New improvement opportunities through applying topology optimization combined with 3D printing to the construction of gearbox housings

Abstract

The construction of gearbox housings is severely restricted by all the currently used machining processes. 3D metal printing opens up new possibilities in this area. However, a clear additional benefit compared to the standard cast housing must be given, in order to make additive manufacturing viable. The objective of the present project was to research both the potential and restrictions of additive manufacturing technologies regarding the design of gearbox housings. As a result of this investigation, a topology optimized lightweight gearbox housing with integrated oil channels and scraper was obtained. The topology optimization process of the new gearbox was carried out in two work steps. The first consisted of the determination and design of the primary load-bearing structure of the housing. Therefore, an iterative design process was needed in order to develop the final support structure, because the topology optimization only provides a design draft of the framework structure. Concerning the iteration, an FEM analysis was performed to check and improve the draft after each loop. During the evaluation, safety and weight were compared with the previous version. During the second step of the topology optimization, the structure of all the oil channels was developed, creating a morphological box. Finally, the new gearbox housing was generated by combining the topology optimization with the concepts from the morphological box. Selective Laser Melting (SLM) was chosen for manufacturing because it allows the printing of components of the desired dimension with the required accuracy. The developed gearbox prototype was printed using the aluminum alloy AlSi10Mg (A360). Due to the flexibility of the SLM technology, it was possible to fulfill all specific design criteria while also showing the typical topology-optimized structure too. Afterwards, the housing was machined to achieve precise dimensions and tolerances. Finally, the gearbox was assembled, and both its mechanical integrity and the functionality of the integrated oil systems were fully checked with short-term tests.

Zusammenfassung

Die Auslegung eines Getriebegehäuses wird durch die verwendeten Fertigungsprozesse stark eingeschränkt. In dieser Hinsicht ergibt die additive Fertigung mit metallischen Werkstoffen neue Möglichkeiten. Allerdings muss ein eindeutiger Mehrwert gegenüber dem Standardgussgehäuse gegeben sein, damit die Additive Fertigung sich als geeignet zeigt. Ziel des vorliegenden Projektes war, sowohl das Potenzial als auch die Einschränkungen der verschiedenen additiven Fertigungstechnologien hinsichtlich des Designs eines Getriebegehäuses zu untersuchen. Als Ergebnis dieser Erforschung wurde ein leichtes Getriebegehäuse mit integrierten Ölkanälen und Abstreifer entwickelt. Die Durchführung einer Topologieoptimierung des neuen Getriebegehäuses wurde in zwei Arbeitsschritte aufgeteilt. Während des ersten Arbeitsschrittes wurde die ursprüngliche tragende Struktur des Gehäuses bestimmt und gestaltet. Hierbei war ein iterativer Entwicklungsprozess erforderlich, um die endgültige Tragstruktur zu entwickeln, da die Topologieoptimierung nur einen Entwurf bzw. Vorschlag der endgültigen Rahmenstruktur bereitstellt. Am Ende jeder Iterationsschleife wurde eine FEM-Analyse durchgeführt, um den Entwurf zu überprüfen und zu verbessern. Bei der Bewertung wurden vor allem die Steifigkeit und das Gewicht der Vorgänger- und Neuversion verglichen. Im zweiten Schritt wurden Ölkanäle in der topologieoptimierten Struktur mit Hilfe eines morphologischen Kastens integriert. Anschließend wurde aus der Kombination der Topologieoptimierung mit den Konzepten aus dem morphologischen Kasten das neue Getriebegehäuse generiert. Das Selective Laser Melting (SLM) wurde für die Herstellung des Gehäuses deshalb ausgewählt, weil damit Bauteile mit der erforderlichen Genauigkeit im benötigten Bauraum gedruckt werden können. Der entwickelte Getriebeprototyp wurde in der Aluminiumlegierung AlSi10Mg (A360) gedruckt. Durch die Flexibilität der SLM-Technologie konnten alle spezifischen Designkriterien erfüllt werden. Dabei wurde auch die typische, topologieoptimierte Struktur akkurat dargestellt. Anschließend wurde das Gehäuse spanend endbearbeitet, um genaue Abmessungen sowie Toleranzen zu erreichen. Im letzten Schritt wurde das Getriebe montiert, um sowohl die mechanische Integrität als auch die Funktionalität der integrierten Ölsysteme zu testen.