IAA 2017: Haubenscharnier mit Fußgängerschutz additiv gefertigt

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Den Einsatz und das Potenzial von additiven Fertigungstechnologien in der Automobilproduktion aufzeigen – mit diesem Ziel haben sich die Projektpartner EDAG Engineering GmbH, voestalpine Additive Manufacturing Center sowie Simufact Engineering GmbH zusammengeschlossen und das Projekt „LightHinge+“ aus der Taufe gehoben. LightHinge+ ist ein im Laserstrahlschmelz-Verfahren additiv hergestelltes Motorhaubenscharnier, das Leichtbau und erhöhte Sicherheit in einer Konstruktion vereint.

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Den Einsatz und das Potenzial von additiven Fertigungstechnologien in der Automobilproduktion aufzeigen – mit diesem Ziel haben sich die Projektpartner EDAG Engineering GmbH, voestalpine Additive Manufacturing Center sowie Simufact Engineering GmbH zusammengeschlossen und das Projekt „LightHinge+“ aus der Taufe gehoben. LightHinge+ ist ein im Laserstrahlschmelz-Verfahren additiv hergestelltes Motorhaubenscharnier, das Leichtbau und erhöhte Sicherheit in einer Konstruktion vereint. Die Ergebnisse des Projektes stellen die Partner auf dem IAA-Messestand der EDAG in Frankfurt vor.

„Motorhauben-Scharniersysteme sind aufgrund der hohen Anforderungen an Sicherheit und Funktionalität sehr komplex,“ sagt Dr. Martin Hillebrecht, Leiter Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien bei der EDAG Engineering GmbH. „Somit bleibt der Leichtbau bislang auf der Strecke. Deshalb haben wir uns gemeinsam mit voestalpine und Simufact das Ziel gesetzt, das Scharnier durch die generative Fertigung ganz neu zu überdenken.“

Topologie-Optimierung der Bauteilstruktur

Die EDAG-Ingenieure haben das Scharniersystem neu konstruiert. Im zweiten Schritt folgte die Topologie-Optimierung der komplexen Bauteilstruktur, um den gewünschten Gewichtsvorteil zu erreichen. Unter Anwendung bionischer Prinzipien gelang es den EDAG-Ingenieuren, den minimalen Materialbedarf zu ermitteln und einen Gewichtsvorteil von 50 Prozent gegenüber der Referenz zu erzielen. Die anschließende Optimierung der Stützstrukturen wurde in enger Zusammenarbeit mit dem voestalpine Additive Manufacturing Center durchgeführt.

„Die Topologieoptimierung berechnet anhand der tatsächlichen Belastungen den minimalen Materialbedarf des Scharniers,“ erklärt Dr. Eric Klemp, Geschäftsführer des voestalpine Additive Manufacturing Center in Düsseldorf. „Die daraus resultierenden Geometrien der Bauteile erfordern einen hohen Anteil an Stütz-strukturen, die wir im Projekt dann auf ein Minimum reduzieren konnten“, so Klemp.

Ein wichtiger Zwischenschritt in der Konstruktion und Fertigung additiver Bauteile ist die Simulation des eigentlichen Druckprozesses im 3D-Drucker. Hier kam Simufact mit seiner speziell für die additive Fertigung erstellten Softwarelösung „Simufact Additive“ zum Zuge. „Im additiven Fertigungsprozess entstehen durch den konzentrierten Wärmeeintrag mit hohen Aufheiz- und Abkühlraten Verzug und Eigenspannungen im Bauteil,“ weiß Dr. Patrick Mehmert, Product Manager Additive Manufacturing bei Simufact. „Ein nicht verzugskompensiertes Scharnier kann so Abweichungen von ein bis zwei Millimetern vom CAD-Modell aufweisen.“

Simulation von Druckvorgang und nachfolgenden Prozessen

Mit Simufact Additive können der eigentliche Druckvorgang und die nachfolgenden Prozessschritte simuliert und damit Verzüge und Eigenspannungen vorhergesagt werden. „Auf Basis des simulierten Verzugs haben wir die Bauteil-Geometrie negativ vorverformt, um so die Formabweichungen der gedruckten Scharnierteile zur Sollgeometrie zu minimieren,“ beschreibt Mehmert das Vorgehen im Projekt.

Dass dieses Verfahren auch die gewünschten Ergebnisse erzielt, zeigte ein dem Druck der Teile nachgelagerter Abgleich der verzugskompensierten Bauteile: Eine dreidimensionale optische Vermessung durch die Firma AICON 3D Systems (www.aicon3d.de) konnte die Maßhaltigkeit der Bauteile nachweisen.

Die Simulation des Bauprozesses hat wesentlich zur verbesserten Auslegung, Absicherung und Verzugs-Optimierung des additiv gefertigten LightHinge+ Scharniers beigetragen. Teure und zeitintensive Fertigungsversuche konnten verhindert werden.

Ressourcen schonende Fertigung mit wenig Nacharbeit

Am Ende wurde im voestalpine Additive Manufacturing Center eine wirtschaftliche, Ressourcen schonende Fertigung mit geringer Nacharbeit erzielt. Das Scharnier ist somit nach dem Laserschmelzprozess bereits so gut wie einsatzbereit.

Martin Hillebrecht fasst zusammen: „Das LightHinge+ Haubenscharnier nutzt durch ein effizientes software-unterstütztes Engineering die Potenziale des Additive Manufacturing voll aus. Es werden eine ultimative Gewichtsreduktion und Integration einer Fußgängerschutz-Funktion, in verzugs- und eigenspannungs-optimierter werkzeugloser Herstellung mit geringer Nacharbeit für kleine Serien erzielt.“

Weitere Informationen zum LightHinge+ Projekt auf der IAA am EDAG-Stand in Halle 5.1, Stand B04.

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