Optimierte Geometrien auch für das Innere

Leichtbaupotenziale im 3D-Druck

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Die Geometrie hat großen Einfluss auf die Steifigkeit eines Bauteils, der Doppel-T-Träger ist das beste Beispiel dafür. Material von der Biegelinie weg nach außen zu bringen ist ein probates Mittel für mehr Steifigkeit. In Zeiten des 3D-Drucks, in denen auch das Innere von Teilen formbar ist, ergeben sich für die festigkeitsoptimierte Formgebung ganz neue Möglichkeiten – von der computerunterstützten Topologieoptimierung bis hin zum gezielten Aushöhlen von Bauteilen.

Ralf Steck, freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau, Friedrichshafen

Inhaltsverzeichnis

1. Deutliche Gewichtsreduktion bei Gussteil 2. Leichtbaupotenzial im Inneren 3. Fazit

Während bei herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Fräsen oder Drehen ein massives Rohteil von außen nach innen bearbeitet wird (subtraktiv), entsteht das Bauteil im 3D-Druck schichtweise (additiv). Das bedeutet, dass jede Stelle des Bauteils, auch das Innere, individuell geformt werden kann. Zudem bedeutet eine komplexe Geometrie nicht, dass sich die Bearbeitungszeit auf dem 3D-Drucker verlängert – „Complexity is for free“. Auf diese Weise lassen sich hochkomplexe, bionisch anmutende Formen auf dem 3D-Drucker genau so einfach erstellen wie geometrische Grundkörper mit glatten Flächen.

Die meisten CAD- und Simulationshersteller bieten inzwischen Funktionen zur Topologieoptimierung an. Bei dieser Technologie definiert der Anwender die Angriffspunkte, Richtungen und Größen der Kräfte, die auf das Bauteil wirken, sowie den Bauraum. Die Software berechnet dann – unter Berücksichtigung weiterer Parameter und Randbedingungen – die optimale Form, die mit möglichst geringem Materialverbrauch die geforderte Festigkeit erreicht.

Dabei entstehen meist organisch wirkende Formen aus vielen verwinkelten und verbeulten Stäben, die schon allein wegen der komplexen Verstrebungen subtraktiv kaum zu fertigen sind. Eine Alternative ist das Anfertigen der Struktur beispielsweise als Stahlrohr-Schweißkonstruktion, aber auch das ist eine sehr mühsame Aufgabe – auch deswegen, weil die Geometrie zunächst mühsam in Stabgeometrien umgesetzt werden muss. Die Topologieoptimierungssoftware Inspire des US-amerikanischen Unternehmens Altair in Troy, Michigan ermöglicht es, die berechnete Geometrie mit glatten Flächen zu überziehen, um eine eher technische Anmutung zu erreichen. Im 3D-Druck dagegen ist es schlicht unerheblich, wie die Geometrie geformt ist, der 3D-Drucker erstellt beliebige Formen. So ermöglicht es der 3D-Druck, topologieoptimierte Teile ohne oder mit nur geringer Nacharbeit herzustellen.

Deutliche Gewichtsreduktion bei Gussteil

Schienenfahrzeughersteller Alstom aus dem französischen Saint-Ouen optimierte mit Hilfe von Altair Inspire und dem zugehörigen Modelliersystem Evolve einen Stabilisatorhalter für die Drehgestelle seiner Metropolis-Zugbaureihe. Das Gussteil war sehr schwer und zeigte sich in der Simulation als massiv überdimensioniert. Die Ingenieure definierten einen erweiterten Bauraum sowie die Kräfte und Randbedingungen, woraufhin Inspire eine wesentlich leichtere Geometrie errechnete. Diese bewies auch nach der Glättung der Strukturen in Evolve in einem weiteren Simulationslauf, dass sie die auftretenden Betriebskräfte bei stark gesunkenem Materialeinsatz – und damit Gewicht – aufnehmen kann. Der Prozess zeigte, dass mit Hilfe der Topologieoptimierung sehr schnell sehr viel Gewicht aus vorhandenen Strukturen eliminiert werden kann.

Leichtbaupotenzial im Inneren

Eine andere Möglichkeit, Gewicht einzusparen, ohne an Festigkeit einzubüßen, ist die Bearbeitung des Bauteilinneren. Oft folgt die äußere Form eines Bauteils bestimmten funktionalen oder ästhetischen Kriterien – dabei entstehen jedoch weit massivere Bereiche, als es für die Festigkeit notwendig wäre. Bisher war in diesem Fall kaum etwas zu machen, doch mit Hilfe des 3D-Drucks ist es kein Problem, das Innere eines Bauteils teilweise oder ganz hohl zu gestalten. Um nicht zu viel Stabilität zu verlieren, füllt man die Hohlräume gerne mit einer Gitterstruktur, wie sie beispielsweise die Software Within des ebenfalls US-amerikanischen Unternehmens Autodesk aus San Rafael erzeugt.

Durch eine entsprechende Gestaltung dieser Gitterstrukturen ist es sogar möglich, die Werkstoffeigenschaften gezielt zu beeinflussen. Beispielsweise lassen sich, wenn man ein Bauteil aus elastischem Material druckt, durch dickere und dünnere Gitterstäbe härtere und weichere Bereiche innerhalb eines Bauteils erzeugen. Übrigens sind praktisch alle, im FDM-Verfahren 3D-gedruckten Bauteile teilweise hohl. Hier nutzt man Gitterstrukturen vor allem, um Druckzeit, aber auch, um Material zu sparen. In jedem Fall entstehen so extrem leichte und gleichzeitig stabile Bauteile.

Fazit

Die Eigenschaft der additiven Fertigung, jeden Punkt eines Bauteils gezielt definieren zu können, auch im Inneren, eröffnet dem Konstrukteur eine Vielzahl von Möglichkeiten, Gewicht und Material einzusparen. Hohle, mit Gitterstrukturen gefüllte oder auf reine Stabwerke minimierte Bauteile bieten Einsparpotenziale weit jenseits der 50 %. Es lohnt sich also, sich mit den neuen Technologien zu beschäftigen. co

Umfangreiche Informationen zu Verfahren und Anwendungsbeispielen der additiven Fertigung liefert die Themenseite 3D-Druck der KEM Konstruktion:

hier.pro/pBjou

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