Vereinigung aus:
Vereinigung aus: Original-Steuerblock, Optimierung und 3D-Druck in Metall © SMILE FM Live-Simulation macht es möglich In vielen Bauteilen, die uns im Alltag vielfältig umgeben, schlummert ungenutztes Potential. So zumindest sieht es unter anderem das Ingenieurbüro SMILE-FEM GmbH aus Heikendorf, dass sich deshalb der Aufgabe verschrieben hat, dieses Potenzial zu erkennen. Durch ein Umdenken weg von konventioneller und hin zu additiver Fertigung sollen sich Freiheiten im Design ergeben, die zuvor undenkbar waren. Mithilfe der modernen Simulationssoftware ANSYS Discovery Live und der Unterstützung von CADFEM konnte SMILE-FEM zeigen, welches Potential in einem Hydraulik-Steuerblock steckt. Durch Simulation und additive Fertigung konnten der Druckverlust um bis zu 50%, das Gewicht um 75% und die Bauhöhe um 28% reduziert werden. Seit über zehn Jahren unterstützen die Berechnungsingenieure von SMILE-FEM Werften und Zulieferunternehmen, indem sie ausgereifte Konstruktionsentwürfe unter realen Bedingungen simulieren. Ziel ist es, das vollständige Potential der technischen Anwendungen nutzen zu können und erforderliche Nachweise für Klassifikationsgesellschaften zu erbringen. Neue Verfahren wie die additive Fertigung erlauben es, bisher bestehende Grenzen zu überschreiten. Die technischen Herausforderungen bei einem solchen Projekt lassen sich nach Ansicht der Experten in zwei Bereiche unterteilen. Zum einen geht es um Gewichts- und damit um Materialeinsparungen. Zum anderen soll die Funktionalität des Bauteils verbessert werden. Diese beiden Aspekte müssen jeweils gemeinsam betrachtet werden, wenn ein wirklich gutes und erfolgreiches Produkt entstehen soll. 24 HANSA Report 3D – Additive Fertigung in der maritimen Industrie – 10 | 2019
Test auf Schiffsbauteil Dieser grundsätzliche Ansatz wurde an einem Bauteil erprobt, das in großer Anzahl auf modernen Schiffen zu finden ist. In jedem hydraulischen Aggregat, sei es eine Winde, ein Kran oder eine Komponente des Antriebs, werden zur Steuerung Hydraulik-Steuerblöcke eingesetzt. Diese sind bereits mit konventionellen Methoden sehr weit optimiert. Anhand eines Prototyps wird dargestellt, welches Potenzial in der additiven Fertigung steckt. So wurde hier nicht nur eine erhebliche Gewichtsreduzierung angestrebt, sondern auch die Druckverluste in dem Hydraulik-Steuerblock sollten minimiert, Bauraum gespart und zwei Komponenten vereint werden. Dies ließ sich nur dadurch erreichen, dass die bisherigen Einschränkungen durch die Fertigungsmethodik aufgehoben werden konnten. Denn bisher wurden die erforderlichen Kanäle in einen Rohblock gebohrt oder gefräst. Somit waren nur gerade Verbindungen mit konstantem oder sich verjüngendem Querschnitt möglich. Die additive Fertigung erlaubt dagegen auch gekrümmte Verbindungen, Verzweigungen und Hinterschneidungen. In einem ersten Schritt wurden Anschlüsse neu arrangiert, um sie funktional aber auch platzsparend zu bündeln. Anschließend wurden die Kanäle neu gezogen. Dabei wurden sie so geformt, dass sie strömungstechnisch optimiert wurden. Es wurden tote Enden sowie scharfe Umlenkungen vermieden und möglichst kurze Verbindungen gewählt. Zudem wurden Verzweigungen strömungsgünstig ausgelegt. Mit diesen optimierten Kanälen als Negativmodell konnte die Geometrie der eigentlichen Struktur mittels Topologieoptimierung erstellt werden. Die optimierte Geometrie weist nun einen um 50% reduzierten Druckverlust, ein um 75% reduziertes Gewicht und einen um 28% reduzierten Bauraum auf. So wird nicht nur die Effizienz des Aggregats gesteigert, Gewicht und Material eingespart, sondern auch die Montage und die Wartung vor Ort erleichtert. Frühzeitiger Einsatz Auch wenn additive Fertigung derzeit in der individuellen Anwendung noch aus finanziellen oder fertigungstechnischen Gründen ausscheidet, so bietet ein frühzeitiger Einsatz von schnellen und effizienten Simulationstools das Potenzial, bereits während der Konzeptphase strukturelle Entscheidungen zu treffen. So kann bereits frühzeitig ein Weg in Richtung einer optimalen Funktion sowie eines effizienten Einsatzes der Ressourcen eingeschlagen werden. »Jede technische Anwendung ist individuell und benötigt individuelle Lösungen. In Zeiten immer fortschreitender Globalisierung und Digitalisierung ist es auch in der maritimen Branche essenziell, alte Denkmuster zu hinterfragen und ungenutztes Potenzial zu erschließen«, heißt es seitens SMILE-FEM. n © SMILE-FEM Geometrie des Original-Steuerblocks Rohrbogen, wie er im 3D Druck möglich ist. Die deutliche Verbesserung des Strömungsbilds ist erkennbar. Die Reduktion des Druckverlusts lag bei ca. 45% HANSA Report 3D – Additive Fertigung in der maritimen Industrie – 10 | 2019 25
