ADDITIVE FERTIGUNGIN HOCHLEISTUNGSANWENDUNGFÜR … · 2019. 11. 22. · E-Modul [GPa] 70 70 110 Dichte [g/cm"] 2,67 2,67 4,41 Bruchdehnung [%] 6 13 14 AlSi10Mg Materialien für additive

© Fraunhofer EMI | 15. November 2019 | Konstantin Kappe | [email protected]

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Professional Motor Sport World Expo

15. November 2019

ADDITIVE FERTIGUNG IN HOCHLEISTUNGSANWENDUNG FÜRMETALLISCHE WERKSTOFFE

Konstantin Kappe, M.Sc.

Fraunhofer EMI, Freiburg

Projektmanager, Additive Design and Manufacturing


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Additive Fertigung in Hochleistungsanwendung für metallische werkstoffe

Agenda

nDie Fraunhofer Gesellschaft und das Fraunhofer EMI

nAdditive Fertigung mit Metallen

nNeue Möglichkeiten durch additive Fertigung

nQualitätssicherung

nProjektbeispiele


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Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik,Ernst-Mach-Institut, EMI

Defense Security Automotive Space Aviation

Fraunhofer EMI

n Erstklassige Forschungsdienstleistungen und Spitzentechnologie in unseren Geschäftsfeldern

n Lösungen für Sicherheit, Zuverlässigkeit und Resilienzn Kurzzeitdynamik in Experiment, Modellbildung

und Simulation aus einer Hand

Fraunhofer Gesellschaftn Anwendungsorientierte Forschung zum

unmittelbaren Nutzen für die Wirtschaft und zum Vorteil für die Gesellschaft

n 72 Institute und Forschungseinrichtungenn 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter


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Additive Design and Manufacturingam Fraunhofer EMI

Additive Design Quality AssuranceAdditive Manufacturing

n Neue Anwendungsfelder, Produktlösungen

n Multi- und interdisziplinäres Design

n Innovative Fügeverbindungen und Leichtbauweisen

n Strukturierung von Werkstoffen

n Entwicklung von Prozessparametern

n Werkstoffmechanische Bewertungsfähigkeit

Forschungsfelder

Übertrag in die Praxis


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3D-Druck Laborzentrum für Strukturwerkstoffe Im Neubau des Fraunhofer EMI am Standort Freiburg

3D-Druck von Strukturwerkstoffen:

n Metalle bis zu 400 x 400 x 400 mm! im Selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM/DMLS)

n Verbundwerkstoffe im Filamentschmelzverfahren (FFF) bis zu 330 x 250 x 200 mm³


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Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting - LBM)Funktionsprinzip


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Material für den metallischen 3D-Druck

SLM Prozess

AlSi10Mg SCALMALLOY® TiAl6V4

Elastizitätsgrenze [MPa] 230 470 1020

Zugfestigkeit [MPa] 370 520 1290

E-Modul [GPa] 70 70 110

Dichte [g/cm"] 2,67 2,67 4,41

Bruchdehnung [%] 6 13 14

AlSi10Mg

Materialien für additive Fertigung

Schwermetalle

Stähle

Titan (z.B. TiAl6V4)

Aluminium-legierungen

Nickel-legierungen

Scalmalloy®


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Zentrale Fragen in der anwendungsorientierten Forschung

Welche (neuen) Möglichkeiten ergeben sich durch die additive

Fertigung?

Funktionsgerechtes Design

DesignedMaterials

Funktionsintegration/ Hybrid-Bauweise

Wie kann man die Qualität in der additiven Fertigung prüfen und sicherstellen?

***


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Produktentwicklung für die additive FertigungFunktionsgerechtes Design

Anforderungen Struktur-optimierungRedesign & Reanalyse

ProzessKompensation Preprocessing

Welche Lasten treten auf?

n Mechanisch

n Thermomechanisch

n (Strömungsmechanisch)

Welche Randbedingungen treten auf?

n Funktionsflächen

n Symmetrie

n ….

Kraft, F

Lagerung

Z

X

Y


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Für welche Designvariablen (Gestalt)

erreicht die Zielfunktion (Steifigkeit,

Gewicht) ihr Optimum?

Was soll optimiert werden: Zielfunktion

Steifigkeit, Gewicht, Schwerpunkt, thermische Nachgiebigkeit...



StrukturoptimierungFunktionsgerechtes Design

Was kann optimiert werden: Designvariablen

• Materialverteilung im Designraum –Topologieoptimierung

• Parameter (z.B. Wandstärke) - Sizeoptimierung• Form - Shapeoptimierung

1

2

Gesuchte Lösung:


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DesignraumNicht-Designraum

StrukturoptimierungFunktionsgerechtes Design

Start-Design

Simulation

• Analyse des Designs• FEM• CFD• …

Optimierung

• Anpassung des Designs• Gradienten• Evolutionär• …

Ziel-Design




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Redesign und ReanalyseFunktionsgerechtes Design




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Additive Fertigung – Orientierung und Prozesssimulation

Prozesssimulation: Im Prozess

Prozesssimulation: Nach Fertigung

Orientierungsanalyse




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Weitere Beispiele für neue Möglichkeiten im DesignFunktionsintegration/ Hybrid-Bauweise

