Know-how: Optimierung des ROTWILD Vorbaus S240 für das selektive Laserschmelzen

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ROTWILD Mitarbeiter Martin Zimmermann hat sich im Rahmen seiner Masterarbeit mit der Gewichtsoptimierung des bestehenden ROTWILD Vorbaus S240 beschäftigt. Dabei kam erstmals das selektive Laserschmelzen als Fertigungstechnik zum Einsatz. Wir erklären, was es mit dem Verfahren auf sich hat und welche Vorteile es in der Entwicklung von Leichtbauteilen bietet.

Die Anforderungen an einen Vorbau sind hoch. Um dessen Gewicht zu reduzieren, setzt Engineering Mitarbeiter Martin Zimmermann in seinem Masterarbeit-Projekt auf ein innovatives Herstellungsverfahren, das selektive Laserschmelzen.

Selektives Laserschmelzen (SLM) als innovatives Fertigungsverfahren

Martin Zimmermann, Student an der TU Darmstadt im Studiengang Mechanical and  Process Engineering und seit 2017 als Werkstudent im Engineering bei ROTWILD tätig, widmete sich im Rahmen seiner Masterarbeit der Optimierung des ROTWILD Aluminiumvorbaus S240. Das Thema seiner Masterarbeit kam durch eine Kooperation mit der Firma Sauer Product zustande und wurde in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen (KLuB) der TU Darmstadt, das von Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Mittelstedt geleitet wird, durchgeführt. Als Betreuer der Arbeit standen Martin Dr.-Ing. Alexander Großmann vom Fachgebiet KLuB der TU Darmstadt und unternehmensseitig unser Produktmanager Johannes Matschos zur Seite.

Ziel dieser Arbeit war die Gewichtsoptimierung des Fahrradvorbaus sowie die Herstellung mittels selektiven Laserschmelzens (SLM) bei der Firma Sauer Product.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) als additives Fertigungsverfahren bietet gegenüber der konventionellen Herstellung von Aluminiumbauteilen gleich mehrere Vorteile:

  • kürzere Produktentwicklungszeiten
  • ressourcenschonende Fertigung
  • hohe Gestaltungsfreiheit
  • Möglichkeit der Funktionsintegration innerhalb eines Bauteils

Durch den Einsatz der rechnergestützten Topologieoptimierung in der Entwicklung des Bauteils für die additive Fertigung, konnte eine gewichtsreduzierte und belastungsgerechte Leichtbaukonstruktion realisiert werden, die so mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht gefertigt werden kann. Zur Erklärung: Die rechnergestützte Topologieoptimierung ist ein Entwicklungstool, das nur an denjenigen Stellen Material anhäuft, an denen es aufgrund der vorliegenden Belastungssituation notwendig ist.

Der Entwicklungsprozess in sieben Schritten

1. Anforderungen definieren

Zunächst wurden die Anforderungen der Optimierungsaufgabe definiert. Der zur Verfügung stehende Bauraum war durch die Geometrie des ROTWILD Vorbaus S240 und dessen Schnittstellen weitestgehend vorgegeben. Zudem wurden die Belastungen, denen ein Vorbau ausgesetzt ist, ermittelt. Diese orientieren sich an den in der Norm DIN EN ISO 4210 definierten Lasten für die gegenphasige Ermüdungsprüfung (Belastung bei Wiegetritt), die gleichphasige Ermüdungsprüfung (Belastung beim Bremsen) sowie die seitliche Biegeprüfung (Überlastprüfung). In der Anforderungsdefinition wurde außerdem der Umfang der Gewichtsreduzierung (mindestens 25% im Vergleich zum Ausgangsbauteil) und das Material des optimierten Bauteils festgelegt (Aluminiumlegierung AlSi10Mg).

Wo liegt Optimierungspotenzial und welche Belastungen müssen dabei berücksichtigt werden - Berechnungen und Simulationen am Rechner sind während des Engineering Prozesses ein unverzichtbarer Bestandteil.

