Das Fraunhofer-Institut für Additive Fertigungstechnologie (IAPT) hat gezeigt, wie der 3D-Druck die technische Leistungsfähigkeit und die Herstellungskosten verbessern kann, indem er die Türscharniere von Luxussportwagen neu gestaltet.
Während des Projekts zur Neugestaltung des Teils optimierten die IAPT-Ingenieure alles von der Geometrie der Türscharniere bis hin zur Bauausrichtung und den Prozessparametern, um Kosten- und Gewichtseinsparungen zu maximieren.
Letztendlich zielt diese Arbeit darauf ab, die weniger offensichtlichen Faktoren zu beleuchten, die die Kosten von 3D-gedruckten Teilen beeinflussen, nicht nur die Geometrie der Komponenten selbst.
Vereinfachen Sie die Automobilproduktion
Die Automobilindustrie ist eine von vielen Branchen, die sich im Laufe der Jahre der additiven Fertigung verschrieben haben und die Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen. Bisher beschränken sich viele Anwendungsfälle jedoch auf kleine Losgrößen, da der 3D-Druck noch nicht den Durchsatz herkömmlicher Automobilproduktionstechnologien liefert – ohne gleichzeitig die Kosten für jedes Teil niedrig zu halten. Damit kann das Fraunhofer-Projekt zeigen, dass die Technologie als Ganzes im Automobilbereich derzeit nicht ausgelastet ist und Großserienanwendungen noch in den Kinderschuhen stecken.
Der erste etablierte Anwendungsfall ist das Rapid Prototyping, da die Entwicklungsphase eines neuen Modells bis zu fünf Jahre dauern kann. Während der Forschung und Entwicklung werden unweigerlich mehrere Prototypen von Teilen entwickelt und getestet, was schnelle Design-Iterationen mit minimalen Durchlaufzeiten bedeutet: Dies ist eines der Hauptverkaufsargumente der additiven Fertigung.
Autohersteller verwenden auch 3D-gedruckte Fertigungswerkzeuge wie Vorrichtungen und Vorrichtungen, um die Produktions- und Montageabläufe zu unterstützen. Es gibt sogar potenzielle Anwendungen in Aftermarket-Teilen, die einst gegossen wurden, aber jetzt veraltet sind. Die dynamische und flexible Natur des 3D-Drucks ermöglicht es Teilelieferanten, bei Bedarf zu drucken, wodurch die Notwendigkeit einer physischen Komponenteninventur vollständig entfällt.
3D-gedruckte Türscharniere
Vor Beginn der Konstruktionsarbeiten verwendeten die Fraunhofer-Ingenieure eine von 3D Spark, einem Spin-off des IAPT, entwickelte Teilescreening-Software, um Autoteile zu identifizieren, die für Demonstrationsstudien geeignet sind.
In den frühen Phasen des Projekts identifizierte das Team zunächst die kostengünstigste Ausrichtung für die Komponenten im Bauraum. Die Ingenieure berücksichtigten die notwendigen Stützstrukturen und wie viele Teile sie in einen einzigen Build einfügen konnten. Dieser erste Schritt der Orientierungsoptimierung führte zu Kosteneinsparungen von 15% im Vergleich zu einem 3D-gedruckten Build ohne solche Überlegungen.
Als nächstes folgt die Topologieoptimierung des Scharnierarms selbst. Durch das Entfernen unnötigen Materials und die Verstärkung nur der Teile des Teils, die zur Simulation des Kraftflusses benötigt werden, konnten die Ingenieure das Gewicht des Scharnierarms um 35 Prozent reduzieren. Nachträgliche Materialeinsparungen und kürzere Druckzeiten führten zu weiteren 20% Kosteneinsparungen.
Das Fraunhofer-Team berechnete auch zusätzliche Kosteneinsparungen im Zusammenhang mit der Reduzierung der Nachbearbeitung (durch Reduzierung von Stützstrukturen) und der Auswahl des besten Metallpulvermaterials für die Aufgabe: jeweils 10%.
Interessanterweise ergab die Studie, dass selbst die im 3D-Druckprozess verwendeten Bauparameter zu potenziellen Kosteneinsparungen beitragen. Zum Beispiel tragen dickere Schichten, schnellere Scangeschwindigkeiten und Verformungen des Laserstrahlprofils dazu bei, die Bauzeiten zu verkürzen und die Druckkosten um weitere 15% zu senken.
Letztendlich ermöglichte dieser kostenorientierte Designansatz den IAPT-Ingenieuren, das Scharnier zu 80% niedrigeren Kosten als sein 3D-gedrucktes Gegenstück ohne die gleiche Optimierung in 3D zu drucken. Im Vergleich zu ihren CNC-gefrästen Gegenstücken erzielte das Projekt Kosten- und Gewichtseinsparungen von 50% bzw. 35%.