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FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPERESSOURCENEFFIZIENTE MECHATRONISCHE VERARBEITUNGSMASCHINEN

Neue Ansätze zur Auslegung und Herstellung vonSandwichkomponenten durch die additive Fertigung

Stefan Teufelhart, Fabian Riß 1. Symposium lightweight SOLUTIONS Hannover27.11.2013

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Agenda

� Motivation und Ausgangssituation

� Auslegung und Herstellung von Sandwichkomponentendurch die additive Fertigung

� Adaption von Wabenkernen an eine beliebige Freiformfläche

� Belastungsgerechte Auslegung von Wabenkernen

� Funktionsintegration in Sandwichbauteile

� Zusammenfassung und Ausblick

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Motivation und Ausgangssituation

� Reduzierung bewegter Massen bedeutet

� Verringerung der Beschleunigungs-energie

� Erhöhung der Nutzlast

� Schonung knapper Ressourcen

� monetäre Einsparung

� Kombination von Werkstoff-, Form- und Funktionsleichtbau

� Verbundbauteil

� Deckschichten

� Kern

� Prinzip des Doppel-T-Trägers

� Honigwabenkerne sind aufgrund der Struktur höher belastbar als homogene Kerne

Nachhaltiger Umgang mit Ressourcen durch Leichtbau

Leichtbau Sandwichbauteile mit Wabenkernen

Quellen: Henning, Klein, ConceptLaser , atzonline, DLR

Obere Deckschicht

Kern

Untere Deckschicht

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Motivation und Ausgangssituation

Konventionelle Sandwichbauweise

Quelle: Klein

� Verwendung zusätzlicher Bauteile

� weitere Arbeitsschritte notwendig

� Krafteinleitung nicht kraftflussangepasst

� Leichtbaupotenzial unzureichend ausgenutzt

Integration von Funktionselementen

Geforderte Krümmung

Resultierende Krümmung

10 cm 5 cm

Wabenkern

Anpassung an gekrümmte Bauteiloberfläche bzw. Belastung nur eingeschränkt möglich

� Eingeschränkte Verformbarkeit

� Keine Variation des Materialfüllgrads

� Leichtbaupotenzial kann nicht optimal ausgenutzt werden

Honig-wabe

Einbett-masse

Insert

5 cmEpoxid-Harz

� Lösungsansatz: Verwendung additiver Fertigungsverfahren zur Herstellung von Wabenkernen für Sandwichbauteile

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Motivation und Ausgangssituation

Prozessablauf additiver Fertigungsverfahren

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Eigenschaften additiver Fertigungsverfahren

� Verarbeitbare Materialien

� Sand

� Kunststoffe

� VerschiedeneMetalle

� Möglichkeiten beim Bauteildesign

� Hohe geometrische Komplexität

� Wirtschaftliche Verarbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe

� Ökonomische Fertigung kleiner Losgrößen und von Einzelteilen

Beispielhafte Anwendungsfelder

� Formenbau � Medizintechnik � Anlagenbau

� Konsumgüteridustrie � Automobilbau � Luft- und Raumfahrt

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Motivation und Ausgangssituation

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Methodik zur Auslegung und additiven Fertigung von S andwichbauteilen

Design von Sandwichbauteilen mit Wabenkernen für di e additive Fertigung

Methode zur belastungsgerechten Anpassung von Wabens trukturen, gradierte Strukturübergänge mit dem Ziel homogene

Materialspannungen im Bauteil

Belastungs-gerechte

Anpassung

Ausgangs-bedingungen

Ausgangsgeometrie, Lasten, Schnittstellenbereiche, Materialmodelle

Fertigung des Bauteils

Großvolumige Bauteile werden in Einzelkomponenten ge fertigt und anschließend zusammengefügt

Methode zur Anpassung der Wabenstruktur an beliebige Freiformfläche, Wabenstruktur steht senkrecht zu Deckfläche

Anpassung an Freiformfläche

Integration von Funktionen

Einzelne Methoden zur Integration vonFunktion werden zur Verfügung gestellt

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Methode 1: ISO-parametrische Kurven

� Ziel: Jede Wabenwand steht senkrecht zu den parallelen Deckschichten

� Vorgehensweise

� Durch die Adaption der Wabenstruktur an die Freiformfläche resultiert eine verzerrte Wabenstruktur

Adaption einer Wabenstruktur an eine beliebige Freiformfläche

Freiformfläche Einlesen aus

CAD-Datensatz

Mittelpunkte der Waben berechnen durch

Laufvariablen (u, v) entlang der Krümmung

Generieren von Sechsecken auf der

Freiformfläche

Extrudieren der Skizze entlang des Normalen Vektor der Mittelpunkte

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Methode 2: „Kreis schneidet Fläche“

