Innovative Ansätze zur Produktentwicklung mit Hilfe der Additiven Fertigung standen im Mittelpunkt des 7. Praxisforums 3D-Druck der Hochschule Landshut, das am 20. Oktober 2020 erstmals online durchgeführt wurde. Rund 70 Teilnehmer/innen nutzten die Gelegenheit, sich über die verschiedenen Themen wie der „Nutzung der Scan-Technik zur komplexen Geometrieerzeugung für Hybridstrukturen“, „Additive Fertigung mit CFK-Endlosfilamenten für hochbelastete Bauteile“ und „3D-Druck von nachgiebigen Strukturen für individualisierte Fahrzeuginterieurteile aus TPU“ zu informieren. Der Einsatz der Additiven Fertigung in innovativen Anwendungsfeldern bietet Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Produkte, welche auch in Kombination mit konventionellen Herstellungsverfahren möglich sind, wie der Initiator der Veranstaltungsreihe, Prof. Dr. Norbert Babel (Hochschule Landshut) in seiner Begrüßung der Teilnehmer erklärte, die von Aachen bis Wien zugeschaltet waren. Alle drei oben genannten Themen waren im Rahmen von Abschlussarbeiten an der Hochschule Landshut entwickelt und bearbeitet worden.
Mit 3D-Scantechnik zum hybriden Bauteil
Den Auftakt der Veranstaltung bildete ein Vortrag von Dr. Christof Ferling (Second First Maschinenhandel GmbH in Gräfelfing), der sich mit der „Nutzung von moderner 3D-Scan-Technik zur Geometrieerzeugung komplexer, additiv gefertigter Hybridteile“ befasste. Wie Herr Dr. Ferling berichtete, überholt und repariert das Unternehmen Maschinen, die oft schon 20 Jahre gelaufen sind, und bei denen neue Funktionalitäten ergänzt und Teile ersetzt werden müssten, die auf dem Markt oft nicht mehr zu beschaffen sind. Die Spanne der Abmessungen der benötigten Teile sei sehr groß und reiche von mehreren Metern großen bis in den cm-Bereich, sowie von einfachen Strukturen bis zu komplexen Freiformgeometrien.
Im letzten Praxisforum 3D-Druck sei die Idee entstanden, auf bestehende Strukturen 3D-Druck aufzubringen. Mit konventionellen Methoden, wie dem Gießen und der spanenden Fertigung, sollen einfache Geometrien wie Zylinder, Kegel oder Quader hergestellt, während kompliziertere Freiform-Geometrien wie Wendeln oder Schaufeln im Anschluss daran mit den Methoden der Additiven Methoden ergänzend ausgeführt werden.
Eine Bachelor-Abschlussarbeit unter Betreuung von Prof. Dr. Babel untersuchte dieses Thema am Beispiel eines Pulperrotors der in der Papier- und Kartonagenproduktion im Bereich der Zellstoffaufbereitung eingesetzt wird. Dieser setzt sich aus einem kegelförmigen Grundkörper und drei Wendeln am Umfang, die jeweils aus 18 einzeln zusammengeschweißten Blechteilen bestehen. Davon wurden nun 3D-Scans angefertigt, diese in Grundkörper und Wendel-Abschnitt zerlegt, und mit entsprechender Software in ein CAD-Volumenmodell übergeführt. Gerade beim Übergang vom Scan zur Geometrieerzeugung sei man, so Herr Dr. Ferling, einen großen Schritt weitergekommen.
Ziel war es, die Wendeln auf den kegelförmigen Grundkörper, der durch Gießen erzeugt wurde, mittels Additiver Fertigung aufzudrucken. Dabei lautete eine wichtige Frage, ob es eine Maschine gibt die im Stande ist, mittels 3D-Metalldruck über eine ausreichende Anzahl von Freiheitsgraden verfügt, um die komplizierte Struktur der Wendeln, bei einer Bauteilgröße von 2 x 3 m in der erforderlichen Qualität zu generieren. Dies wurde zusammen mit dem Druckerhersteller Lenovo über eine Simulation geprüft und für möglich befunden. Die 3D-Druck-Maschinen hätten sich enorm weiterentwickelt, auch die druckbare Bauteilgröße habe stark zugenommen, Abmessungen von zwei Metern und mehr können mittlerweile im Laser Metal Deposition (LMD) -Verfahren gedruckt werden. Allerdings seien die Stundensätze für die Additive Fertigung, insbesondere bei diesen Bauteilabmessungen, immer noch sehr hoch. Doch gerade bei Hybridteilen in kleiner Serie und mit vielen Variationen sieht Herr Dr. Ferling für diese Technologie deutliches Potenzial.
3D-Druck mit Endlosfilamenten aus CFK
Die Erstellung und Validierung eines Simulationsmodells zur Auslegung von 3D-gedruckten faserverstärkten Bauteilen mit Endlosfilamenten aus CFK stellte Benedikt Krauser vor, Absolvent des Studiengangs Automobil und Nutzfahrzeugtechnik der Hochschule Landshut. Dies war Thema seiner Abschlussarbeit, in der er sich am Beispiel eines, ursprünglich aus Aluminium gefertigten Sturzlenkers einer BMW-Hinterradachse, mit dem Produktentstehungsprozess, der Simulation, der Herstellung von Materialproben und der mechanischen Prüfung sowie der Validierung der Simulationsergebnisse befasst hatte.