2. Ausgangsanalyse

Zu Beginn der Optimierungsaufgabe wurde eine FEM-Simulation des ROTWILD Fahrradvorbaus S240 durchgeführt, um ein Verständnis für die Beanspruchungen im Bauteil, unter den in den Anforderungen definierten Lasten, zu gewinnen.

3. Durchführung der rechnergestützten Topologieoptimierung

Zur Durchführung der rechnergestützten Topologieoptimierung wurde zunächst der maximal zur Verfügung stehende Bauraum konstruiert. Dann erfolgte die rechnergestützte Topologieoptimierung, unter Berücksichtigung der Randbedingungen der Berechnungsaufgabe und des definierten Optimierungsziels. Das Ergebnis war eine, für die gegebenen Lastfälle, optimale Gestalt des Vorbaus. Dieses Berechnungsergebnis konnte allerdings so nicht eins zu eins gefertigt werden. Es handelte sich vielmehr um einen Designvorschlag, der als Vorlage für die Nachmodellierung diente.

Weil ein hohes Maß an Integration für den Einsatz am E-MTB gewünscht ist, stellen sich besondere Anforderungen an den Vorbau.

4. Nachmodellierung und Anpassung des Designentwurfs

Der durch die rechnergestützte Topologieoptimierung erhaltene Designvorschlag wurde mit Hilfe einer CAD-Software nachkonstruiert.

5. Festigkeitsnachweis durch FEM-Simulation

Nach der Nachmodellierung erfolgte eine FEM-Simulation, um kritische Bauteilbereiche zu identifizieren und diese durch entsprechende konstruktive Maßnahmen zu entschärfen bzw. zu beseitigen.

Prototypen frisch aus dem Drucker. Nach einigen Durchgängen aufwändiger Finish-Arbeiten zeigt sich, dass die Vorbauprototypen deutlich leichter sind als der ROTWILD S240.

6. Herstellung des optimierten Vorbaus im selektiven Laserschmelzverfahren

Der für die Fertigung freigegebene optimierte Vorbau wurde bei der Firma Sauer Product im selektiven Laserschmelzverfahren hergestellt. Die gefertigten optimierten Vorbauprototypen sind um ca. 42% leichter als der herkömmliche ROTWILD Fahrradvorbau S240.

ROTWILD Fahrradvorbau S240 (links), optimierter Vorbau (rechts)

7. Prüfstandtests bei der EFBE Prüftechnik GmbH

Zur Überprüfung der Berechnungsergebnisse der FEM-Simulation wurden die Prototypen bei der EFBE Prüftechnik GmbH Prüfstandtests unterzogen. Dabei wurden die in den Anforderungen definierten Lasten nach der Norm DIN EN ISO 4210 zugrunde gelegt. Der optimierte Vorbau bestand sowohl die gleichphasige Ermüdungsprüfung als auch die seitliche Biegeprüfung. Lediglich den Belastungen der gegenphasigen Ermüdungsprüfung war der neue optimierte und mittels selektiven Laserschmelzens hergestellte Vorbau nicht gewachsen.

Prüfaufbauten: seitliche Biegeprüfung (links), gegenphasige/ gleichphasige Ermüdungsprüfung (rechts)

Fazit:

Die Masterarbeit bietet dem Engineering von ROTWILD die Gelegenheit sich mit einer vergleichsweise jungen Fertigungstechnologie auseinanderzusetzen, neue Erkenntnisse für weitere Produktentwicklungen zu sammeln und diese im gesamten Engineering Team anzuwenden. Damit folgt das Projekt konsequent der ROTWILD Produktphilosophie: Innovationen entwickeln, diese eigenständig umsetzen und dabei neueste Technologien einsetzen.

Nach erfolgreich abgeschlossener Masterarbeit ist Martin Zimmermann fester Mitarbeiter des ROTWILD Engineering Teams und wird sein Know-how im Bereich innovativer Fertigungstechnologien in die zukünftigen Produktentwicklungen einbringen können.

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