Funktionsintegration und Leichtbau mit Additive Manufacturing

Funktionsintegration und Leichtbau

mit Additive Manufacturing

A.B. Spierings

Manager R&D SLMInspire AG – institute for rapid product development irpd St. Gallen, Switzerland

5. September 2013

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Agenda

� Einführung– Who’s inspire?

– Inspire – institute for rapid product development irpd

� Additive Fertigungsverfahren– Warum überhaupt «additiv»

– Complexity for free

� Was heisst «Leichtbau»?– Anforderungen und Grundprinzipien

– Strukturoptimierung mit additiven Fertigungsverfahren

– Funktionsintegration

Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG2

inspire irpd - Ein Gemeinschaftsprojekt mit der FH St.Gallen

Wer ist inspire?

INSPIRE

inspire ist ein hochschulnahes Kompetenz-zentrum für die Schweizer Maschinenindustrie.

Es betreibt Forschung für die Industrie und löstProbleme in allen Wissensgebieten.Methoden, Prozesse und Technologien –inspire macht sie anwendungsreif.

Strategischer Partner der ETHZ

inspire ist eine gemeinsame Initiative von Swissmem, der Eidg. TechnischenHochschule Zürich (ETH) und des Bundesamtes für Berufsbildung und Technologie (BBT).

www.inspire.ch

4Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG

Aktivitätsfelder- Prozess- und Maschinenentwicklung: Schleifen,

Fräsen, Schneiden, EDM, …- Additive Fertigungstechnologien, v.a. SLS, SLM- Laser- & Mikrofertigung- Komposite-Strukturen- Materialwissenschaften / Materialanalyse- Sustainability von Fertigungsprozessen- Simulation- Virtual reality- …

ETH Zürich, Headquaters

Technopark Zürich

Empa St.Gallen

Wer ist inspire?


Empa St.Gallen & irpd

SLM labSLS-P760

SLS-lab

Inspire - irpd

RE- and Analyse lab

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Kernkompetenzen inspire – irpd

Kernkompetenzen

Selective Laser Melting / Selective Laser Sintering, 3D-Printing (3DP)

Rapid Prototyping

Additive Manufacturing

- Serien- Vor-Serien-

Medical Manufacturing

- Implantate- Instrumente

Prozess- und Materialentwicklung

- Kunststoffe- Metalle

Reverse Engineering

- 3D scanning

Was heisst «additiv»?� Schichtweise Herstellung von Bauteilen

– Ausgangsmaterial Verfahren– Fluide 3D Printing

Photopolymere

– Pulver Selective Laser Sintering / Melting (SLS, SLM)Kunststoffe und Metalle


Funktionsprinzip additiver Verfahren

SLS- / SLM Prinzip

Was heisst «additiv»?

– Ausgangsmaterial Verfahren

– Drähte Fused Deposition Modeling (FDM)

v.a. Kunststoffe

– Bleche, … Layer Object Modeling (LOM)Kunststoffe

Metalle

Holz u.v.m.


Funktionsprinzip additiver Verfahren

Warum mit «Additive Manufacturing»?

� Charakterisierung


Geeignet für Produktion ab Stückzahl «1» bis 100 / 1000 / 5000 Stück (Bauteilgrössen-abhängig)

Nicht für grosse Serien geeignet

Werkzeuglos Prozess-spezifische Materialien– im Gegensatz zu vielen konventionellen, abtragenden Fertigungsverfahren

Geeignet für komplexeste Geometrien

Limitierte Materialauswahl

Jedes Bauteil kann kundenspezifisch sein (Teile-Nummerierung, …)

Ev. zus. Finish-Aufwand notwendig

Warum überhaupt «additiv»?

Warum mit «Additive Manufacturing»?

� Charakterisierung– Materialien: fit for industry

– Kunststoffe, Metalle, Keramiken � prozess-spezifisch



� Keine Hinterschnitte � Die Bauteilkomplexität spielt kaum eine Rolle

«Complexity for free»



� Anforderungen an Leichtbau-Strukturen– Ausreichende Festigkeit unter den gegebenen Lasten

– Kein Versagen

– Maximale Steifigkeit– Geringe Verformung

– Minimales Gewicht– Reduktion Materialaufwand

– Reduktion Beschleunigungskräfte / -Energie

– Höhere Eigenfrequezen, …


Was heisst Leichtbau

� Wie macht man Leichtbau?– Das Material dort platzieren, wo es aus technischer Sicht gebraucht wird.

� Auslegung von Leichtbau-Strukturen

– Festigkeit Möglichkeiten

– Zug- / Druckspannungen �� Iy ↑↑↑↑

– Schubspannung �� Iy ↑↑↑↑, Sy(z) ↓↓↓↓



Vergleichsspannung nach von Mises

� Wie macht man Leichtbau?– Das Material dort platzieren, wo es aus technischer Sicht gebraucht wird.