Kombination von Kohlenstoff-Verbundstoff mit 3D-gedruckten Metallen

Integration von Thermoelementen und Kühlkanälen

Integration von Dehnungsmessstreifen

Integration von Temperatursensoren

Integration eines Kühlersbei einer Optischen Bank


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Die richtigen Materialeigenschaften für die gewünschte Funktion Designed Materials

Design lokaler Materialeigenschaften

1,5 mm

200 µm

750µm

10 µm

Mesostrukturen

Geometrische Mikrostrukturierung


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MaterialcharakterisierungQualitätsicherung

n Materialprüfung bspw. über Zug-, Druck-, Torsionsversuche

n Werkstoffanalytik 3D-gedruckter Materialien

n Werkstoffgefügeuntersuchungen

n Porositätsanalysen

n Bestimmung von Eindringtiefen / Aushärtebreiten der Schmelzspuren

n Werkstoffcharakterisierung

n Bestimmung der Kristallorientierungen

EBSD-Analyse eines Stahls

Gefügeuntersuchung

Zugproben


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Qualitätssicherung mit fortschrittlichen BildgebungstechnologienQualitätsicherung

CT-Scan Technologie

Hochpräzises Scannen bis zu 15 micrometers:Bewertung sowohl der geometrischen Toleranzen als auch der Oberflächenrauheit

3D Scan von Bauteilen und Strukturen

Hochpräzises Scannen bis zu 500 nm


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Beispiele: Experimentelle BauteiluntersuchungQualitätsicherung

Vibrational verification

Shaker test Komponentencrashanlage

Bauteilzugversuch


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Forc

e [N

]

Distance [mm]

Absorbed Energy

Max. Force

Force Plateau

Leichtbau bei der Auslegung einer Crashkomponente mit additiver FertigungOptimierung eines Längsträger mit der Topologieoptimierung

Aufbau eines FE Models

Toplogie-optimierung Designergebnisse

Additive Fertigung

n Topologieoptimierung unter Einbezug von dynamischer Crashbelastung

n Fertigung und experimentelle Untersuchung auf Komponentencrashanlage

n Durch Integration von Gitterstrukturen konnte spezifische Energieabsorption um 277 % und die Lastgleichheit um 63 % erhöht.

Längsträger

Experiment


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Leichtbaudesign einer metallischen Strukturkomponente einer Flugzeugladeklappe

n numerischer Verfahren für die Strukturauslegung

n Sicherheitskritische, robuste Auslegung

n Nachhaltigkeitsbetrachtung anhand einer LCA und Ressourceneffizienzstudie

n Fertigung durch LBM auf EOS M400:

n Material: Aluminium

n Abmaße ca.: 35cm x 20cm x 18cm

Leichtbau höchstbelasteter 3D-Druck BauteileEntwicklung Technischer Prototyp im Flugzeugbau

Optimiertes Bauteil (CAD)

Flugzeugladeklappe (CAD)Topologieoptimierung Prozesssimulation Prototypenfertigung


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Satellitenhalterung für optische KomponentenDesignziele: n 1. Eigenfrequenz >150Hz

n Stabiles Design gegen Sinus- und Random Vibrationen

n Thermische Optimierung

n Strukturoptimierung

n Abmaße ca.: 30cm x 23cm x 10cm

Multidisziplinäre Designoptimierung eines SatellitenbauteilsThermische und mechanische Optimierung einer Optischen Baugruppe


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Studie zur additiven Fertigungsverfahren in der industriellen ProduktionÖkologische und ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwands

Integralträger

Dämpfergabel

DämpferFedergabel

Ziele

n Optimierung einer Fahrzeug Dämpfergabel

n Evaluierung der Additiven Fertigung von Kleinserien Fertigung bis zu einer Stückzahl von 10.000


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In Entwicklung: Serviceplattform für AM Designautomatisierung

Kunde

• Anforderungsspezifikation• Optimierungs Ziel

• (Konventionelles Design)

Additional services:

Multi-Material Optimierung

MultidisziplinäreStrukturoptimierung

Integration von energieabsorbierenden

Strukturen

…


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Fraunhofer Additive

Manufacturing Alliance

Sprecher: Dr.-Ing. Bernhard MuellerBüro: c/o Fraunhofer IWU, Nöthnitzer Straße 44,01187 Dresdenhttp://www.generativ.fraunhofer.de

3D-Druck bei der Fraunhofer Gesellschaft Ein Thema – Neunzehn Institute – Eine Allianz – Allianz Generativ

EngineeringEntwicklung von neuen Produktdesigns und geeigneten Prozessketten

MaterialsEntwicklung neuer Materialien

TechnologiesEntwicklung (kosten-)effizienter Prozesse

QualityKontrolle und Sicherstellung der Reproduzierbarkeit und Produktqualität

http://www.generativ.fraunhofer.de/


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Am Fortschritt partizipieren

CAD

Wir beraten Sie gerne…

Konstantin KappeFraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut Additive Design & ManufacturingTel: +49 (761) 2714 – [email protected]

www.emi.fraunhofer.de

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