Simulation Topologieoptimierung beim Pulverbettverfahren: Innovative Brandbekämpfung

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Topologieoptimierung unter der Lupe: Um schwer zugängliche Brände zu löschen, hat die Synex Tech GmbH ein neuartiges Bohrlöschgerät entwickelt, in dem einige additiv gefertigte Komponenten verbaut sind. Die Topologie der Bauteile wurde mit der Software Altair Inspire optimiert und gezielt für den seriengerechten 3D-Druck ausgelegt.

Bei der Brandbekämpfung zählt jede Sekunde, um Leben zu retten oder ein Gebäude vor größerem Brandschaden zu bewahren. Insbesondere Dachstuhlbrände stellen die Feuerwehr dabei vor besondere Herausforderungen, da der Brandherd von außen nicht direkt erreicht werden kann – und das Löschen von innen durch die massive Hitze- und Rauchentwicklung erschwert oder gar unmöglich gemacht wird. Um zum Brandherd zu dringen, muss das Dach oft mit großer Gewalt, wie zum Beispiel mit Axt und Kettensäge, geöffnet werden. Diese Vorgehensweise kostet wertvolle Zeit und ist für die Feuerwehrleute oftmals gar nicht möglich.

Topologieoptimierung für die zündende Lösch-Idee

Vor einigen Jahren stand der Feuerwehrmann und Maschinenbaustudent Lukas Traxl selbst bei einem Einsatz vor diesem Problem und musste erleben, wie ein Wohnhaus abbrannte. Wie häufig bei Dachstuhlbränden konnte das Löschwasser nur schwer zielgerichtet eingesetzt werden, in vielen Fällen führen die großen Wassermengen dann zudem zu Sekundärschäden.

Für den Maschinenbaustudenten stellte sich die Herausforderung, ein Löschsystem zu entwickeln, mit dem sich ein solcher Brand besser und effizienter bekämpfen lässt – schneller, mit weniger Aufwand, weniger Personaleinsatz und mit geringerem Sicherheitsrisiko.

Traxl entwickelte zuerst ein Bohrlöschgerät auf Hochdruckbasis und fand für die Produktentwicklung eines Niederdrucksystems den perfekten Partner: die Synex Tech GmbH. Das auf Neuentwicklungen spezialisierte Unternehmen mit Sitz in Bad Goisern, Österreich, entwickelt für seine weltweiten Kunden innovative Produkte, insbesondere Sondermaschinen.

Feuer und Flamme für revolutionäre Brandbekämpfung

Schnell erkannte man bei Synex das Potenzial der Erfindung und entschied sich für eine Weiterentwicklung und Optimierung des innovativen Löschgerätes, mit dem Ziel, es zur Marktreife zu führen. Innerhalb weniger Jahre entwickelte das Unternehmen gemeinsam mit Traxl unter dem Namen Drill-X das erste Löschgerät der Welt, das Bohren und Löschen kombiniert. Ein Alleinstellungsmerkmal des Drill-X ist die integrierte Wasserturbine. Mit ihr lässt sich die hydraulische Energie des Löschwassers nutzen, um durch das Dach zu bohren. Das wassergetriebene Löschgerät kann mit gängigen Niederdruckpumpen betrieben werden und ist mit bestehender Ausrüstung kompatibel. Der revolutionäre Antrieb und die innovative Bohrtechnik ermöglichen es, innerhalb weniger Sekunden zum Brandherd vorzudringen.

Bereits in einem frühen Entwicklungsstadium hatte das Projektteam für einige Komponenten die additive Fertigung im Blick, um deren komplexe Geometrien in der Fertigung umsetzen zu können. Im Zuge der Entwicklung entstand dabei eine enge Zusammenarbeit mit dem Unternehmen M&H CNC Technik, das als Spezialist für additive Fertigung das Design und den Herstellungsprozess des Geräts optimierte und die benötigten Komponenten fertigte.

Herausforderung 3D Druck

Zu den additiv gefertigten Hauptkomponenten des Drill-X gehören der Leitapparat, der den hydraulischen Impuls für die Turbine erzeugt, der Bohrträger und der spezielle Bohrkopf, der sich an der Spitze des Löschgerätes befindet und es ermöglicht, ein Loch in jede beliebige Oberfläche zu bohren. Ein weiteres Bauteil ist eine hochkomplexe Trägerkomponente, welche als zentrales Bauteil alle Komponenten verbindet und die Steuerfunktionen des Systems übernimmt.