� Auslegung von Leichtbau-Strukturen

– Steifigkeit Möglichkeiten

– Durchbiegung / Biegelinie E ↑↑↑↑, Iy ↑↑↑↑

– Gewicht– Masse reduzieren - bei gegenläufige Anforderungen:



Iy ↑↑↑↑ Sy (z) ↓↓↓↓

�

� Struktur-Optimierung

Rohrquerschnitt Vollquerschnitt

� Strukturoptimierung– Es ist relevant,

wie eine Strukturaussieht

– Grundsätzlich gilt– Masse weit weg von der Neutralachse positionieren

� Hohe Steifigkeit, da

� Geringere Schubspannungen, da

Der Doppel-T-Träger ist bestes Beispiel:- Planken: � hohe Steifigkeit & Festigkeit- Steg: � Überträgt nur Schubspannungen und

sorgt dafür, dass die Planken dort bleiben wo sie sind.


Struktur-Optimierung

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� Bedeutung im Kontext additiver Verfahren?

– Der Doppel-T-Träger ist ein einfaches Beispiel, mit2-dimensionalem Querschnitt

– Einfach konventionell herstellbar

– Die Übertragung des Konzeptes auf 3 Dimensionen ist schwieriger …

– Da komplexere Struktur

– Im einfachsten Fall kann man sich ein 3D-Fachwerk vorstellen


Struktur-Optimierung

� Für Funktionsbauteile eignen sich additive Verfahrenbestens!– Hohe Komplexität ist einfach realisierbar

� Konzept des «3-dimensionaler Doppel-T-Träger»

� Umsetzung: Gitterstruktur mit Aussenhaut– Die Aussenhaut übernimmt die Rolle der Planken

– Übernahme der tragenden Funktion

– Das Gitter im Inneren überträgt nur Schubspannungen und sorgt dafür, dass die Ausssenhaut dort bleibt wo sie ist.


Struktur-Optimierung mit Additiven Verfahren

� Umsetzung: Gitterstruktur mit Aussenhaut– Die Aussenhaut übernimmt die Rolle der Planken

– Übernahme der tragenden Funktion

– Das Gitter im Inneren überträgt nur Schubspannungen und sorgt dafür, dass die Ausssenhaut dort bleibt wo sie ist.

– Das entsprichtder Funktions-weise vonSandwich-Strukturen.



� Nur Verwendung von Gitter– Wenn alleine die Gewichtsreduktion massgebend ist.



Gitter mit Aussenhautauf 2 Seiten

(Steifigkeit ↑)

Gitter mit Aussenhautauf 2 Seiten(Gewicht ↓)

� Solche Strukturen und Bauteile sollten «simulativ»behandelt werden können.

Möglichkeiten

A. Gitter als geeignetes Kontiuum betrachten– Ersatz E-Modul

– Ersatz G-Modul

– Ersatz Festigkeiten


Simulation solcher Strukturen

Für jeden Gittertyp, Element-Grösse, Stegdurchmesser etc. müssen die Ersatz-Eigenschaften experimentell bestimmt werden.

�Sehr aufwändig & teuer.

≈

� Solche Strukturen sollten «simulativ» behandelt werdenkönnen.

Möglichkeiten

B. Simulation der realen Struktur

� Neue Methoden sind hier gefragt!


Simulation solcher Strukturen

- Sehr feine FEM-Elemente - Lange Rechenzeiten

� Die strukturellen Freiheitsgrade von AM-Verfahrenbieten weitere Möglichkeiten

– Topologieoptimierung mit TopShape



http://de.wikipedia.org/wiki/TopShape

TopShape-Designvorschlag

Umsetzung unter Berücksichtigung konventioneller

Fertigungsmethoden

� Die strukturellen Freiheitsgrade von AM-Verfahrenbieten weitere Möglichkeiten

– Topologieoptimierung mit TopShape… ohne daraus wieder Ingenieur-Strukturen zu machen.



Inspire - irpd

Umsetzung unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren

� Topologie-Optimierung am Beispiel Fahrrad-Vorbau



CADFEM – FE Design

Vorbild Natur

Konventionelle Bauweise

TopologieoptimiertDesign geglättet und direkt in Edelstahl (1.4542) additiv gefertigt

� Die Freiheitsgrade additiver Fertigungsverfahrenermöglcihen die Integration weiterer Funktionen in dasBauteil.– Interne Kanäle

– Bohrungen / Durchführungen

– Hohlräume / Hinterschnitte

– Teile-Bezeichnungen

– Montage-Vorrichtungen etc.

– …

– … Fertigung von Kleinserien komplexester Bauteile ab Stückzahl 1


Funktionsintegration

Serie of reflektor Halter

Reflektor Halter (Fa. MTS)

� Komplexe Bauteile – Einteilteile & Kleinserien


Verschiedene Funktionsbauteile für Maschinenanwendungen. Kleinserievon 50 Stück pro Geometrie.

Anwendungs-spezifischeüsensysteme, Kleinserie.

Medizinaltechnische Instrumente Turbinenrad, IN-718

Beispiele bei inspire-irpd

Serien-Bauteil mit hoher Funktions-integration (Flüssigkeitskanäle, Anschlussnippel, Elektro-Halterungen,u.a.

Quelle: inspire-irpd

Besten Dank für die Aufmerksamkeit


Building of Empa St.Gallen

SLM lab, inspire-irpd

A.B. Spierings

Manager R&D SLMLerchenfeldstrasse 59014 St.Gallen

[email protected]+41 71 274 73 19

www.inspire.ethz.ch

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