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?
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG5
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
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG7
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.
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Funktionsprinzip additiver Verfahren
Warum mit «Additive Manufacturing»?
� Charakterisierung
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG9
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
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Warum überhaupt «additiv»?
� Keine Hinterschnitte � Die Bauteilkomplexität spielt kaum eine Rolle
«Complexity for free»
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Warum überhaupt «additiv»?
� 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, …
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG12
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) ↓↓↓↓
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG13
Was heisst Leichtbau
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:
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG14
Was heisst Leichtbau
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.
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Struktur-Optimierung
Sy (z) ↓↓↓↓
Iy ↑↑↑↑
Sy (z) ↓↓↓↓
� 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
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG16
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.
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG17
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.
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG18
Struktur-Optimierung mit Additiven Verfahren
� Nur Verwendung von Gitter– Wenn alleine die Gewichtsreduktion massgebend ist.
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG19
Struktur-Optimierung mit Additiven Verfahren
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
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG20
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!
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG21
Simulation solcher Strukturen
- Sehr feine FEM-Elemente - Lange Rechenzeiten
� Die strukturellen Freiheitsgrade von AM-Verfahrenbieten weitere Möglichkeiten
– Topologieoptimierung mit TopShape
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG22
Struktur-Optimierung mit Additiven Verfahren
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.
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG23
Struktur-Optimierung mit Additiven Verfahren
Inspire - irpd
Umsetzung unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren
� Topologie-Optimierung am Beispiel Fahrrad-Vorbau
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG24
Struktur-Optimierung mit Additiven Verfahren
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
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG25
Funktionsintegration
Serie of reflektor Halter
Reflektor Halter (Fa. MTS)
� Komplexe Bauteile – Einteilteile & Kleinserien
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG26
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
Spierings, Adriaan © 01/2012 inspire AG27
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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