Die Trägerkomponente war zwar von Anfang an für den 3D-Druck konzipiert, zeigte jedoch weiteres Optimierungspotenzial für die additive Fertigung im Pulverbettverfahren. Dieses Druckverfahren ist eine der besten Methoden, um Leichtbaustrukturen zu schaffen, führt aber aufgrund der notwendigen Stützstrukturen oft zu großen Druckvolumina. Dies bringt nicht nur einen erhöhten Material- und Zeitaufwand für jeden einzelnen Druckauftrag mit sich, sondern hat auch einen immens hohen Nachbearbeitungsaufwand für das manuelle Entfernen der Stützstrukturen zur Folge.

Um alle Fertigungsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig Materialverbrauch, Druckzeit und Nachbearbeitungsaufwand zu reduzieren, musste Synex das Bauteil für den 3D-Druck optimieren. Dabei wurde außerdem versucht, das Bauteil so leicht wie möglich zu gestalten, um die Handhabung durch die Einsatzkräfte zu vereinfachen.

Hilfe durch Topologieoptimierung

Um diese Herausforderung zu meistern, wandte sich Synex an M&H CNC Technik, die gemeinsam mit Altair die Topologie des Bauteils durch den Einsatz von Altair Inspire optimierten. Ein Ziel für M&H war es dabei, die Anzahl der Stützstrukturen zu reduzieren, um den Nachbearbeitungsaufwand so gering wie möglich zu halten.

Mit dem Inspire Werkzeug konnten die Experten des Teams schnell den zur Verfügung stehenden Bauraum definieren und alle Optimierungsparameter, wie Optimierungsziele, Spannungsrandbedingungen, Belastungs- und Verschiebungsbeschränkungen, Beschleunigung und Schwerkraft, hinzuzufügen. Vor allem aber ermöglichte Inspire M&H die Berücksichtigung von Fertigungsrandbedingungen, wie zum Beispiel der 45-Grad-Regel für den Metall-Druck, nach der ab einem Neigungswinkel unter 45 Grad Stützstrukturen notwendig sind. Mit Inspire war M&H in der Lage, die ideale Position des Bauteils auf der Bauplatte zu definieren, die für die Anzahl der Stützstrukturen, das Gesamt-Konstruktionsvolumen und die nachgelagerten Produktionsschritte entscheidend ist. Mithilfe des Tools entwickelte das Team ein Design, bei dem die meisten Streben einen größeren Winkel als 45 Grad erreichten, was die Anzahl der erforderlichen Stützstrukturen deutlich reduzierte.

„Altair Inspire ermöglichte es uns, die Fertigungsrandbedingungen bereits bei der Optimierung zu berücksichtigen und die Bauteile so gezielt für den 3D-Druck auszulegen. Damit waren wir in der Lage, die Vorteile der additiven Fertigung optimal zu nutzen“, sagte Philipp Schwemberger, Leiter Additive Manufacturing bei M&H CNC Technik.

Hydraulisch optimiert und seriengerecht konstruiert

Insgesamt ermöglichte Inspire Synex ein Trägerdesign, für das erheblich weniger Stützstrukturen notwendig waren, und reduzierte so das Bauvolumen um 45 Prozent. Durch das kleinere Bauvolumen konnte Synex sowohl die Bauzeit als auch die manuell nachzubearbeitenden Bereiche mit Stützstrukturen um mehr als 50 Prozent verringern. Die optimierte Baurichtung bot auch die Möglichkeit, das Bauteil bereits vor der Entfernung der Stützstrukturen weiter mechanisch zu bearbeiten, was viel Zeit für die nachfolgende CNC-Bearbeitung der verschiedenen Bereiche des Bauteils einsparte. 

Die Topologieoptimierung mit Altair verbesserte auch die Steifigkeit der Komponenten und ermöglichte die Serienfertigung der Konstruktion. Synex hat sich mit der simulationsgetriebenen Entwicklung die Vorteile der additiven Fertigung in vollem Umfang erschlossen. So wurde auch der hydraulische Widerstand um 270 Prozent im Vergleich zu einem konventionell gefertigten Trägerteil reduziert, was die beeindruckende Löschleistung des kompakten Geräts, mit einem Wassereintrag von bis zu 800 Liter pro Minute, ermöglicht. Dadurch ermöglicht Drill-X eine noch nie dagewesene Effektivität und Schlagkraft in der Brandbekämpfung.

Der Autor Thomas Vorberg ist Vice President Technical Operations – EMEA bei Altair.