Die weitesten Möglichkeiten und wesentlichen Grenzen additiver Technologien am Beispiel eines Zylinderautos eines Sportwagens

Published on August 30, 2017

Die weitesten Möglichkeiten und wesentlichen Grenzen additiver Technologien am Beispiel eines Zylinderautos eines Sportwagens

Originalautor: Terry Wohlers und Ian Campbell
  • Übersetzung

Mit der Produktion von additiven Metallen die Grenzen des Designs erweitern ...


Autoren: Terry Wohlers und Ian Campbell
11. März 2016


Große Gestaltungsfreiheit wird allgemein als wesentlicher Vorteil beim Einsatz von Additiven Technologien (AT) bei der Herstellung von endgültigen Funktionsteilen anerkannt. Die Verringerung des Bedarfs an Ausrüstung und die Möglichkeit, Material freier zu bauen und zu entfernen, führt dazu, dass die hergestellten Teile eine komplexere geometrische Struktur aufweisen können als bei ihrer Herstellung unter Verwendung herkömmlicher technologischer Prozesse, die wiederum sehr technologisch komplex sind. Additive Technologien können auf verschiedene Arten eingesetzt werden, um den Mehrwert von Produkten zu steigern.


Ein zusätzlicher Mehrwert kann erzielt werden, indem die Lebenszykluskosten gesenkt, die Ästhetik des Produkts verbessert, die Benutzerfreundlichkeit verbessert und die Effizienz gesteigert werden *. Ein eindrucksvolles Beispiel für die Effizienzsteigerung durch den Einsatz der Technologie des schichtweisen Legierens von Aluminiumpulver: ein Automobilzylinderkopf, der zusätzlich von der deutschen Firma FIT hergestellt wird (Abb. 1) .Die Zylinderköpfe des Verbrennungsmotors müssen die Reibung minimieren, um die ein- und ausströmenden Gasströme, den Kühlflüssigkeitsstrom und die Schwingungsdämpfung zu optimieren. Und hoch belastete Elemente mit all den oben genannten Eigenschaften müssen eine hohe Festigkeit aufweisen.


FIT wurde beauftragt, eine verbesserte Version des Zylinderkopf-Rennwagens zu entwickeln, die die Anforderungen an die Effizienz erfüllt und weniger Gewicht hat. Der folgende Text zeigt, wie das Entwerfen für ATs die geometrische Freiheit maximiert und die Effizienz der hergestellten Teile erhöht.


  • Im Folgenden bezieht sich Effizienz auf die Effizienz von Strukturen, d.h. die Fähigkeit des Teils, die angegebenen Funktionen mit den angegebenen Parametern auszuführen, mit den kleinsten: Gewicht, Materialverbrauch, Produktionskosten usw.


Abb. 1 - Optimierter Zylinderkopf (Foto von FIT)


Gestaltungsmöglichkeiten


Der Hauptvorteil des "bedruckten" Zylinderkopfes ist die Optimierung der Gasströme. Die Form der Brennkammer-, Einlass- und Auslasspfade kann mithilfe einer Computer-Strömungsmodellierung optimiert werden. Mit dieser Computersimulation können Sie den Durchfluss optimieren, um überschüssige Wärme aus dem Brennraum und dem Abgaspfad abzuführen.


Es ist wichtig anzumerken, dass die Notwendigkeit, bei der Optimierung der entworfenen Produkte Kompromisse einzugehen, bei der additiven Produktion viel geringer ist als beim Gießen, was sanfte Winkel der Teile der Gussformen erfordert. Additive Technologien ermöglichen die Optimierung der Kühlmittelzirkulation, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Gießen ist. Mit Hilfe von AT können der Wassermantel und die Kanäle für das Kühlmittel ein Gittergerüst komplexer Struktur enthalten (Abb. 2). Auf diese Weise können Sie die Oberfläche vergrößern und so den Wärmeübergang vom Motor zum Kühlmittel verbessern. Beim Zylinderkopf erhöhte sich die Oberfläche von 825 cm2 auf 10225 cm2. Abhängig von der spezifischen Gitterstruktur kann es auch zu einer turbulenten Strömung kommen - ein weiterer Aspekt einer verbesserten Kühlung.


Dank der Additivtechnologie konnte FIT auch das Gewicht des Zylinderkopfs optimieren. Ingenieure stellten den Hauptkörper des Kopfes her, indem sie die Dicke des Materials um die Hauptvolumina erhöhten. Zusätzliches Material verleiht dem Teil zusätzliche Festigkeit und ermöglicht eine bessere Vibrationsdämpfung. Die Verteilung des Materials wurde durch Optimierung der Topologie und des Verhältnisses von Stärke und Gewicht des Kopfes bestimmt. Als Ergebnis wurden die erforderlichen Funktionsparameter unter Verwendung der minimalen Materialmenge erhalten. Durch die Optimierung der Topologie konnte das Kopfgewicht von 5 kg auf 1,8 kg reduziert werden.


