Forscher des Fraunhofer IAPT demonstrierten anhand eines mit 3D-Druck hergestellten Gelenkarms für die Automobilindustrie, wie sich diese optimieren und dadurch kosten- und zeiteffizienter herstellen lassen. Mit einem eigens entwickelten Software-Tool identifizierten sie dazu zuerst das geeignete Bauteil. Der „Design to Cost“-Ansatz brachte eine deutlich günstigere Fertigung des Gelenkarms.

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Forscher des Fraunhofer IAPT haben in einer Fallstudie für die Türaufhängung eines Sportwagens die Einflussgrößen für die Bauteilkosten Schritt für Schritt ermittelt. In einer Pressemitteilung an das 3D-grenzenlos Magazin erklären die Forscher, dass die additive Fertigung ihre Vorteile am besten ausspielen kann, wenn die Bauteile von Grund auf dafür konstruiert wurden. Sie zeigen auf, wie stark dieser Faktor gemeinsam mit anderen Maßnahmen zur Optimierung die technischen Eigenschaften sowie die Kosten des fertigen Bauteils beeinflussen kann. Einem Team von GE Aviation gelang im Vorjahr die Optimierung von vier Bauteilen aus dem 3D-Drucker mit einem Kostenersparnis von bis zu 35 Prozent.

Details zur Fallstudie

Ein eigens entwickeltes Software-Tool, das vom erfolgreich ausgegründeten Spin-off 3D Spark angeboten wird, konnten die Forscher vom Fraunhofer IAPT das geeignete Bauteil identifizieren. Anschließend bestimmten die Experten die kostenoptimale Bauteilorientierung im 3D-Druck-Prozess.

3D-gedruckter Gelenkarm
Die Forscher des Fraunhofer IAPT demonstrierten anhand der Optimierung eines 3D-gedruckten Gelenkarms (im Bild) die Vorteile des 3D-Drucks bei Kosten und Zeitaufwand (Bild © Fraunhofer IAPT).

Die optimierte Ausrichtung reduziert den Nacharbeitsumfang und maximiert die Anzahl der auf eine Bauplattform passende Bauteile. Das brachte eine Kosteneinsparung von 15 Prozent.

Die Struktur des Gelenkarms wurde zielgerichtet optimiert, wobei die Forscher ganz neue Bauteilgeometrien herstellen konnten. Das Bauteil wurde so entworfen, dass es nur dort Material erhält, wo der simulierte Kraftfluss es benötigt. Dadurch wurde das Türgelenk um 35 Prozent leichter und die Kosten sanken aufgrund des verringerten Materialbedarfs und einer kürzeren Druckzeit um weitere 20 Prozent vom Ursprungswert.

Ein stützstrukturoptimiertes Design wirkt sich positiv auf die Fertigungszeit und den Materialbedarf aus, weshalb jede Stützstruktur, die nicht entfernt werden muss, Zeit und Kosten spart. Die Kosten sinken erneut um 10 Prozent. Die Wahl des optimalen Materials bringt eine weitere Kosteneinsparung von 10 Prozent. Die Anpassung der 3D-Druck-Prozessparameter reduziert die Kosten weiter. Die höhere Schichtstärke beim Druck und die Anpassung des Laserstrahlprofils senken die Bauzeit deutlich und die Druckkosten um weitere 15 Prozent. Das bringt zwar leichte Einbußen in der Bauteilqualität, wobei diese weiterhin über der von Gussbauteilen bleibt. Die optimierte Maschinenauslastung durch Verschachtelung und die Stapelung im Bauraum, das sogenannte »Nesting«, senken die Kosten weiter um 10 Prozent.

Fazit des Fraunhofer IAPT-Projekts

Die Forscher erklären abschließend, dass der „Design to Cost“-Ansatz eine 80 Prozent günstigere Fertigung des Gelenkarms ermöglicht. 45 Prozent günstiger wird es durch Orientierungs- und Strukturoptimierung sowie die Supportreduzierung. Die optimierte Materialauswahl, Speed-Parameter und Auslastungsmaximierung im 3D-Druck-Prozess reduzieren weitere 35 Prozent der Kosten.

Die Forscher konnten zeigen, dass eine Kostenreduktion der additiven Fertigung um einen Faktor fünf machbar ist. Außerdem konnten sie die technische Performance des Fahrzeugs durch geringeres Gewicht und verbesserte Optik steigern. Die Fertigungskosten des Gelenkarms für einen in Kleinserie hergestellten Sportwagen haben sie mit 3D-Druck verglichen mit konventionellem Fräsen um 50 Prozent reduziert. Das ganze Prozedere ist auch für andere Automobilkomponenten möglich. So ließe sich der 3D-Druck schon heute in größeren Serien bis 5.000 Stück profitabel einsetzen.

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