antriebstechnik 3/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG BAUTEIL-TOPOLOGIE STRUKTUROPTIMIERTE MASCHINENKOMPONENTEN MIT HOHER DÄMPFUNG Die Leistung von Werkzeugmaschinen wird maßgeblich durch die mechanischen Eigenschaften der verbauten Komponenten bestimmt. Mithilfe des Layer-Laminated-Manufacturing-Verfahren (LLM) können Bauteile gefertigt werden, die weniger bewegte Masse unter Erhalt der notwendigen Steifigkeit oder eine erhöhte Dämpfung vorweisen. Die praxisnahe Forschung am ISW der Universität Stuttgart präsentiert hierzu ihre Ergebnisse. 01 Schematischer Ablauf der TopGen II Strukturierungsalgorithmik BELASTUNGSGERECHTE BAUTEILE DURCH TOPOLOGIEOPTIMIERUNG Die heutige Produktion stellt zunehmend hohe Anforderungen an die Dynamik und Genauigkeit, gleichzeitig aber auch an die Energie- und Ressourceneffizienz von Werkzeugmaschinen und deren Vorschubantrieben. Die Performanz der Maschinen wird maßgeblich durch die mechanischen Eigenschaften der verbauten Komponenten bestimmt. Geringe bewegte Massen für eine hohe Dynamik sowie sehr steife Konstruktionen für hohe Genauigkeit stellen einen Zielkonflikt für Konstrukteure dar. Weiterhin wird an dynamisch angeregten Stellen eine hohe Dämpfung zur Schwingungsminderung benötigt, während die Energiedissipation der Maschine allgemein sehr gering ausfallen sollte, um eine hohe Energieeffizienz zu gewährleisten. Die anwendungsgerechte Bauteiloptimierung ist daher essenzieller Bestandteil innovativer Produktentwicklung. Dazu bietet die Topologieoptimierung (TO) Ingenieuren ein mächtiges Werkzeug. Die TO berechnet die bestmögliche Materialverteilung innerhalb des Design-Raums für genau einen Anwendungsfall. Die dazu eingesetzten Optimierungsverfahren berechnen kontinuierlich verlaufende Dichteverteilungen, die in dieser Form nicht 40 antriebstechnik 2021/03 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG herstellbar sind. In der Praxis wird daher meist bereits der Optimierungsprozess beeinflusst, um nicht herstellbare, kontinuierliche Dichteverteilungen in diskrete zu überführen. Dabei entfernt sich allerdings auch die Lösungsgüte vom globalen Optimum für den gegebenen Anwendungsfall. Außerdem müssen die optimierten Geometrien meist manuell aufbereitet und geglättet werden, um sie fertigen zu können. DAS PROJEKT TOPGEN II – TOPOLOGIE­ OPTIMIERUNG & GENERATIVE FERTIGUNG In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt TopGen II (Projektnummer 246665445) wird ein alternativer, neuartiger Ansatz verfolgt. Anstatt die Zwischendichten in der Optimierung zu vermeiden, werden sie durch innere Hohlräume im Bauteil imitiert. Im Bauteil werden also an Stellen niedriger Belastung innere Hohlräume modelliert, um Material einzusparen. Dazu werden die Gestaltungsfreiheiten des LLM-Verfahrens genutzt, welches durch das Fügen zusammenhängender Schichten gekennzeichnet ist. Die einzelnen Schichten können vorab individuell strukturiert werden, was große Gestaltungsfreiheiten wie Funktionsintegration und innere Hohlräume ermöglicht. Über eine am ISW entwickelte Strukturierungsalgorithmik (Bild 01) werden die herstellbaren LLM-Schichten automatisch auf Basis der Optimierungsergebnisse modelliert. Für die Fertigung metallischer Bauteile, was vor allem im Bereich der Maschinen- und Antriebstechnik von besonderem Interesse ist, bieten sich das Verkleben sowie das Verschweißen als Fügeverfahren an. EXPERIMENTELLE VALIDIERUNG VERKLEBTER LLM-BAUTEILE Als praktisches Beispiel