Fachartikel

2.10.2018
erschienen in GIESSEREI Heft 10|2018

Motorradschwinge wird Casting of the Year

Bild 1: Die Schwinge für ein Cyclotron Motorrad ist aus dem Werkstoff A356-T6, entstand im Niederdrucksandgießverfahren und ist 6,4 kg schwer.

In diesem Jahr ist eine Motorradschwinge zum „Casting of the Year“ der American Foundry Society (AFS) gekürt worden. Das einzigartig geformte Bauteil verdeutlicht die Möglichkeiten und Potenziale aus dem Zusammenspiel von Additive Manufacturing, Simulation und innovativem Design.

VON SHANNON WETZEL, SCHAUMBURG, USA

Drei Wochen. Mehr Zeit stand Tooling Equipment International (TEI) nicht zur Verfügung, um eine Motorradschwinge zu entwerfen, zu gießen, zu putzen, Wärme zu behandeln, zu bearbeiten und zu prüfen. Diese Schwinge hat ein so außergewöhnlich komplexes Design, dass man sie eher für die Skulptur eines Spinnennetzes als für ein Fahrzeugteil halten könnte.

Als Prototypgießerei gehört es bei TEI mit Sitz in Livonia, Michigan, zum Alltagsgeschäft, innerhalb kürzester Zeit und unter Einsatz modernster Technik Gussteile zu fertigen, die immer wieder die Grenzen traditionellen Gussteildesigns erweitern. Das Unternehmen ging sehr akribisch vor, war aber gleichzeitig zuversichtlich, das Gussteil pünktlich zum vorgegebenen Liefertermin fertigzubekommen.

Andere waren da schon etwas pessimistischer. In der ersten Woche kommentierte ein Kunde bei einem zufälligen Besuch der Fertigungshalle die Arbeit eines TEI-Ingenieurs an der Form mit dem Worten: „Wie wollen Sie das jemals gießen!“

„Der Zeitrahmen, der uns vorgeben wurde, war extrem knapp und angesichts der Geometrie des Teils eine gewisse Herausforderung“, erzählt Oliver Johnson, Präsident von TEI. „Die Zeit reichte für maximal zwei Anläufe. Zum Glück brachte uns der erste Anlauf gleich ein gutes Stück voran.“

Die Schwinge ist für das Modell Lightning LS-218 bestimmt, das von Elektromotorrad-Hersteller Lightning Motorcycle aus San Carlos, USA, gebaut wird. Der 3-D-Software-Entwickler Autodesk beauftragte TEI, den Prototyp herzustellen, um damit den Nachweis für die Leistungsfähigkeit seines generativen Design-Konzeptes zu erbringen, das sich dadurch auszeichnet, dass es in der Lage ist, ein Design automatisch auf der Grundlage prozessspezifischer Parameter zu generieren.

Das filigrane aber dennoch robuste Bauteil ersetzt eine dreiteilige in ein Kastenprofil eingearbeitete Konstruktion. Das neue Design führte zu einer zehnprozentigen Gewichtseinsparung, bei gleichzeitiger Erhöhung der Dreh- und Biegesteifigkeit. Die organische Form vermittelt einen Eindruck vom Zukunftspotenzial des Metallgießens und den wachsenden Möglichkeiten, die sich aus additiven Fertigungsverfahren für die Industrie ergeben (Bild 1). Dies war letztlich mitentscheidend dafür, dass das Bauteil vom amerikanischen Gießereiverband AFS und der Zeitschrift Metal Casting Design & Purchasing zum „Casting of the Year 2018“ gekürt wurde.

Autodesk hatte bereits vor sechs Jahren an ersten Designentwürfen für das Lightning-Motorrad gearbeitet. Das Unternehmen sah in TEI den richtigen Gießereipartner, um diese Ideen in die Realität umzusetzen. „Wir hatten bereits vorher mit TEI zusammengearbeitet. Daher waren wir sicher, dass es möglich sein müsste, Teile mit noch komplexeren Geometrien zu fertigen“, erläutert Andreas Bastian, Leiter Forschung bei Autodesk. „Wir haben nur auf das richtige Projekt gewartet, um das auszuprobieren.“

Die größte Herausforderung im Anschluss an die Designphase war die Frage, wie die 3-D-gedruckte Sandform gereinigt werden kann. Beim Gießen mit im 3-D-Druck gefertigten Formen hat man es mit zwei Besonderheiten zu tun: Zunächst müssen der lose Sand entfernt und anschließend die Sandpakete zugelegt werden, führt Johnson weiter aus. Für die Motorradschwinge musste der lose, ungebundene Sand aus den winzigen Passagen zwischen den Aluminiumstreben entfernt werden. TEI arbeitet jedoch seit vielen Jahren mit diesem Medium und hat Erfahrung darin, sich immer neuen Herausforderungen zu stellen und Lösungen zu erarbeiten.

