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Der Konstrukteur 11-12/2022

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Der Konstrukteur 11-12/2022

SPECIAL 3D-DRUCK DER WEG

SPECIAL 3D-DRUCK DER WEG ZUM FERTIGEN VERBUNDWERKSTOFF Die Entwicklung von Verbundwerkstoffen im Leichtbau kann sehr zeit- und kostenintensiv sein. Konstrukteure und Entwickler setzen daher immer häufiger auf den 3D-Druck. Auch das Unternehmen Igestek nutzt den 3D-Drucker, um schnell und unkompliziert verschiedene Verarbeitungstechniken zur Herstellung von Verbundwerkstoffen zu kombinieren. SPECIAL Verbundwerkstoffe sind ein wichtiger Bestandteil von Leichtbaulösungen in der Automobilindustrie. Durch die Kombination verschiedener Werkstoffteile lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften der einzelnen Komponenten addieren, während die negativen Werkstoffeigenschaften der Materialien sich idealerweise wieder ausgleichen. Das ermöglicht Automobilzulieferern und Erstausrüstern (Original Equipment Manufacturer, OEMs) sowie dem Maschinenbau die Herstellung von einzelnen Teilen für hochwertige Fahrzeuge, die immer leichter und gleichzeitig effizienter werden. Doch die Entwicklung solcher Verbundwerkstoffe erfordert teilweise sehr komplexe Geometrien, außerdem werden oft spezielle Werkzeuge zur Herstellung und Integration einzelner Teile benötigt. Das ist mit den traditionellen, zerspanenden Verfahren nicht nur sehr aufwendig, sondern kostet auch viel Zeit und Geld, insbesondere wenn es sich um Einzelstücke oder Prototypen in kleinen Stückzahlen handelt. Das Unternehmen Igestek mit Sitz in Bilbao, Spanien entwickelt und integriert verschiedene hybride Verarbeitungstechniken zur Herstellung von Verbundwerkstoffen und kennt diese Herausforderungen sehr gut. Daher setzt das Team auf den 3D-Druck. Stefan Holländer, Managing Director EMEA bei Formlabs, Berlin 3D-DRUCK IM ENTWICKLUNGSPROZESS VON VERBUNDWERKSTOFFEN Von der konzeptionellen Entwurfsphase über das Prototyping bis hin zum fertigen Verbundwerkstoff – Igestek setzt den 3D- Drucker im gesamten Produktentwicklungsprozess sehr vielfältig ein. So nutzt das Team den 3D-Drucker nicht nur zur Entwicklung von Prototypen, sondern auch zur Herstellung einzelner Formeinsätze für Spritzgussteile aus Kunststoffen und speziellen Werkzeugen mittels Rapid Tooling. Dazu zählen etwa Einsätze für Kunststoffspritzgussformen oder Thermoformwerkzeuge, die für die Integration und Herstellung von Verbundwerkstoffen benötigt werden. Mithilfe des 3D-Drucks konnte das Team von Igestek bereits viele Projekte mit komplexen Geometrien schnell und einfach realisieren und die Montage- und Kinematik-Prozesse mit funktionalen Prototypen validieren, ohne in teure Werkzeuge zu investieren. VOM ENTWURF ZUM PRODUKT Zu einem der jüngsten Projekte von Igestek gehört die Befestigung eines Stoßdämpfers als Teil der Radaufhängung. Diese Komponenten sind Teil der Aufhängung eines Fahrzeugs und sollen, die durch das Rollen eines Autos erzeugten Vibrationen reduzieren, um den Komfort für die Fahrenden zu verbessern. 68 DER KONSTRUKTEUR 2022/11-12 www.derkonstrukteur.de

