Additiv gefertigtes Powerpack
Die additive Fertigung biete für die Fluidtechnik umfangreiche Möglichkeiten der Komponentenoptimierung, sei es die Minimierung von Strömungsverlusten oder die Steigerung der Leistungsdichte. Die Potentiale dieser Fertigungstechnologie für die Fluidtechnik sind derzeit noch wenig erforscht. Daher hat das ifas sich zum Ziel gesetzt, am Beispiel eines hochintegrierten Powerpacks die Möglichkeiten auszuloten, welche das Fertigungsverfahren bietet. Hierfür wird der Antriebsteil einer elektro-hydraulischen Achsen (EHA) fertigungsgerecht designt, gefertigt und anschließend auf dem Prüfstand vermessen. Als Benchmark dient ein konventionell gefertigter Antrieb für kleinen Losgrößen.
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Name
Forschungsgruppe Hochleistungskomponenten
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Nutzen
- Funktionsintegration
- Geringeres Gewichtung und Bauraum
- Reduzierung der Montageschritte
- Einfache Bereitstellung von Ersatzteilen
Vorgehen
- Weniger Bauteile
- Strömungs- und Topologieoptimierung
- Wegfall von Dichtstellen und Adaptern
- Werkstoffeffiziente Fertigung, im Bedarfsfall auch nach Auslaufen der Serienproduktion
Die Zielsetzung
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mittels Funktionsintegration und additiver Fertigung einen hochkompakten hydraulischen Antrieb zu entwickeln. Hierbei sollen die Hydraulikpumpe und etwaige Ventile in einem Gehäusebauteil vereint werden. An dieser Stelle sollen das Prinzip und Vorgehen im Auslegungsprozess anhand eines Anwendungsszenarios aus der Fluidtechnik gezeigt werden, das hochtolerierte und kontinuierlich bewegte Bauteile einbezieht. Die additive Fertigung bittet hier die Möglichkeit Bauteile nahe der Endkontur herzustellen und ermöglicht Geometrien, die subtraktiv nicht fertigbar sind. Alle Kavitäten und Kanäle können somit strömungsoptimiert gefertigt werden. Durch Funktionsintegration entfallen sämtliche Adapterflansche und Topologieoptimierung ermöglicht eine Minimierung des Bauraumbedarfes.
Das Anwendungsszenario
Auf dem ifk2018 hat das ifas ein hydraulisches Labyrinth vorgestellt, das durch zwei elektrohydraulischen Achsen angetrieben wird und mittels Neigungssensoren im Smartphone gespielt werden kann. Um den benötigten Bauraum der Antriebe zu reduzieren, sollen die Antriebe mittels additiver Fertigung deutlich kompakter neugestaltet werden und Pumpe nebst Peripherien in einem einzigen Bauteil fusioniert werden.
Der Entwicklungsprozess
Die Dimensionierung erfolgte mittels handelsüblicher CAE-Tools. Es wurden folgende Schritte durchgeführt:
- Grobgestaltung im CAD
- Strömungsoptimierung mittels CFD
- Topologieoptimierung mittels FEM
- Geometrieglättung und Export auf die Maschine
Die fertige Umsetzung
Gefertigt wurde das Powerpack auf einer EOS M 290, notwendige nacharbeiten erfolgten manuell oder unter Einsatz einer herkömmlichen CNC-Fräse. Der Zahnradsatz der Pumpeinheit wurde konventionell gefertigt, da sich hier durch additive Fertigung keine Vorteile ergeben. Druckbegrenzungs- und Rückschlagventile wurden ebenfalls der Serie entnommen.
Veröffentlichungen
| Titel | Autor(en) |
|---|---|
| Design and experimental investigation of an additive manufactured compact drive Beitrag zu einem Tagungsband (2020) | Matthiesen, Gunnar (Corresponding author) Merget, Daniel Pietrzyk, Tobias Ziegler, Stephan Schleifenbaum, Johannes Henrich Schmitz, Katharina |