Freiheit für die Gussform

CAD CAM

CAM – Eine Kombination aus Topologie-Optimierung, Gusssimulation, Lebensdauer-Analyse und Modellbau per 3D-Druck eröffnet neue Konstruktions- und Herstellungsmöglichkeiten im Metallguss.

18. August 2015

Eines der vielseitigsten Verfahren zur serienmäßigen Herstellung von Bauteilen aller Art ist die Metallgießtechnik die eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung bietet. Allerdings verursacht der Prozess verhältnismäßig hohe Kosten für den Modell- oder Formenbau. Der US-amerikanische Simulationssoftwarespezialist Altair mit Deutschlandsitz in Böblingen hat deshalb gemeinsam mit Partnerunternehmen einen innovativen Konstruktions- und Herstellungsprozess vorgestellt, mit dem sich die Freiheiten des Gießens bei der Bauteilgestaltung voll ausschöpfen lassen.

Auf der Hannover Messe präsentierte das Unternehmen dazu den kompletten Entwicklungs- und Fertigungsprozess einer Aluminiumguss-Komponente am Beispiel eines Radträgers in einem Gemeinschaftsprojekt mit den Softwareherstellern nCode (einem Spezialisten für Belastungs- und Lebensdaueranalyse), Click2Cast (einem Hersteller von Gussprozesssimulationssoftware) sowie dem deutschen 3D-Drucksysteme-Hersteller Voxeljet. Ziel war es, eine neue Form des Radträgers zu entwickeln, die bei gleichem Gewicht deutlich verwindungssteifer sein sollte als das Original, dessen Design vor allem durch die Bedürfnisse der Produktion getrieben war.

Im Zentrum des Prozesses steht die Herstellung eines Gießmodells mittels 3D-Druck, die den Formenbau deutlich beschleunigt und zugleich eine enorme Freiheit des Designs bietet. Um dabei die Möglichkeiten des 3D-Druckes wirklich nutzen zu können, wurde das Design des Bauteils zudem mit modernsten Simulationstools erstellt, die zugleich auch Herstellbarkeit und Lebensdauer berücksichtigen.

Ausgangspunkt war eine Optimierung der Topologie des vorhandenen Bauteils mit Hilfe des Design- und Optimierungswerkzeugs Inspire von Altair, das auch die Herstellbarkeit des Bauteils berücksichtigt. Nachdem der benötigte Bauraum feststand, wurde das berechnete Modell um die wichtigsten Lastfälle erweitert, wie starkes Bremsen, extreme Kurvenfahrten und Hindernisüberfahrten. Da Ermüdungsversagen jedoch nicht nur durch eine Maximallast verursacht wird, folgte eine Modellierung der kompletten Lasthistorie des Bauteils mit Hilfe der Lebensdaueranalyse-Software nCode DesignLife auf Basis einer Finite-Elemente-Analyse und einer umfangreichen Materialdatenbank. Dabei wurde ein Lastzyklus von 35 Stunden simuliert, in dem fünf verschiedene Straßenzustände berücksichtig wurden. Jeweils am Anfang und am Ende des Designprozesses standen außerdem Analysen des nötigen Gießprozesses mit Hilfe der Gusssimulationssoftware Click2Cast. Dies ermöglichte die Entwicklung der effizientesten Produktionsmethode und half zugleich, den Energie- und Materialverbrauch zu reduzieren und den Gesamtprozess zu verkürzen.

Gießform aus dem Drucker

Die resultierenden CAD-Daten dienten dann als Basis zum Bau der Modelle für die Fertigung der Gussformen mit Hilfe des 3D-Druckverfahrens bei Voxeljet. Der eingesetzte organische Werkstoff Polymethylmethacrylat (PMMA) besitzt ideale Ausbrenneigenschaften und dehnt sich zudem bei Erwärmung nicht aus. Aufgrund der werkzeuglosen Herstellung sind diese Modelle zugleich sehr kostengünstig.

Am Ende konnten durch die optimierte Formgebung sowie durch die hohe Gestaltungsfreiheit beim Modell- und Formenbau per 3D-Druck deutlich verbesserte Leistungsmerkmale erzielt werden. So ist das neue Aluminiumguss-Bauteil je nach Lastsituation um den Faktor drei bis fünf steifer im Vergleich zum alten Design, ohne dass zusätzliches Material eingesetzt werden musste. bt

Erschienen in Ausgabe: 06/2015