Additive Fertigung bei der Königlich Niederländischen Marine 3D-Druck macht stark

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Ultimaker, die Königlich Niederländische Marine und Covestro stellten den 3D-Druck auf die ultimative Probe: die Konstruktion und Herstellung eines Bauteils, mit dem ein 12 Tonnen schweres gepanzertes Fahrzeug angehoben werden kann. 

Wie stabil sind mittels 3D-Druck hergestellte Teile? Diese Frage stellen sich viele Ingenieure – insbesondere, wenn sie nach einsatzfähigen Technologien für missionskritische Anwendungen suchen. Auch die Königlich Niederländische Marine befasst sich damit. Schließlich kann die Kenntnis der Grenzen der eigenen Werkzeuge über Erfolg oder Misserfolg im Einsatz entscheiden.

Und genau das brachte Ingenieure von Ultimaker, einem Anbieter von 3D-Drucklösungen, Covestro, einem Hersteller hochwertiger Polymerwerkstoffe, und der Königlich Niederländischen Marine zusammen. Ihre Mission: 3D-gedruckte Teile auf Herz und Nieren zu prüfen. Aber sie wollten dabei nicht den herkömmlichen Weg gehen ...

3D-Druck hilft dabei, etwas wirklich Schweres zu heben

Herkömmlich misst man die Festigkeit eines Materials mit einer Zugprüfmaschine. Dabei wird eine kleine Probe gedruckt und einer großen Kraft ausgesetzt, bis sie bricht. Die auf das Teil ausgeübte Kraft geteilt durch die Oberfläche des mittleren Schnittpunkts zum Zeitpunkt des Bruchs ergibt die Festigkeit.

Diese Zahlen sind für Ingenieure zwar sehr aussagekräftig, aber manchmal gilt: Sehen ist Glauben. Um den Menschen wirklich vor Augen zu führen, wie stark 3D-gedruckte Teile sein können, starteten Covestro, die niederländische Königliche Marine und UltiMaker eine einzigartige Zusammenarbeit, um etwas wirklich Schweres zu heben.

Aber was würde funktionieren? Hanteln? Ein Motorrad? Ein Auto? Vielleicht ein großer Jeep? Und dann fragte die niederländische Königliche Marine: „Warum nicht ein gepanzertes Fahrzeug?“

Entwurf des ersten Designs

Um ein schweres Fahrzeug mit einem 3D-gedruckten Teil anzuheben, musste zunächst eine Analyse der Hardware durchgeführt werden. Die Königlich Niederländische Marine verfügte über einen speziellen Hebetank, der mit zwei zu öffnenden Stahlringen an einen Kran und an Kabel angeschlossen wurde, die am angehobenen Fahrzeug befestigt wurden. Ein langgestrecktes, O-förmiges, im 3D-Druck gefertigtes Verbindungsstück würde diese beiden Metallringe verbinden und das schwere Fahrzeug anheben.

Nachdem die Geometrie der Stahlringe in die CAD-Software importiert worden war, konnte Lars de Jongh, Anwendungsingenieur bei Ultimaker, den ersten Entwurf für das Verbindungsstück erstellen. De Jongh definierte zunächst die Designanforderungen:

• Das Verbindungsstück musste eine flache Seite haben, um einen stabilen 3D-Druck zu gewährleisten.

• Das Verbindungsstück musste mit Schichtlinien in derselben Richtung wie die auf das Teil einwirkenden Kräfte gedruckt werden.

• Die Kontaktfläche zwischen dem gedruckten Teil und den Metallringen sollte so groß wie möglich sein, um die Kräfte gleichmäßig zu verteilen.

Das richtige Material finden

Das für diesen Test benötigte Material musste sehr fest sein, aber auch kurzzeitige Spitzenkräfte absorbieren können. Der Ultimaker Marketplace bietet Hunderte von Materialien, von denen jedes eine einzigartige Kombination von Eigenschaften aufweist. In diesem Fall entsprach Addigy F1030 CF10 von Covestro den gestellten Anforderungen. Dieses Polymer auf Nylonbasis ist mit Kohlefaser verstärkt und kann mit dem Ultimaker Factor 4 oder der S-Serie ab dem Modell S5 unter Verwendung eines CC-Druckkerns gedruckt werden.

Design mithilfe von Simulationen optimiert

Der 3D-Druck eines soliden, zwei Kilogramm schweren Verbindungsstücks dauert weniger lang als die Herstellung mit herkömmlichen Methoden. Allerdings war der Zeitaufwand dennoch ein kritischer Faktor, denn die richtige Geometrie galt es, mit mehreren Iterationen zu validieren. Daher wurde das Design vor dem Druck mithilfe von Computersimulationen optimiert.

