Aufbau und Optimierung IT-gestützter Produktionsprozesse + Industrie 4.0 + Internet der Dinge

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Für ein Ersatzteil eine neue Form erstellen – das lohnt sich selten. Wie lassen sich mit additiver Fertigung und angepasstem, gewichtsoptimierten Design die Produktionskosten senken und werkzeuglos Ersatzteile produzieren?

Güterwaggons sind durch eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten geprägt. Bei Defekten solcher Anlagegüter stellt die Ersatzteilbeschaffung die Betreiber vor große Herausforderungen, da der Hersteller über einen solch langen Zeitraum Ersatzteile häufig nicht vorrätig halten kann. Betreiber sowie Hersteller stehen daher häufig vor der Aufgabe, einzelne Ersatzteile für den Weiterbetrieb herzustellen oder zu beschaffen. Dabei fehlen die ursprünglichen Fertigungswerkzeuge und teils sogar die Originaldaten. Sind Ersatzteile aus dem 3D-Drucker die Lösung?

Die Herausforderung bei der Produktion alter Bauteile, die einmal in herkömmlichen Verfahren produziert wurden, sind äußerst lange Durchlaufzeiten und hohe Kosten. Die Herstellung von nicht mehr gängigen Werkzeugen oder Halbzeugen benötigt viel Zeit. Zudem müssen Maschinen entsprechend eingerichtet und umgerüstet werden. Gerade bei einem unerwarteten Bauteildefekt kann Zeit ein entscheidender Faktor sein. Mit der additiven Fertigung könnte das Teil deutlich schneller und flexibler gefertigt werden.

Problematisch sind jedoch die konventionellen Konstruktionen der alten Teile, die sich mit der additiven Fertigung nur schwer oder gar nicht herstellen lassen und zusätzlich die Produktionszeiten verlängern können, da beispielsweise beim Metall-3D-Druck viel Material aufgeschmolzen werden muss. Dabei sind in der additiven Fertigung sowohl Material als auch Maschinenstunden wesentliche Kostentreiber, die so weit wie möglich reduziert werden sollten. Daher ist ein Prozesses nötig, mit dem schnell und personalsparend angepasste Bauteildesigns konstruiert werden können.

Wie das funktioniert, lässt sich am besten an einem Beispiel zeigen, das ein durchgeführtes Projekt der Deutschen Bahn, Hexagon und SLM Solutions gibt.

Im Projekt wurde eine Umstellwelle für die automatische Kupplung eines offenen Drehgestell-Schüttgutwagens für den Erztransport hergestellt. Mit diesem Bauteil kann der Zugbediener zwischen manuellem und automatischen Kupplungsvorgang des 15 Meter langen Waggons umschalten und die Feststellbremse des Güterwaggons mit einem Laderaum von über 60 Kubikmetern Fassungsvermögen händisch lösen. Die meisten Wagen wurden 1978 bis 1983 ausgeliefert.

Für die Optimierung wurde das Originalbauteil zunächst in der auf 3D-Druck spezialisierten Simulationssoftware MSC Apex Generative Design (Hexagon) importiert. Hier haben die Projektierer den sogenannten Designspace erweitert, also den Bereich, in dem der Optimierungs-Algorithmus Material platzieren darf. Das ursprünglichen Bauteil bestand aus Temperguss. Für die additive Fertigung wählten die Projektierer Edelstahl 316L. Funktionsflächen versahen sie mit einem Aufmaß für die spätere spanende Bearbeitung und kennzeichneten sie als non-design Bereiche, die vom Algorithmus nicht verändert werden dürfen.

Für die Optimierung haben sie die auftretenden Kräfte definiert und für die Optimierung zu Lastfällen zusammengefasst. Anschließend konnten die Projektierer die Optimierung starten und mit verschiedenen Parameterwerten mehrere Designalternativen generieren. Das vielversprechendste Ergebnis reduziert das Gewicht auf die Hälfte des Originaldesigns.

Mit Hilfe von Apex Structures für die Strukturanalyse sind die Ergebnisse mittels einer FE-Reanalyse weiter untersucht worden: Die Aufbiegung unter Last ist im Vergleich zum soliden Originaldesign gestiegen, bewegt sich mit einem halben Millimeter aber in einem unkritischen Bereich. Relevanter ist die hohe Gewichts- und Volumenreduktion. Sie senkt die Produktionskosten der additiven Fertigung. Die Spannungswerte liegen selbst in kritischen Geometrie-Bereichen noch unterhalb der zulässigen Materialspannung.

Die Prozesssimulation lässt sich mit Simufact Additive (Hexagon) durchführen. Hier konnten die Projektierer zwei wesentliche Herausforderungen für den Druck des Bauteils lösen: Die Stützstrukturoptimierung und die Kompensation von Verzügen. Sie haben die generierten Geometriedaten dazu in die Simulationssoftware geladen und innerhalb weniger Stunden waren diese Parameter vollständig berechnet. Der gesamte Produktionsprozess lässt sich dabei inklusive Nachbearbeitung einstellen und simulieren. Beispielsweise auch das Entfernen von der Bauplattform und eine mögliche Wärmenachbehandlung sowie weitere Schritte.

Für den eigentlichen Druck sollte die Orientierung optimiert werden, um ein möglichst gutes Druckergebnis mit wenig Supportstrukturen zu ermöglichen. Zusätzlich kann die Software auftretende Verzüge während des Druckprozesses ermitteln und die CAD-Geometrie so modifizieren, dass sie am Ende sehr nah an der Soll-Geometrie liegt.

Um dieses Vorgehen auch in der Praxis zu verifizieren, hat der Projektpartner und 3D-Druck-Anlagenhersteller SLM Solutions vier Bauteile gebaut, je zwei kompensiert und zwei unkompensiert. Der Baujob für die jeweils rund 15 mal 9 mal 3 Zentimeter großen Edelstahlbauteile dauerte 14 Stunden (auf einer SLM-280-2.0-Twin-Maschine), bei rund 1800 Schichten in 50-Mikrometer-Schichtstärke.

Anschließend hat SLM die Bauteile auf ihre Genauigkeit und Verformung untersucht. Dabei zeigte sich: Die vorverformten Bauteile sind im Endergebnis signifikant weniger verformt als die nicht-optimierten Bauteile. Die virtuelle Fertigungssimulation bringt also entscheidende Vorteile für die Qualität und Maßhaltigkeit der Bauteile.

Problematisch beim Thema Ersatzteile aus dem 3D-Drucker sind insbesondere die klassischen Bauteildesigns, die sich mit der additiven Fertigung schlecht oder gar nicht herstellen lassen. In jedem Fall sind die Teile aber durch den hohen Materialeinsatz und den damit verbundenen Maschinenlaufzeiten sehr teuer. Daher ist es notwendig, vor der Herstellung, gut fertigbare, kosteneffiziente Leichtbaudesigns zu generieren.

Die vorgestellten Tools zur Designoptimierung erlauben dies mit nur geringem Zeitaufwand und machen so die additive Fertigung von Ersatzteilen handhabbarer – auch ohne besondere Simulationsexpertise. In Kombination mit der Fertigungssimulation (Simufact Additive für Metall und Digimat AM für Polymer) erhält der Nutzer Zugang zu additiven Technologien auch ohne eigenes Expertenwissen.

Die Fertigungssimulation der erzeugten Struktur optimiert kritische Elemente der Fertigung wie Verzug und eingebrachte Spannungen, sodass die Bauteile mit hoher Qualität gefertigt werden können.

Der Autor Dr. Gereon Deppe ist Business Development Manager Generative Design bei Hexagon.

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