MULTIPE | Produktentwicklungsmethoden für mechatronische Multimaterialbauteile

Produktentwicklung von Multimaterialbauteilen

Die Verarbeitung mehrerer Pulverwerkstoffe in einem Laserstrahlschmelzprozess (PBF-LB/M) stellt gleich mehrere Teilbereiche von Produktlebenszyklen vor Herausforderungen. Unterschiedliche Werkstoffeigenschaften wie Wärmeleitung oder Absorption erfordern eine besondere Anlagentechnik sowie Prozessführung. Methoden zur Produktentwicklung und Baudatenvorbereitung müssen weiterentwickelt und neu gedacht werden. Eine Frage, die sich Konstrukteurinnen und Konstrukteuren bedingt durch die neuen Verfahrensmöglichkeiten stellt: Soll in einer Entwurfsphase eines neuen Produktes zunächst die Bauteilgestalt oder die Materialverteilung gefunden werden oder existieren hier Entwicklungswerkzeuge, um diese Optimierungsaufgabe mathematisch zu lösen? Nachgelagerte Schritte wie die Wärmebehandlung von Multimaterialbauteilen oder das Pulverrecycling zum Beispiel durchsortierende Prozesse erfordern geänderte Vorgehensweisen.

Ein zweiter Aspekt im Projekt MULTIPE beschäftigt sich mit mechatronischen Bauteilen, die auch als »intelligent« bezeichnet und ebenfalls in KINEMATAM und HYBDED untersucht werden. Welche Sensoren sich zur Integration eignen, welche Potenziale sich erschließen lassen und welche Vorgehensweisen sich zur Gestaltfindung solcher Bauteile, insbesondere am Beispiel von Greifern (siehe Abbildung 3) finden lassen, sind Fragen, mit den sich die Forscher befassen.

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie
© StMWi
Berechnung der Materialverteilung mittels Dichtegradienten-basierter Multimaterial-Topologie-Optimierung
© Fraunhofer IGCV
Abbildung 1: Berechnung der Materialverteilung mittels Dichtegradienten-basierter Multimaterial-Topologie-Optimierung
Baujobentnahme mit losem CW106C und IN718 Pulver
© Fraunhofer IGCV
Abbildung 2: Baujobentnahme mit losem CW106C und IN718 Pulver
Sensoren in additiv gefertigten Greifbacken ermöglichen intelligente Handhabung
© Fraunhofer IGCV
Abbildung 3: Sensoren in additiv gefertigten Greifbacken ermöglichen intelligente Handhabung

Methodenentwicklung für Multimaterialbauteile

Das Teilprojekt MULTIPE adressiert die Entwicklung eines methodischen Vorgehens verbunden mit einer systematischen Auswahl geeigneter Verfahren. Anhand konkreter Anwendungsfälle wird die Methode projektbegleitend validiert.

Messbare Vorteile für industrielle Anwendungen ergeben sich aus

  • der Funktionsintegration
  • der Integration von bspw. Sensoren in intelligente Produkte
  • der Komplexitätsreduzierung bei Produkten aus mehreren Komponenten

Vorteile durch Funktionsintegration

Als Anwendungsbeispiel für das Teilprojekt MULTIPE wird beispielhaft das hochbelastete Kernelement moderner Parallelbackengreifer vorgestellt. Der sogenannte Keilhaken überträgt mit seinen schrägen Wirkflächen die pneumatische Bewegung eines Kolbens in eine Greifbackenbewegung. Für eine große Kraftübertragung muss der Keilhaken nicht nur über eine hohe Festigkeit, sondern auch über optimale Gleiteigenschaften verfügen. Ein Widerspruch, der mit gängigen Verfahren nicht zu lösen ist. Die Verwendung von Multimaterialien bietet hier großes Potenzial. Durch die besondere Konstruktion aus zwei verschiedenen Materialien weist die Grundstruktur des Keilhakens eine hohe Festigkeit auf, während im selben Fertigungsschritt die Gleitflächen aus einer tribologisch geeigneten Legierung aufgebaut wurden (siehe Abbildung 4). Dadurch wird der Verschleiß der Antriebsmechanik minimiert und es kann bei gleichem Energieaufwand eine größere Kraft aufgebracht werden.

Die Produktqualität wird hierbei von Randbedingungen wie Verfahrensparametern oder multimaterialgerechter Konstruktion entscheidend beeinflusst. Daher werden diese Randbedingungen im Teilprojekt MULTIPE für neuartige Produkteigenschaften analysiert, anhand von praxisnahen Anwendungsfällen validiert und zu Handlungsempfehlungen zusammengefasst.

Additiv gefertigte Greiferkomponente - Keilhaken aus CW106C und Werkzeugstahl 1.2709
© Fraunhofer IGCV
Abbildung 4: Additiv gefertigte Greiferkomponente - Keilhaken aus CW106C und Werkzeugstahl 1.2709

Zusammenarbeit

Wir finden gerne eine individuelle Lösung für Ihr Anliegen.

Branchenlösungen

Die Schlüsselbranchen des Fraunhofer IGCV:

  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Luft- und Raumfahrt
  • Automotive und Nutzfahrzeuge

 

Kompetenzen

Wir gestalten den Weg in die Zukunft des effizienten Engineerings, der vernetzten Produktion und der intelligenten Multimateriallösungen.

Referenzprojekte

Zur Übersicht der Referenzprojekte am Fraunhofer IGCV.