Prozesssimulation Rennsportkolben
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Das Ziel dieses Forschungsprojekts war es, das Gewicht eines geschmiedeten Motorradkolbens für den Rennsport mithilfe additiver Fertigung und bionischer Leichtbauprinzipien zu reduzieren. Die innovative Produktionstechnik hinter dem Leichtbau-Kolben heißt Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Das Verfahren beruht auf dem Prinzip des Auftragschweißens und verwendet eine speziell von der TU Wien und dem Austrian Institute of Technology (AIT) entwickelte Aluminiumlegierung.


Leichtbau und Bauteiloptimierungen sind heutzutage eng mit Simulationen verknüpft. SinusPro hat ein spezielles Simulationsprogramm entwickelt, mit dem die Wärmebelastung und der Verzug von 3D-gedruckten Bauteilen präzise abgebildet werden können. Der Optimierungsprozess startet mit dem Originalkolben und der Definition von Belastungen sowie Randbedingungen, die darauf einwirken. Mithilfe einer weiteren Software, dem SinusPro Optimizer, kann man daraus die hochbelasteten Stellen ermitteln, die im Bauteil mit hoher Wahrscheinlichkeit zuerst brechen würden.



Nach dem Prinzip der kraftflussgerechten Gestaltung nimmt man Material an wenig belasteten Stellen weg und fügt es dort hinzu, wo hohe Belastungen herrschen. Heraus kommt ein digitales Modell des optimierten Kolbens, der bei gleicher statischer Belastbarkeit wie der Originalkolben 10 % weniger Gewicht hat. Der reale Prototyp wird im AIT in zwei Schritten hergestellt, dem WAAM-Verfahren mit anschließendem Fräsen. Aufgrund der hohen Wärmebelastung wird der Kolben in mehreren Stufen gedruckt. Auf Basis dieses Rohlings entsteht durch nachträgliches Fräsen der digital vorgegebenen Geometrie das fertige Produkt. Die hohe konstruktive Freiheit beim 3D-Druck ermöglicht es, nicht nur extrem leichte Bauteile herzustellen, sondern auch mehrere Bauteile bzw. deren Funktionen in ein Bauteil zu integrieren.


Der Zukunftstrend geht dahin, dass Produkte immer smarter werden und zusätzliche Funktionen bekommen. Das kann z.B. ein Flugzeugtisch mit integrierter Induktionsplatte sein, womit man sein Handy kabellos Laden kann. Allerdings steht das im Konflikt, Gewicht einzusparen. Je mehr Technik also in einem Produkt verbaut ist, desto leichter muss die Grundkonstruktion sein. Hier wendet SinusPro die Bionik an.


Auch in der Natur sind Ressourcen knapp und müssen so effektiv wie möglich genutzt werden. Über Millionen von Jahren haben sich so die besten Lösungen für eine große Bandbreite an technischen Herausforderungen evolutionär durchgesetzt, denn nur wer ein Problem ressourcenschonend löst, hat eine Chance zu überleben. Übertragen auf den Leichtbau bedeutet es, das Prinzip der kraftflussgerechten Gestaltung zu nutzen, das in Bäumen, Tieren und auch in uns Menschen, nämlich in unserem Knochenbau vorhanden ist.


Autor: Ing. Lukas Reimann, M.Sc., Bionic Scientist, SinusPro GmbH