Ultimakers kreative neue Messmethode für Festigkeit additiv gefertigter Teile

Wenn Ingenieure die Festigkeit eines Materials messen wollen, tun sie dies normalerweise mit einer Zugprüfmaschine. Eine kleine Probe wird ausgedruckt und einer großen Kraft ausgesetzt, bis sie bricht. Die auf das Teil ausgeübte Kraft, geteilt durch die Fläche des mittleren Schnittpunkts zum Zeitpunkt des Bruchs, gibt die Festigkeit an.

Die Teams von Ultimaker, Covestro und der Königlich Niederländischen Marine haben sich jedoch für einen unkonventionellen Ansatz entschieden, um zu verstehen, wie stark 3D-gedruckte Teile sein können. Und um ihren Test besser zu veranschaulichen, mussten sie etwas Schweres heben. Aber was würde funktionieren? Gewichte aus dem Fitnessstudio? Ein Motorrad? Ein Auto? Vielleicht ein großer Jeep? Und dann fragte die Königlich Niederländische Marine: “Warum nicht ein gepanzertes Fahrzeug?”

Das richtige Teil für die richtige Aufgabe entwerfen

Um ein schweres Fahrzeug mit einem 3D-gedruckten Teil anzuheben, mussten die Ingenieure zunächst die Hardware analysieren. Die Königlich Niederländische Marine verfügte über einen speziellen Hebepanzer, der über zwei zu öffnende Stahlringe mit dem Kran und den am angehobenen Fahrzeug befestigten Kabeln verbunden war. Ein längliches O-förmiges Glied sollte diese beiden Metallringe verbinden und das schwere Fahrzeug anheben können.

Nachdem er die Geometrie der Stahlringe in eine CAD-Software importiert hatte, konnte der Ultimaker-Anwendungstechniker Lars de Jongh den ersten Entwurf für die Verbindung erstellen. Damit das Design funktionierte, benötigte das Gelenk eine flache Seite für einen stabilen 3D-Druck und musste mit Schichtlinien gedruckt werden, die in dieselbe Richtung wie die auf das Teil projizierten Kräfte zeigen. Außerdem sollte die Berührungsfläche zwischen dem gedruckten Teil und den Metallringen so groß wie möglich sein, um die Kräfte gleichmäßig zu verteilen.

Nach Fertigstellung des Entwurfs benötigten die Ingenieure ein Material, das extrem stabil ist und kurze Kraftspitzen aufnehmen kann. Beim Durchsuchen des Ultimaker Marketplace, der Hunderte von Materialien mit jeweils einzigartigen Eigenschaftskombinationen enthält, stießen sie auf Addigy F1030 CF10 von Covestro carbo, das die gestellten Anforderungen erfüllte. Dieses Polymer auf Nylonbasis ist mit Kohlenstofffasern angereichert und kann mit dem Ultimaker S5 und dem CC-Druckkern gedruckt werden.
Zweimal messen, einmal schneiden

Der 3D-Druck eines massiven 2-Kilogramm-Glieds benötigt weniger Zeit als die Herstellung mit herkömmlichen Methoden. Die Anzahl der Iterationen, die notwendig waren, um die richtige Geometrie zu validieren, bedeutete jedoch, dass der Zeitfaktor immer noch eine Rolle spielte. Aus diesem Grund wurde das Design vor dem Druck mithilfe von Computersimulationen optimiert.

Covestro wendete die Kräfte auf das Design digital an, wobei eine Software zum Einsatz kam, die die genauen physikalischen Eigenschaften des Kohlenstofffaser-Nylon-Materials kennt. Durch Simulationen konnten die Ingenieure feststellen, wo das Design angepasst werden musste und wo Material entfernt werden konnte. Auf diese Weise entstand ein optimiertes Design, das mehr Gewicht heben konnte, aber weniger Material benötigte, was zu einer schnelleren Produktionszeit bei geringeren Kosten führte.

Bevor sie das schwere Fahrzeug anheben konnten, mussten die Ingenieure die berechnete Festigkeit des gedruckten Teils physisch überprüfen. Es wurden zwei Entwürfe für zwei Größen erstellt. Das erste war ein 1-Kilogramm-Glied, das schätzungsweise 12 Tonnen standhalten sollte. Das zweite, etwa 3 Kilogramm schwere Teil sollte 38 Tonnen standhalten. Die Königlich Niederländische Marine verfügt über ein industrielles Zugprüfgerät vor Ort, das eine Kraft von bis zu 343 Kilonewton auf ein Objekt ausüben kann. Es wurden sowohl die ursprüngliche als auch die optimierte Version getestet, und zwar sowohl die große als auch die kleine Version.

Der Unterschied zwischen den getesteten Ergebnissen und den simulierten Zahlen war äußerst gering und lag im Durchschnitt bei nur 1 %. Dadurch wurde dieser Arbeitsablauf genau und profitierte von der schnellen Markteinführung und der gesteigerten Leistung.

Heben von Militärfahrzeugen mit 3D-gedruckten Kunststoffteilen

Nach mehreren Monaten des Entwerfens, Druckens, Testens und Planens war es an der Zeit zu handeln. Zwei Glieder sollten ein schweres Militärfahrzeug anheben. Auf einem niederländischen Armeestützpunkt im Süden der Niederlande unterstützte die 13. leichte Nashornbrigade die Teams mit ihrem gepanzerten Bergungsfahrzeug. Ihr Leopard 2 “Buffalo” hat einen Kran an der Vorderseite und ist für die Bergung schwerer Fahrzeuge wie Lastwagen und Kampfpanzer ausgelegt.

Zum Aufwärmen wurde das 1-Kilo-Gelenk verwendet, um eine militärische Version eines Mercedes-Jeeps mit einem Gewicht von über zwei Tonnen anzuheben. Das war überhaupt kein Problem, und das Fahrzeug ließ sich problemlos anheben. Dann war es Zeit für etwas Größeres.

Das 2-Kilo-Gelenk aus massivem kohlefaserverstärktem Nylon wurde zwischen dem M113-Panzerfahrzeug und dem Buffalo-Kran angebracht. Die Metallringe wurden festgezogen, und vier Kabel wurden vom unteren Haken am Fahrzeug befestigt. Der Kran begann sich langsam nach oben zu bewegen, wodurch die Kabel und das 3D-gedruckte Teil unter Spannung gesetzt wurden. Dann hob sich das 12 Tonnen schwere Fahrzeug langsam in die Höhe und schwebte über dem Boden, aufgehängt an einem 3D-gedruckten Gelenk. Der Buffalo fuhr herum, rückwärts, vorwärts, drehte sich, aber die Verbindung hielt perfekt.

Mehr über Ultimaker finden Sie hier, und mehr über Covestro finden Sie hier.