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Potenziale für HPDC-Komponenten durch Wandstärkenoptimierung
Eine Möglichkeit, das HPDC-Produktportfolio zu aktualisieren, sind innovative Leichtbaukomponenten und der gezielte Einsatz von Werkstoffeigenschaften. Die vorliegende Studie beschreibt die Potenziale von HPDC-Bauteilen mit optimierten Wandstärken unter Einsatz moderner Simulationswerkzeuge. Eine Fahrzeugarmlehne wird als HPDC-Bauteil mit einer Wandstärke von 0,8 mm neu entwickelt.
EUROGUSS TALENT AWARD WINNER
Mit seiner Abschlussarbeit über Potenziale für Druckgussbauteile hat es Marvin Emde unter die Gewinner des EUROGUSS Talent Awards geschafft. Die Gewinner wurden am 14. Januar während der EUROGUSS 2020 gekürt. Ziel des Wettbewerbs ist es, herausragende Abschlussarbeiten und die Nachwuchskräfte von morgen auszuzeichnen.Um dem technologischen Wandel in der Automobilindustrie wie der Elektromobilität oder dem autonomen Fahren und den steigenden Anforderungen an den CO2-Ausstoß von Fahrzeugen auf politischer Seite gerecht zu werden, müssen die Hersteller neue Wege beschreiten, dies gilt auch für die Gießereiindustrie als wichtiger Zulieferer. Innovative Gusskomponenten können das Fahrzeuggewicht weiter reduzieren und damit die Emissionen senken. Darüber hinaus ermöglichen dünnwandige Druckgussbauteile den Gießereien, ihr Produktportfolio zu erweitern, indem sie die Substitution bestehender Kunststoffbauteile als leichtere, höherfeste und funktionale Integrationsteile durch Druckguss ermöglichen.
Sitzarmlehne mit optimierter Topologie
Ziel dieser Studie war es, Potenziale für Druckgussbauteile in neuen Märkten durch Reduzierung der Wandstärken aufzuzeigen. Steifigkeitsverluste und Instabilitätsprobleme wurden durch eine angepasste Struktur vermieden. Für einen effektiven Leichtbau müssen die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs voll ausgenutzt und an eine belastungsgerechte Struktur angepasst werden. Dies kann durch die Gestaltungsfreiheit im Gussteil ideal realisiert werden. In einem Produktentwicklungsprozess, bestehend aus numerischer Topologieoptimierung, Festigkeitsberechnung und Fertigungssimulation, wurde eine Sitzarmlehne als dünnwandiges Druckgussbauteil völlig neu entwickelt. Um das Leichtbaupotenzial des Verfahrens auszuschöpfen, wurden Wandstärken von weniger als 1 mm für die Konstruktion berücksichtigt.
Der Designraum für die Topologieoptimierung wurde auf Basis der anthropometrischen Abmessungen entwickelt. Mit der Topologieoptimierung sollte eine maximal steife Struktur gefunden werden. Um diese im Druckguss herstellen zu können, wurden fertigungstechnische Randbedingungen, wie eine Auszugsrichtung sowie minimale und maximale Wandstärken, festgelegt. Da es keine gesetzlichen Anforderungen an die Belastbarkeit von Autoarmlehnen gibt, wurden Lastfälle aus den Normen für Möbel zur Definition der Lastfälle herangezogen.
Produktentwicklungsprozess bestehend aus Topologieoptimierung, Festigkeitsberechnung und Fertigungssimulation für die Neuentwicklung der Armlehne als Leichtbau-Druckguss-Strukturteil. / Quelle: Marvin EmdeSteifigkeit nicht beeinträchtigt
Eine vollständige Bauteiltopologieoptimierung mit der Zielwandstärke von 0,8 mm erfordert eine enorme Rechenleistung, die durch einen intelligenten Ansatz umgangen wurde. Daher wurden nur die Lastpfade aus dem Konstruktionsvorschlag der Optimierung unter Verwendung einer höheren Zielwandstärke extrahiert. Bei der Rekonstruktion wurden die Wandstärken gegenüber dem Bemessungsvorschlag reduziert. Mit zusätzlichen Iterationsschleifen aus Festigkeitsberechnungen und manueller Modellanpassung wurden die Wandstärken weiter reduziert. So wurden im endgültigen Modell Wandstärken von nur 0,8 mm erreicht. Diese Entwicklungsmethode zeigt, dass die Wanddickenreduzierung im Vergleich zu anderen Anpassungen, wie z.B. unterschiedliche Rippendesigns und -positionen oder Entformungswinkel, einen großen Einfluss auf das Gewicht hat, ohne die Steifigkeit negativ zu beeinflussen.
Im Vergleich zu einer gängigen Armlehne für Nutzfahrzeuge aus faserverstärktem Kunststoff, PA 6 GF30 - Polyamid mit 30 % Glasfasern, wird das Potenzial dünnwandiger Druckgussbauteile deutlich. Die Neuentwicklung aus der Aluminiumlegierung AlSi10MnMg ist 7 % leichter. Darüber hinaus wird die Tragfähigkeit mehr als verdoppelt. Eine Analyse der Armlehne aus der Magnesiumlegierung AZ91 ergibt eine Gewichtsreduzierung von 38 % gegenüber der Kunststoffversion bei fast doppelter Belastbarkeit. Alle notwendigen Funktionen sind in diesem einen Gussteil enthalten. Das positive Ergebnis zugunsten der Metalle ist auf den höheren Elastizitätsmodul zurückzuführen, der für die untersuchten Lastfälle entscheidend ist. Die strukturmechanisch optimierte Konstruktion reduziert Spannungsspitzen und weist eine gewollte Nachgiebigkeit auf.
Eine Fertigungssimulation beweist die Herstellbarkeit der neu entwickelten Armlehne aus Aluminium-Druckguss. Eine Herausforderung beim Gießen von dünnwandigen Bauteilen ist die Gestaltung des Temperierkanalsystems, um sicherzustellen, dass die dünnen Anschnitte nicht zu schnell erstarren, um die Verstärkungsphase länger aufrechtzuerhalten.
So sieht die fertig entwickelte Fahrzeugarmlehne aus. / Quelle: Marvin EmdeGewichtsvorteil durch dünnwandiges Design
Druckgussbauteile nutzen die Materialeigenschaften durch optimierte Wandstärken effizient aus. Die dünnwandige Bauweise durch den Einsatz moderner Simulationstools ermöglicht eine Substitution von Kunststoffteilen und schafft einen Gewichtsvorteil. Trotz der Gewichtsreduktion wird die Belastbarkeit erhöht und ermöglicht weitere Anwendungen in höher belasteten Umgebungen. Dies zeigt das vorhandene Potenzial von strukturmechanisch optimierten Bauteilen mit Wandstärken von weniger als 1 mm. Gießereien können durch die Wanddickenoptimierung neue Märkte erschließen und ihr Produktportfolio erweitern.
