahren analysiert, klassifiziert und in anwendergerechten Richtlinien und Datenbanken zusammengefasst. Dadurch können die Konstrukteure eingefahrene, klassische Fertigungsdenkmuster eher verlassen und sich bei der Strukturfindung von biologischen Vorbildern aus der Natur inspirieren lassen – ohne dabei befürchten zu müssen, dass die Strukturkomplexität maßgeblichen Einfluss auf die Fertigungskosten nehmen wird.

Faserverbundstrukturen

Im Bereich der Verbundmaterialauslegung hat Altair auf Basis von Optistruct einen Auslegungsprozess entwickelt, mit dem sich lastgerechte Laminatstrukturen automatisiert gestalten lassen. Mit dem Optimierungsprozess werden die optimalen Lagenformen für jede Faserorientierung, ihre Position in der Gesamtstruktur, die optimale Anzahl der Lagen und schließlich die optimale Schichtreihenfolge bestimmt und Herstellungsrestriktionen von Beginn des Prozesses an berücksichtigt. Verbunden mit dem FPP-Verfahren (Fiber-Patch-Preforming) ist nun ein Prozess entwickelt worden, mit dem Auslegung und Fertigung eines Bauteiles aus Verbundwerkstoffen automatisiert ablaufen kann.

Diese vielversprechende Integration von Designoptimierung und additiver Fertigung eines Verbundmaterialbauteils wurde in einem aktuellen Projekt von Altair und der Manz AG umgesetzt. Dort wurde im Rahmen des BMBF-geförderten Projektes Sowema (beteiligt waren: EADS Deutschland GmbH, TU München, CTC GmbH, TU Clausthal, Cenit AG, Wethje GmbH, Otto Bock Health Care GmbH und die Manz AG) eine Anlage zur automatisierten Herstellung sogenannter Preforms entwickelt. Diese wird nun in einem Folgeprojekt der Manz AG und Altairs um eine vorgeschaltete automatische Optimierung erweitert.

Prozesse deutlich beschleunigen

Der Konstrukteur soll am Ende in der Lage sein, allein durch die Eingabe des CAD-Modells, das lediglich die Außenkontur definiert, und unter Angabe von Lasten und anderen Randbedingungen, den automatischen Prozess zu starten. Optistruct, analysiert und optimiert den Laminataufbau des Verbundmaterials. Aus der automatisierten Optimierung erhält der Anwender eine Datei, welche die optimierte Struktur des Bauteils, inklusive der lastgerechten Faserorientierung und dem Laminataufbau, enthält und die direkt als Eingangsgröße für die Produktionsanlage dient. Diese Datei wird automatisch in einen Maschinencode übersetzt und anschließend fertigt die Manz-Produktionsanlage das betreffende Bauteil im FPP-Verfahren.

Dieser Prozess, welcher die lastgerechte Auslegung des Bauteils und die anschließende Fertigung umfasst, dauerte in der Vergangenheit mehrere Wochen, zukünftig wird er in wenigen Stunden durchführbar sein. Auch hier muss sich der Anwender nur wenige Gedanken um die fertigungsgerechte Gestaltung seiner Entwicklung machen, da die Anlage, bis auf wenige Größeneinschränkungen, beliebige Formen und Ausführungen direkt fertigen kann.

Die additiven Fertigungsverfahren ebnen den Weg für völlig neue Konstruktions- und Produktionskonzepte – und das fast ohne Materialabfall. Produkte oder Ersatzteile könnten so zukünftig zu den Zeitpunkten und an den Orten gefertigt werden, wann und wo sie auch benötigt werden.

Entwicklung erhält Award für nachhaltige Produktion

Altair hat gemeinsam mit der Manz AG den diesjährigen Award für „nachhaltige Produktion“ im Bereich Automation & IT erhalten hat. Der Award wurde vom Fachmedium "nachhaltige Produktion" der Vogel Business Media GmbH & Co. KG im Rahmen der Industrial-Green-Tec-Conference am 9. April auf der Hannover Messe verliehen. Bewerben konnten sich ausschließlich Aussteller der Hannover Messe 2014.

Altair und Manz erhielten den Award für das Projekt „Vollautomatisierte Prozesskette zur Fertigung lastoptimierter CFK-Bauteile“. Basierend auf dem 3D-FPP-Verfahren wird in einem interdisziplinären Entwicklungsteam an einem automatisierten Produktionsprozess gearbeitet, der eine wirtschaftliche Produktion komplexer Faserverbundbauteile von der Einzelfertigung bis hin zur Serienproduktion ermöglicht. Darüber hinaus umfasst die Prozesskette die lastgerechte Gestaltung und Optimierung von Faserverbundkomponenten in einem automatisierten, vorgeschalteten Schritt. Während die Firmen Manz, Airbus, CTC Stade, TU München, TU Clausthal, Cenit, Wethje und Otto Bock im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes "Sowema" den 3D-FPP-Produktionsprozess entwickelt haben, wurde zwischen Altair und Manz das hieran anknüpfende Industrieprojekt initiiert, in dem die computergestützte Bauteiloptimierung in den Gesamtprozess integriert wurde.

Weniger Verschnitt

"Das von Altair und Manz eingereichte Projekt konnte bei der Jury gleich zweifach punkten: Durch die Automatisierung des Produktionsprozesses wird der großtechnische Einsatz von Faserverbundbauteilen wieder ein Stück wahrscheinlicher und mit der computergestützten Bauteiloptimierung fällt bei jedem Einzelvorgang weniger Verschnitt und damit weniger Abfall an. Zusammengenommen ein wichtiger Schritt in Richtung mehr Nachhaltigkeit in der Produktion.", sagte MM MaschinenMarkt-Chefredakteur und Jury-Mitglied des "nachhaltige Produktion Award", Frank Jablonski. (mz)

* Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Mirko Bromberger, Altair Engineering GmbH.

(ID:42538116)