Optimierung und Validierung einer Spezialzange

Vom wiederkehrenden Bruch zur belastbaren Lösung

Der Kunde brachte uns eine Spezialzange, die während der Verwendung wiederholt an derselben Stelle brach. Unsere Aufgabe bestand daher nicht nur darin, das bestehende Bauteil zu rekonstruieren und erneut zu fertigen. Zunächst musste geklärt werden, weshalb die Zange überhaupt versagte und wie sich die Ursache konstruktiv dauerhaft beheben lässt.

Anhand des vorhandenen Bruchbildes konnten wir erkennen, dass die Zange nicht ausschließlich durch die vorgesehene Betriebsbelastung beansprucht wurde. Die Form und Ausbreitung des Bruchs deuteten auf eine zusätzliche Axialkraft hin, die vermutlich durch eine ungünstige beziehungsweise fehlerhafte Montage entstand.

Optimierung der Lagerstelle

Die unerwünschte Axialkraft wurde über die Lagerstelle in das Bauteil eingeleitet und führte dort zu einer lokalen Spannungskonzentration. Diese Belastung war in der ursprünglichen Konstruktion nicht ausreichend berücksichtigt worden.

Im ersten Entwicklungsschritt überarbeiteten wir deshalb die betroffene Lagerstelle. Dabei optimierten wir sowohl die Kraftübertragung als auch die geometrischen Übergänge innerhalb des Bauteils. Ziel war es, Spannungsspitzen zu reduzieren und die auftretenden Kräfte gleichmäßiger in die tragende Struktur der Zange einzuleiten.

Eine reine Verstärkung der bereits gebrochenen Stelle wäre jedoch nicht ausreichend gewesen. Wird ein lokaler Schwachpunkt beseitigt, kann sich die Belastung auf einen anderen Bereich verlagern. Deshalb untersuchten wir zusätzlich, welche weiteren Versagensstellen nach der ersten Optimierung auftreten könnten.

FE-Analyse der überarbeiteten Konstruktion

Zur Beurteilung des gesamten Bauteils führten wir eine Finite-Elemente-Analyse durch. Dabei simulierten wir die auftretenden Kräfte und untersuchten die Spannungsverteilung sowie die Verformung der überarbeiteten Konstruktion.

Die Analyse zeigte uns, an welchen Stellen unter hoher Belastung weitere Spannungsspitzen entstehen können. Diese Bereiche wurden anschließend konstruktiv angepasst und in mehreren Entwicklungsschleifen erneut bewertet.

Besonderheiten additiv gefertigter Bauteile

Bei 3D-gedruckten Bauteilen muss berücksichtigt werden, dass sich das reale Materialverhalten von einem klassischen, homogenen Werkstoffmodell unterscheiden kann. Vereinfachte FE-Modelle gehen häufig von einem isotropen Material aus, dessen Eigenschaften in allen Raumrichtungen gleich sind.

Ein additiv gefertigtes Bauteil besitzt jedoch abhängig von Druckorientierung, Schichtaufbau, Geometrie und Prozessparametern unterschiedliche Festigkeiten. Insbesondere die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten kann dazu führen, dass das reale Bauteil bereits versagt, bevor der in der Simulation berechnete kritische Lastfall erreicht wird.

Die numerischen Ergebnisse mussten deshalb durch physische Belastungsversuche ergänzt und validiert werden.

Gezielte Bruchtests mit gedruckten Prototypen

Für die praktische Überprüfung fertigten wir eine Variante der Zange bewusst aus einem schwächeren Material. Dadurch konnten wir das Bauteil unter kontrollierten Bedingungen bis zum Versagen belasten, ohne bereits den finalen Hochleistungswerkstoff einzusetzen.

Anschließend verglichen wir die tatsächlichen Bruchstellen mit den kritischen Bereichen aus der FE-Analyse. Entscheidend war dabei nicht nur, ob die Zange brach, sondern auch, ob die Belastung tatsächlich bis zu den vorhergesagten Stellen übertragen werden konnte.

Wäre der gedruckte Prototyp aufgrund seiner Schichtstruktur bereits an einer anderen Stelle gebrochen, hätten die Ergebnisse der Simulation das reale Bauteilverhalten nur eingeschränkt dargestellt. Durch mehrere Test- und Optimierungsschleifen konnten wir den Kraftfluss, die Geometrie und das tatsächliche Versagensverhalten schrittweise aufeinander abstimmen.

Erst nachdem Simulation und physischer Belastungstest vergleichbare Ergebnisse zeigten, wurde das finale Design freigegeben.

Drei Werkstoffe für unterschiedliche Anforderungen

Die finale Zange besteht aus einem aufeinander abgestimmten Drei-Material-Verbund. Statt das gesamte Bauteil aus einem einzigen Werkstoff herzustellen, wurde jeder Bereich entsprechend seiner tatsächlichen Funktion ausgelegt.

Die tragende Grundstruktur wird aus PPA-CF gefertigt. Der carbonfaserverstärkte Hochleistungswerkstoff bietet eine hohe Steifigkeit und Festigkeit und eignet sich dadurch besonders für die mechanisch stark belasteten Bereiche der Zange.

An der Lagerstelle kommt eine separate Hülse aus unverstärktem PA12 zum Einsatz. Während PPA-CF für die tragende Struktur ideal ist, besitzt reines PA12 bessere Gleit- und Reibungseigenschaften. Die Hülse ermöglicht dadurch eine gleichmäßigere Bewegung und reduziert den direkten Verschleiß an der Lagerung.

Ein dritter, funktionsspezifisch ausgewählter Werkstoff ergänzt den Aufbau dort, wo ein anderes mechanisches Verhalten erforderlich ist. So entstand ein mehrteiliges System, bei dem jeder Werkstoff gezielt nach seinen jeweiligen Stärken eingesetzt wird.

3D-Druck als Entwicklungs- und Validierungswerkzeug

Das Projekt zeigt, dass 3D-Druck weit mehr als ein Verfahren zur Rekonstruktion oder Herstellung fertiger Ersatzteile ist. Die Technologie ermöglichte uns, unterschiedliche Geometrien schnell zu fertigen, reale Bruchbilder zu erzeugen und die Ergebnisse der FE-Analyse direkt am physischen Bauteil zu überprüfen.

Durch die Kombination aus Bruchanalyse, CAD-Optimierung, Simulation, additiv gefertigten Versuchsbauteilen und einem anwendungsspezifischen Materialkonzept entstand eine robuste Spezialzange, deren Konstruktion nicht nur rechnerisch optimiert, sondern auch praktisch validiert wurde.