Simulation ist mehr als Software

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Additiv gefertigte Faserverbund-Bauteile

Simulationen als Grundlage des Auslegungs- und Fertigungsprozesses

Auslegung von additiv gefertigtem Faserverbund

Die Kombination von Faserverbundwerkstoffen und 3D-Druck bietet viele Vorteile. Mit der Simulation können das Bauteilgewicht, die Kosten und die Leistung gezielt optimiert werden.Das Start-up 9T Labs bringt zusammen mit Ansys eine Simulationslösung auf den Markt, mit der additiv gefertigte Leichtbauteile erstellt werden können, ohne vorher Prototypen fertigen zu müssen.

Simulation ist wichtig für die Produktentwicklung

„Unsere Red-Series-Lösung dient zur Herstellung von Teilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen, die nicht nur als Prototypen nutzbar sind, sondern auch für strukturelle Anwendungen und Serienfertigung von hohen Stückzahlen im industriellen Einsatz“, erläutert Giovanni Cavolina, Mitgründer und Chief Business Development Officer von 9T Labs und ergänzt: „Dabei spielen Simulationen mit der Ansys-Software sowohl für unsere Produktentwicklung als auch für die Auslegung und Optimierung der zu produzierenden Bauteile eine große Rolle.“

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) haben herausragende Eigenschaften bezüglich Steifigkeit, Festigkeit und Gewicht. Deshalb werden sie in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt, im Sport, der Medizintechnik oder auch der Robotik. Trotzdem ist der großflächige Einsatz bisher noch stark eingeschränkt, da die üblicherweise genutzten industriellen Fertigungsverfahren sehr aufwendig und kostenintensiv sind. Unter anderem ist zum Einlegen der einzelnen Faserschichten viel händische Arbeit notwendig, und das gezielte Ausrichten der Fasern für optimierte Strukturen ist stark eingeschränkt.

Zur Serienherstellung von strukturellen Verbundbauteilen müssen folgende Voraussetzungen erfüllt werden, konstatiert der Firmengründer: „Wir müssen in der Lage sein, industrielle Carbonfaser-Verbundwerkstoffe zu drucken.“ Die Filamente bestehen aus kontinuierlichen Carbonfasern zur Verstärkung der verwendeten Thermoplaste. Dabei steht eine relativ große Materialpalette von einfachem Nylon (PA) bis zu Hochleistungsthermoplasten wie PEKK zur Auswahl.

 Giovanni Cavolina<br />Chief Business Development Officer, 9T Labs
Giovanni Cavolina
Chief Business Development Officer, 9T Labs

Simulationen mit der Ansys-Software spielen sowohl für unsere Produktentwicklung als auch für die Auslegung und Optimierung der zu produzierenden Bauteile eine große Rolle.

3D-Druck auch für die Serienfertigung

Nach dem 3D-Druck erfolgt ein patentierter Prozess, der Fusion genannt wird. Das Verbundbauteil wird bei erhöhtem Druck und Temperatur nachkonsolidiert. Resultat ist ein guter Verbund zwischen den einzelnen Druckschichten. Der Fusion-Prozess führt zudem zu einer hervorragenden Konsolidierung mit minimen Lufteinschlüssen, typischerweise von 1 Prozent.

„Unsere Technologie muss zudem eine konkurrenzfähige Kostenstruktur für die industrielle Serienfertigung aufweisen“, erklärt Giovanni Cavolina. „Nur dann können wir einen Ansporn gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren bieten.“ Die konventionelle Fertigung von Verbundbauteilen hat einige Kostentreiber:

  • Da ist zunächst die händische Arbeit, die durch das automatisierte Ablegen mit dem 3D-Drucker ersetzt wird.
  • Weiterhin sind die Maschinenkosten zu betrachten, die durch einen Kosten-kompetitiven Aufbau der Red-Series-Technologie mit reduziert werden.
  • Zuletzt sind Materialkosten einer der dominanten Kostentreiber in der CFK-Bauteilfertigung. Diese werden durch den optimierten und gezielten Materialeinsatz mittels 3D-Druck signifikant reduziert.

