Hybridverfahren kombinieren additive Fertigung mit klassischen Fertigungsschritten.

Hybridverfahren kombinieren additive Fertigung (im Bild) mit klassischen Fertigungsschritten wie Zerspanen oder Spritzgießen. (Bild: xiaoliangge-stock.adobe.com)

Aktuelle Beispiele zeigen, wie sich die neuen Technologien in das Geschäftsmodell integrieren lassen und wie Unternehmen mit 3D-Druck ihr Produktportfolio erweitern.

Die additive Fertigung ist in der Off-Highway-Branche zu einer Schlüsseltechnologie geworden. Mittlerweise arbeiten alle großen Bau- und Landmaschinenhersteller an der industriellen Serienreife der Technologie, darunter Caterpillar, John Deere und Komatsu.

Zum einen nutzen sie das Verfahren nach wie vor zur schnellen Fertigung von Modellen und Werkzeugen. 3D-gedruckte Sandkerne sind weiterhin grundlegend für qualitativ hochwertigen Eisenguss, der in Bauteilen wie Achsgehäusen oder Radnaben mündet. Zum anderen haben die Unternehmen erste direkt gedruckte Bauteile in ihre Lieferketten aufgenommen.

Auf einen Blick

Die großen Bau- und Landmaschinenhersteller nutzen 3D-gedruckte Sandkerne in Kombination mit Eisenguss. Außerdem haben sie direkt gedruckte Bauteile in ihre Lieferketten aufgenommen. Bei größeren Stückzahlen soll die Kombination von additiver Fertigung mit CNC-Maschinen neue Wege erschließen. Ein Beispiel hierfür ist das erfolgreich abgeschlossene Projekt Kitkadd. Digitale Zwillinge können helfen, das Potenzial der additiven Fertigung besser auszuschöpfen und zum Beispiel Toleranzen besser einzuhalten.

Das Beste aus zwei Welten: Hybridverfahren

Die Techniken stoßen allerdings immer dann an ihre Grenzen, wenn sich mit herkömmlichen Verfahren wirtschaftlich hohe Stückzahlen realisieren lassen. Im Fokus vieler Aktivitäten stehen deshalb Hybridverfahren, die es ermöglichen, die additive Fertigung auf CNC-Maschinen zu integrieren. Ziel ist es, die Grenzen additiver Verfahren zu überwinden und diese dort nutzbar zu machen, wo ihr Einsatz bislang noch nicht möglich war.

Die intelligente Kombination von 3D-Druck mit Techniken wie Zerspanen, Sintern oder Spritzgießen soll dabei neue Wege erschließen. Diese Absicht verfolgte auch das Projekt „Kitkadd“, an dem Wissenschaftler der Universität Paderborn gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie Unternehmen aus der Wirtschaft forschten. John Deere betrachtete im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die Fertigung von Planetenradgetrieben mit verbesserter Schmierstoffversorgung sowie Wärmetauscher zur dezentralen Kraftstoffkühlung.

Nach etwas mehr als drei Jahren Laufzeit wurde das Projekt im März 2020 erfolgreich abgeschlossen. Für die Bauteile wurden industrielle Produktionskonzepte erstellt, die im Vergleich zur rein additiven Prozesskette eine wirtschaftlichere Herstellung ermöglichen.

Digitaler Zwilling verbessert das Rapid Prototyping

Um die Möglichkeiten der additiven Fertigung auszuschöpfen, werden die Komponenten mit modernsten Konstruktionsmethoden entwickelt. Die größte Herausforderung bei der Fertigung verzugsarmer Bauteile liegt in der Einhaltung der geforderten Toleranzen und Maßhaltigkeit.

Das Konzept des digitalen Zwillings hilft, Problemzonen bei additiv gefertigten Komponenten zu identifizieren, Ausschuss zu vermeiden und flexibel auf Design-Änderungen zu reagieren. Möglich wird es damit, die reale Fertigungssituation im Computer zu simulieren.

Hardware-in-the-Loop-Simulation.
Hardware-in-the-Loop-Simulation: Auf dem HIL-Simulator (rechts) läuft die Echtzeit-Simulation. Daran angeschlossen sind einige programmierbare Steuereinheiten und das Computerinterface, welches diverse Zustände des Systems visualisiert sowie ein einfaches 3D-Modell des aktuellen Maschinenbetriebs. (Bild: Fraunhofer ITWM)

Baumaschinen schon in der Konzeptphase testen

Noch einen Schritt weiter geht das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM aus Kaiserslautern. Mit ‚Hardware-in-the-Loop‘ bietet es die Möglichkeit, mobile Arbeitsmaschinen in einer Software komplett nachzubilden und virtuell zu testen. Mit dem Teststand können die Hersteller die Praxistauglichkeit und Leistung schon in einem frühen Stadium der Entwicklung prüfen, nachbessern und optimieren. „Wir sind in der Lage, Baumaschinen aller Art zu testen, beispielsweise unterschiedliche Kran-Typen“, erklärt Projektleiter Dr. Christian Salzig.

Alle Funktions- und Belastungstests können bereits in der Konzeptphase erfolgen und nicht erst, wenn der Prototyp fertig ist. Mit den Tests sehen Konstrukteurinnen und Konstrukteure, ab welchem Neigungswinkel der digitale Zwilling des Krans instabil wird oder umkippt. Technische Störungen lassen sich ebenfalls simulieren – etwa, was passiert, wenn an einer Gelenkstelle ein Kabel bricht oder die Hydraulik des Hebeelements Druck verliert.

Salzig weist noch auf einen weiteren Aspekt hin: „Die Hersteller wollen natürlich bei jeder neuen Generation Material einsparen, den Energieverbrauch senken, neue Funktionen integrieren und die Maschinen kleiner und mobiler machen.“ Genau solche Verbesserungen macht Hardware-in-the-Loop möglich. In der Simulation finden die Fraunhofer-Experten und -Expertinnen heraus, ob die gewünschte Eigenschaft mit weniger Materialaufwand zu realisieren ist oder ob dieselbe Leistung auch mit einer kleiner dimensionierten Maschine erreichbar wäre.

Quelle: DLG

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