Covestro hat die Kräfte digital auf das Design angewendet. Das Unternehmen setzte dazu eine Software ein, welche die genauen physikalischen Eigenschaften des Carbonfaser-Nylon-Materials kennt. Durch Simulationen konnte man ermitteln, wo das Design angepasst und wo Material entfernt werden musste. So entstand ein optimiertes Design, das mehr Gewicht heben konnte, dabei weniger Material benötigte und somit eine schnellere Produktionszeit bei geringeren Kosten ermöglichte.

Überprüfen der Simulation

Vor dem Anheben des schweren Fahrzeugs musste man die berechnete physikalische Festigkeit des gedruckten Teils überprüfen. Es wurden zwei Designs für zwei Größen erstellt. Das erste war ein 1 Kilogramm schweres Verbindungsstück, das schätzungsweise 12 Tonnen aushalten konnte. Das zweite wog etwa 2 Kilogramm und konnte schätzungsweise 38 Tonnen aushalten. Die Königlich Niederländische Marine verfügt über einen industriellen Zugprüfgerät vor Ort, das bis zu 343 Kilonewton Kraft auf ein Objekt ausüben kann. Sowohl die ursprüngliche als auch die optimierte Version wurden für die große und die kleine Version getestet.

Das optimierte Design konnte einer höheren Kraft standhalten und wog dabei ein Drittel weniger. Die Differenz zwischen den Testergebnissen und den simulierten Zahlen war ebenfalls äußerst gering und lag im Durchschnitt nur bei 1 Prozent. Dies bestätigte, dass der Arbeitsablauf in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Leistungssteigerung genau und rentabel war.

Heben von zwei Fahrzeugen

Nach mehreren Monaten Entwerfen, Drucken, Testen und Planen war es Zeit für die Umsetzung. Zwei Glieder sollten ein schweres Militärfahrzeug heben. Auf einem Stützpunkt der niederländischen Armee im Süden der Niederlande half die 13. Light Rhino Brigade mit einem gepanzerten Bergungsfahrzeug. Der Leopard 2 „Buffalo“ hat einen Kran an der Vorderseite und ist für die Bergung schwerer Fahrzeuge wie Lastwagen und Kampfpanzer ausgelegt.

Zum Aufwärmen wurde die 1-Kilo-Verbindung verwendet, um eine Militärversion eines Mercedes-Jeeps mit einem Gewicht von über 2 Tonnen anzuheben. Dies war kein Problem: Das Fahrzeug ließ sich mühelos anheben. Dann kam die Zeit für etwas Größeres.

Das zwei Kilo schwere, mit Kohlefaser verstärkte Nylon-Verbindungsstück platzierte man zwischen dem gepanzerten Fahrzeug M113 und dem Buffalo-Kran. Die Metallringe wurden festgezogen und vier Kabel wurden vom unteren Haken am Fahrzeug befestigt. Der Kran begann sich langsam nach oben zu bewegen. Die Kabel und das 3D-gedruckte Teil gerieten somit unter Spannung. Dann hob sich das 12 Tonnen schwere Fahrzeug langsam vom Boden ab und schwebte an einem 3D-gedruckten Verbindungsstück. Der Buffalo fuhr herum – rückwärts, vorwärts und in Kurven –, aber das Verbindungsstück hielt perfekt. Die Zusammenarbeit führte zum Erfolg.

Fazit und Ausblick

Das Projekt war nicht nur aufgrund der funktionierenden Verbindung ein Erfolg. Die CAD-Simulationen berechneten nicht nur Formen, sie lieferten vielmehr auch genaue Vorhersagen und berücksichtigten dabei das spezifische Material – und sogar die Faserrichtung. Die Genauigkeit solcher Werkzeuge ist ein großer Vorteil für Ingenieure.

Obwohl alle Teile in ordnungsgemäß gewarteten Räumen gedruckt wurden und die Materialien keiner Feuchtigkeit ausgesetzt waren, gab es dennoch einen deutlichen Unterschied zwischen den in einem trockenen Lager gedruckten Versionen und den Teilen, die mit bewusst getrockneten Filamentspulen in einem beheizten, trockenen Druckraum gedruckt wurden. Nylon nimmt Feuchtigkeit auf, was zu schwächeren Druckergebnissen führen kann. Daher ist es sehr wichtig, die Eigenschaften der Materialien zu kennen und entsprechend mit ihnen umzugehen.

Weitere Informationen: https://ultimaker.com/