Nach dem 3D-Druck erfolgt ein patentierter Prozess, der Fusion genannt wird. Das Verbundbauteil wird bei erhöhtem Druck und Temperatur nachkonsolidiert. Resultat ist ein guter Verbund zwischen den einzelnen Druckschichten. Der Fusion-Prozess führt zudem zu einer hervorragenden Konsolidierung mit minimen Lufteinschlüssen, typischerweise von 1 Prozent. „Unsere Technologie muss zudem eine konkurrenzfähige Kostenstruktur für die industrielle Serienfertigung aufweisen“, erklärt Giovanni Cavolina. „Nur dann können wir einen Ansporn gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren bieten.“ Die konventionelle Fertigung von Verbundbauteilen hat einige Kostentreiber: - Da ist zunächst die händische Arbeit, die durch das automatisierte Ablegen mit dem 3D-Drucker ersetzt wird. - Weiterhin sind die Maschinenkosten zu betrachten, die durch einen Kosten-kompetitiven Aufbau der Red-Series-Technologie mit reduziert werden. - Zuletzt sind Materialkosten einer der dominanten Kostentreiber in der CFK-Bauteilfertigung. Diese werden durch den optimierten und gezielten Materialeinsatz mittels 3D-Druck signifikant reduziert. Um den neuen 3D-Druckprozess innerhalb der industriellen Fertigung möglichst effizient zu nutzen, müssen Optimierungen und Simulationen zum Einsatz kommen. Speziell bei höheren Stückzahlen ist die Kostenreduzierung durch Materialeinsparungen bei den Carbonfaser-Verbundwerkstoffen der wichtigste Aspekt, wobei die anvisierten Material- und schlussendlich Kosteneinsparungen von 30 bis 40 Prozent bei strukturellen Bauteilen hauptsächlich durch den umfassenden Simulationsansatz möglich sind.

Mit Simulation die ideale Faserorientierung planen

„Um von einem traditionellen Grundentwurf für eine Metallfertigung zu einer optimierten Carbonfaser-Auslegung – die mit unserem Druckprozess effizient fertigbar ist – zu kommen, nutzen wir Ansys Mechanical gemeinsam mit Ansys Composite PrepPost“, erläutert Giovanni Cavolina. Mit Ansys Composite PrepPost lässt sich in jeder einzelnen Schicht gezielt die Faserorientierung bestimmen, um die erforderlichen lokalen Steifigkeiten und Festigkeiten zu erhalten und in Ansys Mechanical strukturell zu analysieren.

Anschließend wird die Faserorientierung von der Ansys-Anwendung an die Drucksoftware übertragen. Diese teilt dem Drucker genau mit, in welchen Bereichen des Bauteils die Carbonfasern wie ausgerichtet sein sollen, und in welchen Bereichen das thermoplastische Material allein ausreichend ist. Durch die Integration von Fasern in das Thermoplastmaterial erhalten die Bauteile einerseits die gewünschte extrem hohe Stabilität, und andererseits lässt sich der sonst bei der Fertigung mittels 3D-Druck auftretende Verzug erheblich verringern.

Eine neue Schnittstelle zwischen der Fibrify-Software von 9T Labs und Ansys Composite PrepPost (ACP) kann komplexe Faserlagen, die in Fibrify erstellt wurden, direkt importieren und automatisch in ein Finite-Elemente-Modell umwandeln. Auch Teile, die zusätzlich zu einem Faser-Layup teilweise aus reinem Kunststoff bestehen, wie dies beim 3D-Verbunddruck oft der Fall ist, lassen sich jetzt einfach simulieren. Durch einen iterativen Prozess des Geometrieentwurfs und der Zusammensetzung des Faseraufbaus in Fibrify sowie Simulationen mit ACP wird ein optimaler Entwurf gefunden.

Giovanni Cavolina
Chief Business Development Officer, 9T Labs

Die Simulation ist für uns eines der wichtigsten Werkzeuge, um unsere Technologie in die industrielle Serienfertigung zu bringen und den Kunden die damit verbundenen Vorteile zu eröffnen.

Mit Simulation zur Prozessoptimierung

„Simulationen dienen auch zur Analyse unserer Fertigungsprozesse, um diese besser zu verstehen und kontinuierlich optimieren zu können“, betont der Firmengründer. „Dabei ist zum Beispiel thermische Simulation vom 3D-Druck-Ablegeverfahren essentiell.“

Während dieser Entwicklung wurden mit der Ansys optiSLang Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um zu verstehen, welche Parameter den Druckprozess wie beeinflussen. Unter anderem wurde untersucht, welche Rolle die Druckgeschwindigkeit und -temperatur spielen. Dadurch entwickelte sich ein immer besseres Verständnis über das Verhalten der Anlagen.

„Die Simulation ist für uns eines der wichtigsten Werkzeuge, um unsere Technologie in die industrielle Serienfertigung zu bringen und den Kunden die damit verbundenen Vorteile zu eröffnen“, erklärt Giovanni Cavolina abschließend.

Fibrify - die Software für den Entwurf hervorragender Faserverbund-Werkstoffe

9T Labs
Giovanni Cavolina
giovanni@9tlabs.com
www.9tlabs.com

Autor: Gerhard Friederici (CADFEM GmbH)
© Bilder: 9T Labs

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