Design for Manufacturing, Topologieoptimierung und reverse Engineering
Höchstmögliche Gewichtsreduktion bei gesteigerter Bauteilfestigkeit - Bei der klassischen Entwicklung und Konstruktion von keramischen Bauteilen müssen Prototypen konzipiert und Materialtests unterzogen werden, bevor sie in den Einsatz kommen. Fallen diese Tests negativ aus, ist es erforderlich, das Design zu modifizieren. Dieses iterative Vorgehen kann sich wiederholen und verlängert die Time to Market und erhöht die Entwicklungskosten. Mithilfe von Simulation können Bauteile bereits vor dem ersten Prototypen im Designzustand virtuell getestet werden, sodass sich Entwicklungszeiten und Kosten drastisch reduzieren. Dabei hat sich der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) bewährt, einem computergestützten Berechnungsverfahren zur Designoptimierung des Bauteiles.
Gesteigerte Performance durch Gewichtseinsparung
Bauteile anwendungsoptimiert, kostenorientiert und ressourcenschonender zu gestalten, wird immer wichtiger. Design for Manufacturing, passende keramische Werkstoffe und die additive Fertigung von Schunk Technical Ceramics machen es möglich.
Bei der Herstellung eines Produktes müssen das Anwendungsumfeld, die Materialeigenschaften, die Bauteilkomplexität sowie die späteren Produktionsvolumen und Kostentargets berücksichtigt werden. Nicht immer ist dabei schon zu Beginn klar, wie die Lösung aussehen wird. Da sich durch die zahlreichen Fertigungsverfahren, unterschiedlichen Werkstoffe sowie Bearbeitungstechnologien jedoch unzählige Möglichkeiten ergeben, ist es wichtig, von Anfang an die richtigen Weichen zu stellen. Aufgrund der Expertise und langjährigen Erfahrung von Schunk Technical Ceramics wird direkt zu Beginn ermittelt, welcher Werkstoff besonders gut geeignet ist, welches Formgebungsverfahren das Optimum in Hinblick auf Kosten und Designfreiheit liefert und ob eine maschinelle Nacharbeit nötig ist. Zum anwendungsoptimierten Design stehen dem Kunden bei Schunk dabei weitere Tools zur Verfügung. Dazu gehören FEM-unterstützte Topologieoptimierung sowie bionische Designs, die durch Schunks einzigartigen 3D-Druck IntrinSiC® ermöglicht werden.
Das Ergebnis ist ein auf das Anforderungsprofil optimiertes Produkt, das kosteneffizient in der erforderlichen Zeitschiene in ausreichender Menge geliefert werden kann.
Topologieoptimierung und bionische Konstruktion
Für den Maschinenbau, die Messtechnik, Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigungsindustrie spielt Gewichtsreduzierung eine große Rolle. Dank der bionischen Bauteiloptimierung ist es möglich, den Komponenten bei geringem Gewicht eine höhere Steifigkeit, Funktionalität, Dynamik und Sicherheit zu verleihen – und gleichzeitig Materialkosten einzusparen. Gewichtsoptimierte, von der Natur inspirierte Designs sind jetzt auch in Keramik möglich. Dank Schunks innovativem IntrinSiC® 3D-Druck sowie dem Service der Finite Element Simulation (FEM)-unterstützten Topologieoptimierung entstehen einzigartige keramische bionische Designs.
Mit der computerbasierten Topologieoptimierung werden in der Produktentwicklung wenig belastete Bereiche eines Bauteils ermittelt, an denen die Materialstärke reduziert werden kann. In Bereichen hoher Belastung werden zusätzliches Material oder zusätzliche konstruktive Elemente vorgesehen. Dem Prinzip der bionischen Konstruktion folgend werden Bauteile in Anlehnung an die Anpassungsfähigkeit der Natur so gestaltet, dass sie eine hohe Stabilität und Funktionalität bei verhältnismäßig geringem Materialeinsatz besitzen.
Topologieoptimierung und additive Fertigung
Während der Topologieoptimierung bei den herkömmlichen Formgebungstechnologien schnell Grenzen gesetzt sind, ermöglicht der 3D-Druck, das volle Potenzial dieses Vorgehens auszuschöpfen. Somit entsteht dank der Kombination aus Topologieoptimierung und additiver Fertigung die perfekte Voraussetzung für das Design neuer gewichtsoptimierter Produkte. Bislang waren Konstrukteure bei der Produktentwicklung stets an verfahrensbedingte Einschränkungen gebunden – mit Schunks 3D-Druck lassen sich beliebige Bauteile schichtweise aus reaktionsgebundenem Siliziumcarbid herstellen. So können Design und Funktionalität neu gedacht werden.
Innovative Möglichkeiten des reverse Engineering
Wenn Konstruktionsdaten fehlen, dreht Reverse Engineering (Flächenrückführung) den Entwicklungsprozess um: Die Bauteiloberfläche wird mithilfe des 3D-Scanners digitalisiert und in ein CAD-Oberflächenmodell umgewandelt. Das CAD-Modell kann dann wiederum mit Topologieoptimierung basierend auf bionischen Prinzipien optimiert, mit FEM-Berechnung validiert und im 3D-Druckverfahren realisiert werden.