Unter Berücksichtigung des Bauraumes und den auftretenden Belastungen wurde, auf Basis von Materialkennwerten des Herstellers, eine FEM-Berechnung mit anschließender Topologieoptimierung durchgeführt woraus drei Bauteilvarianten resultierten. Diese wurden skaliert mit einem Composite Endlos-Kohlefaser-Filament durch Co-Extrusion (CFC) auf einem speziellen 3D-Drucker hergestellt. Dieser verfügt über zwei Druckdüsen, eine für das Kunststoff-Filament und eine für die CFK-Endlosfaser, die in den Kunststoff eingebettet wird. Erst wurden Material-Proben mit parallel- und mit 90° zueinander liegenden Fasern hergestellt und im Zugversuch geprüft. Schließlich wurden die Realbauteilvarianten gedruckt, nachdem die Geometrie per Software für die „Endlos-Bahnen“ umgerechnet worden war. Das Ziel lautete, das Bauteil mit der CFK-Faser ohne Unterbrechung aufzubauen. Herkömmliche, auf dem Markt befindliche Systeme schneiden nach jeder Lage, oder schon innerhalb der Schicht die Fasern ab, wodurch eine nur begrenzte Festigkeit erzielt werden kann.
Die drei gedruckten Varianten wurden ebenfalls im Versuch getestet. Alle drei zeigten ähnliche Ergebnisse, die topologieoptimierte Variante jedoch etwas Bessere. Insgesamt stellte sich aber heraus, dass die FEM-Simulation noch einmal zu überarbeiten sei. Der Drucktest entsprach den Erwartungen, war aber für die Druck-Beanspruchungen nicht optimal geeignet. Insgesamt konnte aber die generelle Funktionalität der Prozesskette aufgezeigt werden, die Bauteilgeometrie sollten in einer weiteren Iterationsschleife nochmals verbessert werden.
Additiv gefertigte Multifunktionale Armauflage entwickelt
Mit additiv gedruckten nachgiebigen Strukturen im Fahrzeuginnenbereich befasste sich die Bachelorarbeit, die Benedikt Markgraf im Studiengang Automobil- und Nutzfahrzeugtechnik, betreut von Prof. Dr. Raimund Kreis an der Hochschule Landshut anfertigte. Ob Lenkrad, Sitz, Mittelkonsole oder Schaltknauf, sie sollen für Komfort sorgen, ergonomisch sein, eine hohe Wertanmutung erzeugen und (gefühlte) Sicherheit vermitteln. Der konventionelle Aufbau besteht aus einem, in der Regel aus Kunststoff gefertigten stabilen Trägerbauteil mit einer Schaum- und einer Dekorschicht z.B. aus Stoff oder Leder. Diese etablierte Technik, hat aber auch Nachteile: Die Schaumschicht ist wärmisolierend, ebenso ist es schwierig die Heizelemente, sowie Leitungen für Lichtleiterelemente oder eine Luftzirkulation zu integrieren.
Hier bieten gedruckte Strukturen enorme Vorteile, wie die Referenten ausführten. So können beispielsweise mit Hilfe der additiven Verfahren partiell unterschiedliche Wabenstrukturen für unterschiedliche Nachgiebigkeiten sowie zusätzliche Funktionen wie z.B. Heizkanäle oder Beleuchtungseffekte in einem Bauteil ermöglicht werden. In seiner Abschlussarbeit hatte sich Markgraf mit der Armauflage für einen PKW befasst. Er entwickelte dafür ein Gittermodell im Inneren, in dem beheizte Luft zirkulieren kann. Zusätzlich wird sie bei Druckbelastung passiv belüftet und auch eine Beleuchtung wurde integriert. Zudem muss die Haptik der Auflage beim Kunden eine hohe Akzeptanz erzeugen.
Dazu konstruierte er Zellstrukturen, simulierte Verformungen und Spannungen und beurteilte schließlich die Haptik die gedruckten Muster. Mit einer großen Anzahl von möglichen Wabenstrukturen führte er viele Versuche durch, um Erfahrungen zu sammeln, wie sich die Strukturen und das verwendete Material PPU 89a in verschiedenen Varianten verhält.
Eine besondere Schwierigkeit lag darin, das Bauteil komplett ohne Stützstrukturen zu produzieren. Markgraf zeigte das von ihm per FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) gefertigte Produkt und die durch den 3D-Druck entstandenen zusätzlichen Möglichkeiten einer Funktionsintegration. Zusätzlich ermöglicht die Additive Fertigung verschiedene - auch auf Kundenwunsch individualisierte - Varianten zu fertigen.
Jeweils direkt im Anschluss an die Vorträge diskutierten die online zugeschalteten Teilnehmer die Themen und stellten den Referierenden einige Fachfragen. Darüber hinaus nutzten sie, im Anschluss an die Veranstaltung, die Möglichkeit zu einem Besuch des virtuellen Labors für die Additive Fertigung, das erst seit kurzem an der Hochschule Landshut zur Verfügung steht. Aktuelle Informationen zum Praxisforum 3D-Druck unter www.haw-landshut.de/3d-druck.
(pp)
