KEM Konstruktion 06.2017

PERSPEKTIVEN
PERSPEKTIVEN
TRENDS
Bild: Altair
Um die Toplogie eines Bauteils
zu optimieren, muss festgelegt
werden, welcher Bauraum zur
Verfügung steht und welche
Bereiche des ursprünglichen
CAD-Modells unangetastet
bleiben müssen, etwa die
Verbindungselemente zu
anderen Baugruppen
Mit dem MPA-Verfahren
von Hermle können auch
Freiflächen von bereits
bestehenden Bauteilen
bedruckt und verschiedene
Materialien kombiniert
werden
Bild: Hermle
nen, ob sich Designvorschläge, die am Rechner erstellt wurden,
auch in der Realität umsetzen lassen. Ist dies nicht der Fall, schlägt
die Technik vor, wie das Produkt besser gestaltet werden kann.
Die Algorithmen der Software nutzen das mathematische Konzept
der Subdivisionsvolumen. Darauf aufbauend ermitteln die Forscher
physikalisch basierte Simulationsmodelle. Konkret bedeutet das:
Sie berechnen aus Krafteinflüssen wie Schwerkraft und Gewicht
des Gegenstands dessen innere Spannung. Je nach Größe und Verteilung
der Spannung lässt sich beurteilen, ob ein Gegenstand statisch
hält oder nicht. Damit geht das Verfahren über die reinen CAD-
Informationen hinaus: Diese beschreiben lediglich Oberflächen von
dreidimensionalen Objekten, lassen aber keine Rückschlüsse auf
deren Inneres zu. „Die volumetrischen Informationen werden bei
unserem Ansatz mit den Oberflächeninformationen direkt mitgeführt,
die für das Erstellen des Designs wichtig sind. Das heißt, bereits
in der Designphase stehen die notwendigen Informationen für
die Simulation zur Verfügung“, erklärt Altenhofen.
Für die Hannover Messe 2017 haben die Forscher einen Prototyp ihrer
Simulationslösung entwickelt, der die Idee für mögliche Anwendungen
und zukünftige Entwicklungen transportiert: Sie fertigten individuelle
Halter für Espressotassen aus Kunststoff. Über eine interaktive
Benutzungsoberfläche konnte der Standbesucher seinen eigenen
Halter entwerfen. Falls der Entwurf nicht stand hielt, gab die
Software Anweisungen, welche Parameter man verändern müsse,
um das zu verhindern. „Die additive Fertigung ist ein sehr anschauliches
Beispiel, wie sich unsere Technologie anwenden lässt. Im Prinzip
ist unser Ansatz jedoch für viele verschiedene Fertigungsverfahren
und unterschiedliche Werkstoffe anwendbar“, sagt Altenhofen.
Hybrider 5-Achs-Ansatz
Die MPA-Technologie von Hermle zur generativen Herstellung großvolumiger
Bauteile aus Metall könne seine Stärken laut Aussage
des Maschinenherstellers besonders im Werkzeug- und Formenbau
ausspielen. Es handelt sich dabei um ein thermisches Spritzverfahren,
bei dem Metallpulver mit Hilfe eines Trägergases auf sehr hohe
Geschwindigkeiten beschleunigt und durch eine Düse schichtweise
auf das Substrat aufgebracht werden. Durch die Integration der Auftragseinheit
in ein Bearbeitungszentrum werden Zerspanung und
Materialauftrag zu einem hybriden Fertigungsschema kombiniert.
Die 5-Achs-Maschine ermöglicht dabei auch den Materialauftrag auf
Freiformflächen. So können auch vorgefertigte Rohlinge mit additiv
gefertigten Komponenten ergänzt werden.
Das Verfahren erlaubt zudem die Kombination mehrerer Materialien
in einem Bauteil, etwa Warmarbeitsstähle (1.2344, 1.2367), Kaltarbeitsstähle
(1.2333, 1.2379), Edelstähle (1.4404, 1.4313), Invar, Eisen,
Kupfer oder Bronze. Damit sind neben konturnahen Kühlkanälen
zum Beispiel auch integrierte Kupferkerne oder eingebettete
Heizelemente realisierbar. Die Aufbauraten liegen bei 200 cm 3 /h bei
Stählen und 900 cm 3 /h bei Kupfer. Bei der Realisierung von Kanälen
und anderen Hohlräumen kommt als Platzhalter ein wasserlösliches
Füllmaterial zum Einsatz, das am Ende ausgespült wird. Dazu ist
aber erforderlich, dass die Hohlräume später einen Zugang haben,
geschlossene Kammern sind so daher ebenfalls nicht realisierbar.
Die Porosität des Gefüges liege laut Hermle weit unter einem Prozent,
nach einer Wärmebehandlung sei es vollständig dicht. So sind
auch Bauteile mit hochglanzpolierten Oberflächen möglich. Das
MPA-Verfahren bietet die Maschinenfabrik bisher nur als Dienstleistung
an, mittelfristig soll die Technik aber in Serie gehen.
Der industrielle 3D-Druck wird nach Ansicht verschiedener Experten
zweifelsohne einen Platz in der Produktion der Zukunft haben. Dass
er bald sämtliche Prozesse ersetzen wird, ist aber eher unrealistisch,
denn bis die Technik in der Massenfertigung etwa Drehteile
wirtschaftlicher erzeugen kann, als aktuelle Zerspanmaschinen,
dürfte noch einige Zeit vergehen. Die Prognose geht dahin, dass die
additive Fertigung die herkömmlichen Verfahren gut ergänzen wird,
speziell mit Blick auf Flexibilität und kleine Losgrößen könnte sie
mehr als nur ein gehyptes Nischenprodukt werden.
Video zur Topologieoptimierung in Ansys Space Claim:
www.hier.pro/IpTX0
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