Projekt des Monats

Interdisziplinäre Projektarbeit in der additiven Fertigung am IBT

Abbildung 1: Ergebnis der Topologieoptimierung in Siemens NX (Siemens NX 12 aufgenommen von Lauri Hoffmann)

Mit dem Ausbau der generativen Fertigungsmöglichkeiten am Institut für Betriebs- und Technologiemanagement kann eine ganze Bandbreite von innovativen Konstruktions- und Fertigungsmöglichkeiten getestet und untersucht werden.

Neben den großen Forschungsprojekten „Com-PrintMetall“ und „RERAP“, die Materialeigenschaften und Ressourceneffizienz der verschiedenen Fertigungsmethoden untersuchen, können auch Abschlussarbeiten und interdisziplinare Projekte mit hohem Praxisbezug erstellt werden. Bei Interesse bitte hier klicken.

Ziel und Ausgangspunkt für die hier vorgestellte Abschlussarbeit war die Erstellung eines additiv gefertigten Trittbretts eines E-Scooters aus Metall mithilfe der additiven Konstruktionsmethodik. Ausgehend von der Digitalisierung mittels 3D-Scan des vorhandenen Trittbretts mussten die Randbedingungen übernommen und die Formen des Trittbretts an die Potenziale der additiven Fertigung mit Metall angepasst werden.

Auf Basis von zuvor gefertigten Testkörpern zur Ermittlung der Grenzen und Möglichkeiten auf dem zur Verfügung stehenden Metalldrucker, wurde eine geeignete Konstruktionsmethodik ausgewählt. In der angestrebten Konstruktion sollten verschiedene Ziele, wie beispielsweise die Umsetzung eines innovativen Designs sowie die Funktionsintegration der Bremse des Hinterrades, verfolgt werden. Ebenso stand der Leichtbau im Fokus der Konstruktion des Trittbretts.

Eine sehr effiziente Leichtbaumethode stellt die Topologieoptimierung zur Ermittlung der Kraftverläufe innerhalb des Bauteils dar. Auf deren Basis (siehe Abbildung 1) wurde die Form des Modells im Verlauf verschiedener Entwürfe frei konstruiert und designt. Dabei wurden weitere Methoden, unter anderem Bögen zur Ausnutzung der natürlichen Stützwirkung durch Krümmung, eingesetzt. Das Modell nach Abbildung 2 ist eine Kombination von verschiedenen Konstruktionsmethoden. Die Bremse sollte in ihrer Funktion direkt in das zu druckende Modell integriert werden. Hierfür wurde ein Gelenk nach den Vorgaben der additiven Fertigung entwickelt, das ohne nachträgliche Montage oder Nachbearbeitung funktionstüchtig ist. Einzig eine Feder für die Rückwärtsbewegung wurde montiert (siehe Abbildung 3).

Das CAD-Modell wurde zur Sicherung der Festigkeit und somit der Anwendersicherheit im Rahmen der Finite-Elemente Methode (siehe Animation Abbildung 4) mit einer statischen Belastung von 150 kg simuliert und die Sicherheit wurde bestätigt.

Für die anschließende Fertigung wurde das Trittbrett in drei Komponenten zerteilt, wie an den roten Kennzeichnungen in Abbildung 2 ersichtlich. Der Metall 3D-Druck erfolgte in der AM 400 im Labor für generative Fertigung (siehe Abbildung 5 und 6). Die drei Bauteile wurden im Anschluss im Technikum miteinander verschweißt.

Vor Inbetriebnahme und ersten Tests wurden Fehl- und Schweißstellen mikroskopiert und in der Oberflächentechnik begutachtet.

Das Modell wurde im Anschluss mit der konventionellen Variante verglichen. Das Trittbrett weist durch seine innovative Formgebung (vergleiche Abbildung 7) ein modernes und einzigartiges Design auf. Neben der optischen Aufwertung und der Funktionsintegration konnte eine Reduktion der zu montierenden Teile von 16 auf vier Komponenten erfolgreich umgesetzt werden. Ebenso konnte das Gewicht um 22 %verringert werden.

Diese interdisziplinäre Arbeit zeigt ein umfassendes Ineinandergreifen der verschiedenen Disziplinen, Professoren und Labore am IBT in der Prozesskette von der Idee bis hin zur Untersuchung des fertigen Produkts. Eine detaillierte Zuordnung der Prozessschritte ist in Abbildung 8 dargestellt.