wird ein Lagerbock betrachtet, der an einem Kugelgewindetrieb-Prüfstand als Festlager eingesetzt wird. Dieser wurde hinsichtlich der auftretenden Belastungen topologisch optimiert. Mit Hilfe der Strukturierungsalgorithmik wurden herstellbare Bauteilschichten mit individueller Strukturierung modelliert. Diese wurden subtraktiv gefertigt und anschließend mit einem hochfesten 2K-Strukturklebstoff auf Epoxidbasis verklebt. Außerdem wurde ein Lagerbock mit identischer Geometrie im deutlich kostenintensiveren SLM-Verfahren additiv gefertigt und als zusätzliche Referenz für den LLM-Lagerbock genutzt. Die hergestellten Lagerböcke werden derzeit experimentell validiert. Die erzielbare Massenreduktion ist stark abhängig von den Fertigungsparametern der Strukturierungsalgorithmik, die je nach verwendetem Fertigungsverfahren vom Nutzer variiert werden können. Mit Hilfe einer simulativen Parameterstudie wurden die bestmöglichen Kombinationen an Fertigungsparametern ermittelt. Die Massenreduktion schwankt dabei zwischen 15 – 45 %. Für den dargestellten LLM-Lagerbock, der aus 5 mm starken Blechen aufgebaut ist, beträgt die Massenreduktion rund 36 % gegenüber dem Lagerbock aus Vollmaterial. Die komplexe innere Struktur sowie die Klebeschichten zwischen den Blechen verändern die Steifigkeit sowie die dynamischen Eigenschaften (zum Beispiel Eigenfrequenzen, Eigenmoden, Dämpfung) des Lagerbockes. Im Rahmen einer experimentellen Modalanalyse wurde das Bauteil durch Gummiseile frei gelagert und mit einem Impulshammer entsprechend Bild 02 angeregt. Die dominante Eigenfrequenz bei rund 2734 Hz liegt deutlich unter denen der anderen Lagerböcke (Tabelle 1). Die begrenzende Eigenfrequenz für die KGT-Dynamik liegt jedoch mit rund 60 Hz deutlich tiefer, wie im Mechanik-Frequenzgang in Bild 03 zu sehen ist. Über die Abklingkurven im Zeitbereich der gemessenen Schwingungsverläufe wurde jeweils das Dämpfungsmaß bestimmt und anschließend über alle Messungen gemittelt. Die enorme Steigerung um rund Faktor 10 für den LLM-Lagerbock ist auf die Materialdämpfung des Epoxidharzes sowie die vielen Fügestellen aufgrund der komplexen inneren Struktur zurückzuführen. VALIDIERUNG IN REALER EINBAUSITUATION Um die Einsetzbarkeit verklebter LLM-Bauteile für industrielle Anwendungen zu validieren, wurden die Lagerböcke am KGT- Prüfstand in ihrer realen Einbausituation untersucht. Das dynamische Verhalten der Vorschubachse wurde hierbei unter möglichst identischen Randbedingungen aufgezeichnet. In Bild 03 STUTTGARTER LAGEREGELSEMINAR Das ISW Uni Stuttgart veranstaltet im Herbst 2021 das Stuttgarter Lageregelseminar (LRS). Dort werden industrienahe Forschungsthemen des ISW im Bereich Antriebsund Maschinentechnik sowie Industrierobotik vorgestellt. Auch Vertreter aus der Industrie laden zu Vorträgen ein. Mehr Informationen dazu finden Sie unter: https://www.lageregelseminar-stuttgart.de/ Tabelle 01: Vergleich der Bauteileigenschaften Bauteil Vollmaterial LLM SLM Masse [g] 5450 3480 3946 Veränderung -36,1 % -27,6 % Lagerbock Eigenfrequenz [Hz] 4771 2734 3618 Veränderung -42,8 % -24,2 % Lagerbock Dämpfungsmaß D [%] 0,091 1,02 0,32 Veränderung +1020 % +252 % KGT-Prüfstand Eigenfrequenz [Hz] 60,9 57,3 60,8 Veränderung -5,9 % -0,2 % VIDEO Mehr zu diesem Projekt, den erzielten Ergebnissen sowie weiteren Projekten aus dem Gebiet der Antriebs- und Maschinentechnik finden Sie im ISW-Youtube-Kanal: https://bit.ly/3joQunn www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/03 41