Partnerprojekt LightHinge+:
Additiv gefertigtes Leichtbau-Haubenscharnier mit integriertem Fußgängerschutz

 

EDAG, voestalpine und Simufact stellen in ihrem gemeinsamen Innovationsprojekt die Potenziale des 3D-Drucks für die automobile Fertigung vor.

Materialica Design + Technology Gold Award 2017

Logo Materialica Award 2017

„Wir freuen uns sehr über diese Auszeichnung, denn sie gibt uns weiteren Rückenwind für unsere Softwarelösung Simufact Additive“, sagt Dr. Patrick Mehmert.

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Das Projekt

Projektziel

Das Projekt soll den praktischen Einsatz und das Potenzial von additiven Fertigungstechnologien in der Automobilproduktion aufzeigen.

Am Beispiel eines herkömmlichen Funktionsbauteils (hier: Motorhaubenscharnier) galt es die erweiterten Möglichkeiten der additiven Fertigung (Stichwort bionisches Design) zu nutzen, um das Bauteil ganz neu zu überdenken, neu zu konstruieren und anschließend additiv herzustellen.

Projektpartner


Die Vermessung der additiv gefertigten Teile übernahm AICON 3D Systems GmbH aus Braunschweig. AICON gehört zu Hexagon Manufacturing Intelligence.

Projektbeschreibung

Die EDAG-Ingenieure haben das Scharniersystem auf Basis der Ergebnisse einer Topologieoptimierung neu konstruiert, um den gewünschten Gewichtsvorteil bei gleichbleibender Steifigkeit und Festigkeit zu erreichen. So gelang es, den minimalen Materialbedarf zu ermitteln und einen Gewichtsvorteil von 50 % gegenüber der Referenz zu erzielen.

Die anschließende Optimierung der für die Fertigung nötigen Stützstrukturen sowie das finale Drucken von Ober- und Unterteil des Scharniers wurden durch das voestalpine Additive Manufacturing Center in Düsseldorf durchgeführt.

 

Simufact Erfolgsgeschichte - Fallstudie

Simufact Case Study - Simufact Engineering LightHinge+ Projekt

Herausforderung

  • Rekonstruktion eines konventionellen Motorhaubenscharniers, das additiv gefertigt wird und dabei folgende Anforderungen erfüllt: 
    • Reduzierung des Gewichts
    • Verwendung weniger Bauteile
    • Fertigung in wenigen Monatageschritten 
    • Integration eines Fußgängerschutzes

Lösung

  • Um die Anzahl der Versuche zu reduzieren, setzen die Projektpartner Simufact Additive ein, die Verzüge in den Bauteilen simuliert. Mittels Verzugskompensation können die Bauteile in kürzerer Zeit gefertigt werden bei gleichzeitiger Einhaltung der Qualitätsziele.

(Artikel in Englisch)

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Simulation und Verzugskompensation

Simulation und Optimierung des Bauprozesses

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.

Mit Simufact Additive können der eigentliche Druckvorgang und die nachfolgenden Prozessschritte wie zum Beispiel das Entfernen der Stützstrukturen simuliert und damit Verzüge und Eigenspannungen vorhergesagt werden.

 

Benefits durch Simulation

  • Signifikante Reduktion des initialen Verzugs um ca. 50%-80% durch Simulation.
  • Maximaler Verzug wurde von ca. 1,5 mm auf ca. 0,75 mm halbiert.
  • Weiter verbesserte Ergebnisse durch mehrere Simulationsläufe möglich.
  • Keine Testbauteil-Fertigung nötig.
  • Keine aufwändige Kompensation durch Vermessung von Testbauteilen nötig.
    • Bauteil kann bereits beim ersten Baujob innerhalb der Toleranzen liegen.
    • Fertigungszeit und Kosten werden drastisch reduziert.

 

 

Verzugskompensation

Durch den konzentrierten Wärmeeintrag mit hohen Aufheiz- und Abkühlraten entstehen im additiven Fertigungsprozess Verzüge und Eigenspannungen im Bauteil.

Auf Basis des simulierten Verzugs hat Simufact die Bauteil-Geometrie negativ vorverformt, um so die Formabweichungen der gedruckten Scharnierteile zur Sollgeometrie zu minimieren. Das nicht verzugskompensierte Scharnier hat Abweichungen von ein bis zwei Millimetern zur Sollgeometrie aufgewiesen. Bereits durch den ersten Simulationslauf konnte der Maximalverzug halbiert werden.

 

Prozessschritte der Simulation
Korrigieren in „Arbeitsschritte im LightHinge+ Projekt“

3-dimensionale Vermessung

Zum Nachweis, dass das Kompensationsverfahren auch die gewünschten Ergebnisse erzielt, wurden zum Vergleich die nicht verzugskompensierten sowie die auf Basis der Simulationsergebnisse verzugskompensierten Bauteile gedruckt.

Eine dreidimensionale optische Vermessung durch AICON 3D Systems konnte die Maßhaltigkeit der verzugskompensierten Bauteile nachweisen.

 

 

Die optischen Vergleichsmessungen des nicht verzugsoptimierten Originals und des verzugsoptimierten Bauteils - hier am Beispiel des Scharnierunterteils - zeigen die Verbesserungen deutlich auf: Die Verzugskompensation ist eine wirksame Vorgehensweise, um mit Hilfe der Simulation schon gleich beim ersten Druck maßhaltige 3D-Teile zu fertigen.

Über weitere Iterationsschritte in der Simulation können die Abweichungen zur Sollgeometrie weiter minimiert werden. Teure und zeitintensive Fertigungsversuche können vermieden werden.

 

Resümees der Partner

EDAG Engineering GmbH

„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.“

Dr. Martin Hillebrecht, Leiter Competence Center Leichtbau, EDAG Engineering GmbH

voestalpine Additive Manufacturing Center

"Die aus der Topologieoptimierung resultierenden Geometrien der Bauteile erfordern einen hohen Anteil an Stützstrukturen. Im Projekt konnten wir diese auf ein Minimum reduzieren."

Dr. Eric Klemp, Geschäftsführer voestalpine Additive Manufacturing Center

Präsentation auf der IAA 2017

Die Projektpartner von links nach rechts: Sebastian Flügel EDAG, Eric Klemp voestalpine Additive Manufacturing Center,  Michael Wohlmuth simufact, Volker Mensing simuact und Martin Hillebrecht EDAG
Die Projektpartner von links nach rechts: Sebastian Flügel EDAG, Eric Klemp voestalpine Additive Manufacturing Center, Michael Wohlmuth simufact, Volker Mensing simuact und Martin Hillebrecht EDAG

LightHinge+ Projekt – Anhand einer Minitaurmotorhaube zeigen die Projektpartner die Funktionalität des additiv gefertigten Motorhaubenscharniers

Zur Pressemitteilung

simufact engineering gmbh

„Die Simulation des Bauprozesses hat wesentlich zur verbesserten Auslegung, Absicherung und Verzugsoptimierung des additiv gefertigten LightHinge+ Scharniers beigetragen. Teure und zeitintensive Fertigungsversuche konnten wir auf diese Weise vermeiden.“

Dr. Patrick Mehmert, Produktmanager Additive Manufacturing, simufact engineering gmbh

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