� Ziel: Jede Wabenwand steht senkrecht zu den parallelen Deckschichten

� Vorgehensweise

� Gleichmäßige hexagonale Wabenstrukturen mit krümmungsabhängigen Wabenwanddicken

Adaption einer Wabenstruktur an eine beliebige Freiformfläche

Freiformfläche Einlesen aus

CAD-Datensatz

Mittelpunkte der Waben berechnen durch

Schnittpunkt Kreis und Freiformfläche

Generieren von Sechsecken auf der

Freiformfläche

Extrudieren der Skizze entlang des Normalen Vektor der Mittelpunkte

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Belastungsgerechte Auslegung durch Variation des Materialfüllgrad

� Ziel: Homogene Spannungsverteilung im gesamten Bauteil

� Vorgehensweise:

� Identifikation der Spannungen durch FE-Methode

� Variation der Wabenwandstärke in Abhängigkeit der Bauteilspannungen

� Iterierender Optimierungsvorgang

� Bestmögliche Ausnutzung der Materialeigenschaften

Anpassung der Wabenwandstärke

Bauteilspannungen

Wneu=W0 ± K(Spannung)

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Anpassung des Wabendurchmessers

� Ziel: Homogener Spannungsverlauf im Bauteil

� Anpassung des Wabendurchmessers an Spannungsverlauf möglich durch:

� Verwendung nur von vielfachen eines Durchmessers (z.B. 2 mm)

� Integration von zusätzlichen Elementen (z.B. Dreiecke, Fünfecke)

� Vorteil: Homogenerer Spannungsverlauf als bei reiner Variation der Wandstärke

� Nachteil:

� Maximal ertragbare Last ist geringer als bei Variation der Wandstärke

� Gewichtserhöhung

Belastungsgerechte Auslegung durch Variation des Materialfüllgrad

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Integration von Funktionen

� Funktionselemente (z. B. Gewinde) können direkt integriert werden

� Kein zusätzliches Einkleben von Inserts

� Gewinde kann bereits mit gefertigt werden

� Reduzierung von Montageschritten

� Kraftflussgerechte Implementierung

� Keine Materialanhäufung am Funktionselement

� Funktionsflächen (z. B. Lagersitze) müssen nachbearbeitet werden

Direkte Implementierung von Funktionselementen

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Integration von Funktionselementen

� Telegraphing-Effekt tritt bei integral gefertigten Sandwichbauteilen mit Textildeckschicht auf

� Additive Fertigung bietet die Möglichkeit zur Eliminierung bzw. Reduzierung des Telegraphing-Effekts

� Wabendurchmesser-abhängige Integration von Stützstrukturen

� < 10 mm Stern

� > 10 mm Stern + Wabe

� > 20 mm Stern + Wabe + Wabe

Anti-Telegraphing-Effekt Lösungen

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Integration von Funktionselementen

� Direkte Integration von Kühlkanälenz. B. für elektronische Anbauteile

� Freie Gestaltungsmöglichkeiten für Kühlkanäle

� Größe additiv gefertigter Wabenkerne durch Anlagengröße beschränkt

� Steckverbindung bietet die Möglichkeit zum Einsatz beliebig großer Bauteile

Weitere Möglichkeiten durch die additive Fertigung

Kühlkanäle für zusätzliche Anbauteile Steckverbindungen zum direkten Fügen

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Zusammenfassung

� Hohes Leichtbaupotenzial durch die Verwendung von Sandwichbauteilen mit Wabenkernen

� Entwicklung einer Vorgehensweise zur besseren Ausnutzung des Leichtbaupotenzialsvon Wabenstrukturen durch additive Fertigung

� Anpassung an Freiformfläche

� Belastungsangepasste Variation des Wabenfüllgrads

� Integration von Funktionen

� Aufzeigen und bewerten des Potenzials der erforschten Methoden

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M.Sc. Fabian Rißwissenschaftlicher Mitarbeiter

ProjektgruppeRessourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen

Beim Glaspalast 5 I 86153 AugsburgTelefon +49 821 56883-97 I Fax -50fabian.riss@iwu.fraunhofer.dewww.iwu.fraunhofer.de

Kontaktdaten

Dipl.-Ing. Stefan TeufelhartGruppenleiter „Funktionsintegrierter Leichtbau“

ProjektgruppeRessourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen

Beim Glaspalast 5 I 86153 AugsburgTelefon +49 821 56883-80 I Fax -50stefan.teufelhart@iwu.fraunhofer.dewww.iwu.fraunhofer.de