SPECIAL 3D-DRUCK Die Aufhängung für eine Stoßdämpferhaltung, bestehend aus metallischen 3D-Drucken in Kombination mit leichten Verbundwerkstoffen, ist 40 Prozent leichter als aktuelle Lösungen auf dem Markt DER 3D-DRUCK LIEFERT SCHNELLE ANTWORTEN AUF FORSCHUNGSFRAGEN Die Aufhängung wurde zunächst in einer CAD-Software entwickelt, die basierend auf einer Menge an Anforderungen verschiedene Lösungen zur Verfügung stellte. Die STL oder OBJ-Datei wurde dann in eine Software zur Druckvorbereitung importiert, damit der 3D-Drucker die Informationen verarbeiten kann. Im nächsten Schritt druckte das Team von Igestek die vielversprechendsten Entwürfe direkt vor Ort auf ihrem großformatigen Stereolithographie-3D-Drucker, um die Geometrie zu validieren. Dank des großen Konstruktionsvolumens druckte das Team dabei bis zu drei verschiedene Iterationen gleichzeitig. Das Druckmaterial bilden verschiedene Kunstharze. Beim Druck fließt das flüssige Kunstharz in einen Tank und wird dort anschließend mit UV-Strahlen gehärtet. Zu Beginn des Drucks fährt eine Druckplattform herunter, bis sie mit dem Kunstharz abschließt. Anschließend härtet der Laser Schicht für Schicht das Produkt. In diesem Prozess taucht die unterste Schicht immer wieder in das flüssige Kunstharz ein, sodass ein nahtloser Druck möglich ist. Das Endergebnis: Eine Aufhängung für die Stoßdämpferhaltung, bestehend aus metallischen 3D-Drucken in Kombination mit leichteren Verbundwerkstoffen. Sie ist damit 40 Prozent leichter als aktuelle Lösungen auf dem Markt. „Ohne 3D-Druck müssten wir alles aus Metall herstellen, was eindeutig länger dauern würde und teurer wäre. 3D-Druck liefert uns schnelle Antworten auf unsere Forschungsfragen. Falls irgendetwas nicht funktioniert, dann drucken wir einfach einen anderen Prototypen und verbessern das Produkt“, erklärt Nerea Romero, Innovation Manager bei Igestek. TIEFZIEHWERKZEUGE AUS DEM 3D-DRUCKER Bei Igestek wird der 3D-Drucker auch zur Herstellung von Werkzeugen für die Produktion von Verbundwerkstoffteilen, wie zum Beispiel beim Tiefziehen von Prepreg-Teilen aus Kohlenstofffasern, eingesetzt. „Die stabilen Kunstharze sind äußerst hilfreich im Maschinenbau. Wir arbeiten bei unseren Verbundwerkstoffen für gewöhnlich mit druckbasierten Thermoformtechnologien. Damit es der Presse auch standhält, muss das Werkzeug starr und hitzebeständig sein, denn zur Formung des Verbundwerkstoffteils wird Druck eingesetzt gemeinsam mit hohen Temperaturen von 180 bis 200 °C“, berichtet Nerea Romero. FORMEINSÄTZE SCHNELL UND EINFACH ADDITIV FERTIGEN Früher musste das Igestek-Team Formeinsätze für Spritzgussteile aus Aluminium und Stahl anfertigen – einfache Teile wurden zwar inhouse gefertigt, aber komplexere Formen mussten extern hergestellt werden. Das führte oft zu hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten. Heute kann das Team dank 3D-Drucker die Formeinsätze schnell und einfach additiv fertigen. Bei einem Spritzgussformeinsatz für die Herstellung einer Komponente für die Außenverkleidung eines Autos konnte das Team mithilfe des 3D-Druckers die Kosten und die Vorlaufzeit auf weniger als ein Drittel der ursprünglichen Kosten reduzieren. Für ein Spritzgussformeinsatz aus zerspantem Metall zahlte das Team 1.000 € bei einer Durchlaufzeit von 30 Stunden. Mittlerweile sind es für ein 3D-gedruckten Spritzgussformeinsatz nur noch 300 € bei einer Durchlaufzeit von zehn Stunden. Das Team von Igestek will die Grenzen des 3D-Drucks für zukünftige Projekte erweitern. Zu den nächsten Projekten gehören die Entwicklung von Tiefziehwerkzeugen in großem Maßstab und das Experimentieren mit anderen Materialien, die neuen Möglichkeiten für den Werkzeugbau bieten. Bilder: Aufmacher Siberian Art – stock.adobe.com; Bild rechts oben Igestek www.formlabs.com/de