„Unser Ansatz ist möglicherweise etwas unkonventionell. Bei uns übernehmen klassische Formenbauer das Reinigen unseres 3-D-gedruckten Sandes“, teilt Ted Kahaian, Leiter Prozesstechnik bei TEI, mit. „Wir testen die Grenzen des Designs ständig weiter aus, probieren, was möglich ist, und sehen immer noch weiteres Potenzial. Mit unseren Designs steigen natürlich auch die Anforderungen an das Reinigen der Formen, was für die Formenbauer jedoch kein Problem darstellt. So können wir weiter innovativ sein.“

Um sicherzustellen, dass die Sandform komplett gereinigt ist, verwendete TEI ein kleines Endoskop, mit dem jede Passage der Form abgefahren wurde, unter häufigem Abgleich mit den 3-D-Design am Konstruktionsarbeitsplatz. TEI war sich bewusst, dass die Qualität des Sandes eine ganz entscheidende Rolle spielt. Daher gab das Unternehmen die Fertigung von zwei 3-D-gedruckten Formen bei Hoosier Pattern in Decatur, Indiana, USA, in Auftrag.

„Wir wussten, dass wir sehr guten, leicht putzbaren Sand brauchten“, so Johnson. Neben dem Reinigen der Form war die Bearbeitung des gegossenen Teils eine weitere Herausforderung. „Es mussten zwar nur drei Stellen bearbeitet werden, doch war das Teil sehr schwer zu fixieren und schwer zugänglich“, führt Johnson weiter aus. „Während wir die Form entwickelten und das Teil gossen, arbeiteten wir parallel an dem Entwurf und dem Bau einer Fixierung.“

Nichts geht ohne Simulationstechnik

TEI setzte Simulationstechnik ein, um den gesamten Fertigungsprozess der Schwinge, einschließlich der Bearbeitung, abzubilden. Für den Prototyp wurde der komplette Bearbeitungsprozess, einschließlich Schneidwerkzeugen und Fixierungen, in einer virtuellen Simulation abgebildet.

„Alles wurde simuliert, denn bei einem Projekt wie diesem darf einfach nichts schiefgehen“, bemerkt Johnson. Die Simulation hat sich ausgezahlt. Beide Formen produzierten gute Teile, das Putzen war erfolgreich und die gesamte Bearbeitung verlief völlig reibungslos. Vor und nach der Wärmebehandlung wurden die Teile mit CT-, Weißlicht- und Röntgenverfahren durchleuchtet und die Abmessungen überprüft. Danach waren die Teile bereit für die Auslieferung an den Kunden – innerhalb des gesetzten Zeitrahmens von nur drei Wochen.

„Einer der Gründe für diesen Erfolg ist sicherlich, dass TEI schon sehr früh damit begonnen hat, moderne Techniken, insbesondere Simulationstechniken, anzuwenden und strategisch einzusetzen“, kommentiert Bastian. „Es war schon phänomenal, welch eine gute Qualität gleich das erste gegossene Teil aufwies.“

Die Qualität der gegossenen Schwinge verleiht Autodesk neuen Schub, den Ansatz des generativen Designs nicht nur beim 3-D-Druck von Metallen sondern auch beim Gießen von Metallen anzuwenden.

Materialauswahl beim Metallgießen ist schier unendlich

„Im Zusammenhang mit dem 3-D-Druck von Metallen wird häufig besonders auf die exotischen Geometrien, die damit produziert werden können, hingewiesen. Wir wollten dagegen zeigen, dass auch das Metallgießen dazu geeignet ist, solche Geometrien herzustellen, vor allem, wenn es dabei um Teile geht, die größer als eine Butterbrotdose sind“, erläutert Bastian. „Die Materialauswahl beim Metallgießen ist im Vergleich zum Metalldrucken schier unendlich.“

Das sieht Kahaian genauso. Er prognostiziert dem Metallgießen eine große Zukunft angesichts der sich weiter und immer schneller verbreitenden Anwendung von additiven Fertigungsverfahren in der Industrie. „Der beim 3-D-Druck eingesetzte Sand ist ein preiswertes Material, mit dem wir bereits seit Hunderten von Jahren arbeiten. „Er ist unbegrenzt verfügbar. Er ist die Zukunft, und seine Einsatzmöglichkeiten sind praktisch grenzenlos.“

Die Motorradschwinge ist natürlich ein „Hingucker“. Doch Johnson ist überzeugt, dass die Strahlkraft dieses besonderen Teils auch die normale Fertigung erreicht. „In einem Fahrzeug aus Massenproduktion wird man wahrscheinlich kaum Teile wie diese Schwinge finden. Doch ist der Ansatz zur Designoptimierung auch dort einsetzbar“, führt er fort. „Auch mit konventioneller Technik lassen sich Optimierungen erzielen, die manchmal so subtil sind, dass man sie den betroffenen Teilen kaum ansieht.“

Der jährliche „Casting-of-the-Year“-Wettbewerb wird vom amerikanischen Gießereiverband AFS (American Foundry Society) und der Zeitschrift Metal Casting Design & Purchasing ausgelobt. Prämiert werden dabei besonders herausragende Leistungen beim Design von Gussteilen. An dem Wettbewerb können alle nordamerikanischen Metallgießereien und Designer bzw. Endverbraucher von Metallgussteilen teilnehmen. Alle Metalle, Gießverfahren, Einsatzfelder und Gussteilgrößen sind zugelassen.

Unabhängige Preisrichter beurteilen jeden eingereichten Beitrag nach folgenden Kriterien: 

  • Vorteile für den Gussteilnutzer. 
  • Ausnutzung der besonderen Fähigkeiten der eingesetzten Gießtechnik.  
  • Beitrag zum Wachstum und zur Erweiterung des Marktes für Gießereiprodukte.

Shannon Wetzel, Managing Editor, Modern Casting, Schaumburg, USA