Während die Zylinderkopfkonstruktion eine beeindruckende technische Leistung darstellt, ist diese Konstruktionskomplexität nicht einfach oder schnell. Ein Großteil des Erfolgs lag in den Softwarefunktionen - Selective Space Structures von netfabb GmBH, mit denen organische Formen und Strukturen des Gitters entwickelt wurden.
Software zur Modellierung des Computerflusses, zur Topologieoptimierung und zur Erstellung von Gitternetzen kann teuer und schwierig zu verwenden sein. Sie erfordern erhebliche Schulungsinvestitionen in Verbindung mit den Kosten für die „Trial and Error-Phase“, die für kleine Unternehmen häufig unerschwinglich sind.



Abb. 2 - Zylinderkopf des Motors mit interner Gitterstruktur (Foto von FIT)


Design-Herausforderungen


ATs bieten einige interessante Gestaltungsmöglichkeiten, schaffen aber auch einzigartige Probleme. Mit Software erstellte mathematisch optimierte Formulare können nicht immer realisiert werden. Zum Beispiel ist es wichtig, die minimal mögliche Wandstärke oder das kleinste Loch zu kennen, das mit AT reproduziert werden kann. Darüber hinaus müssen herausragende Elemente während des Additivierungsprozesses durch zusätzliche Strukturen unterstützt werden; Unterstützungen müssen später entfernt werden, was zu berücksichtigen ist.


Temperaturspannungen stellen auch ein weiteres Problem dar, insbesondere beim schichtweisen Legieren des pulverförmigen Metalls. Hierbei können thermische Spannungen dazu führen, dass sich das Teil verzieht, wenn es von der Gebäudefläche getrennt wird.
Um Verzerrungen zu reduzieren, fügen Konstrukteure häufig zusätzliche Stützstrukturen hinzu, um Teile und deren Elemente auf der Bauoberfläche zu halten. Das Hinzufügen zu vieler solcher Konstruktionen verursacht jedoch zusätzliche Arbeit, um sie zu entfernen. zu wenig Stützen führen zu Verdrehverformungen. Für ein optimales Design ist häufig ein Kompromiss zwischen der Realität und den theoretisch optimalen Formen erforderlich, obwohl der Grad dieses Kompromisses in der Regel viel geringer ist als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren wie Metallguss.


Die Pulverentfernung ist ein weiterer kritischer Punkt. Bei dem oben beschriebenen Zylinderkopf kann das Pulver alle inneren Hohlräume und Öffnungen füllen. Beim Entfernen von Teilen aus der Baukammer muss der Techniker das gesamte überschüssige Pulver entfernen. Daher sollten Konstrukteure Entwässerungslöcher und Austrittspfade in das Projekt einbeziehen, um die Wandung des Pulvers innerhalb des Teils zu verhindern. Dies erfordert eine sorgfältige Gestaltung der Größe und Position der Löcher und Pfade und deren Hinzufügen zum CAD-Modell. Oft müssen diese Löcher nachträglich repariert werden, was Zeit kostet und die Kosten erhöht.


Die meisten Designer und Ingenieure haben noch keine formale Ausbildung und Designpraxis für AT erhalten. Infolgedessen ist die Mehrheit der Unternehmen, die AT für den industriellen Einsatz in Betracht ziehen, erstmals damit konfrontiert. Und obwohl einige Unternehmen spontan Wissensquellen unter einer kleinen Gruppe von „Pionieren“ in ihrem Unternehmen verbreiten, sind diese „Pioniere“ normalerweise eine begrenzte Ressource. Fazit: Der Bedarf an Aus- und Weiterbildung für AT übersteigt das Angebot.


Ausbildung in der Luftfahrtindustrie


Um den Bildungsbedarf in einem Segment der Luft- und Raumfahrtindustrie zu decken, führte Wohlers Associates für das NASA Marshall Space Flight Center zwei offizielle Designklassen für AT durch. Ein viertägiger Kurs konzentrierte sich auf praktische Schulungen mit fortgeschrittenen Designtechniken, einschließlich Härten von Teilen, Topologieoptimierung sowie Gitter- und Netzstrukturen. Die zweite Klasse, drei Tage, konzentrierte sich hauptsächlich auf die Herstellung von Metalladditiven.


Die additive Fertigung bietet viele Möglichkeiten, die Effizienz und das Gewicht der Struktur zu verbessern. Mit speziellen Softwaretools und -methoden können Konstrukteure wesentliche Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Produktionsmethoden erzielen. Da die Designfreiheit bei AT viel größer ist als bei herkömmlichen Prozessen, glauben wir, dass AT bei der Entwicklung völlig neuer Arten von Teilen und Produkten, einschließlich Teilen von Kraftfahrzeugmotoren, die ihre Vorgänger weit übertreffen, häufiger zum Einsatz kommen wird.