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PETA Additive Metal Design Technology

1

Metal Additive Design Technology (PETA) – DLR Braunschweig, 19. Oktober

2017

Additive Composite Structures

DLR Wissenschaftstag

Braunschweig, 19. Oktober 2017

Dipl.-Ing. Matthias Radny

HO Metal Additive Design Technology

© Premium AEROTEC 2

Das Unternehmen Premium Aerotec GmbH



Die Programme


Premium AEROTEC ist an allen Programmen von Airbus, am 787-Programm von

Boeing und an militärischen Programmen wie Eurofighter oder A400M beteiligt.


Premium Aerotec – Die Standorte


Hamburg

Varel

Nordenham

Augsburg Brașov, Rumänien




Nordenham

• Über 3.000 Beschäftigte

• 584.000 m2 Werksfläche

• Jährlich etwa 1,5 Mio. hergestellte Einzelteile und rund

15.000 Sektionen, Rumpfschalen oder Klebegruppen

• Fertigung komplexer Flugzeugkomponenten

• Montage von Schalen und Sektionen aus Metall und

Faserverbundwerkstoffen

Varel

• 1.600 Beschäftigte


• Jährlich rund 5 Mio. hergestellte

• Flugzeugbauteile

• Zerspanung von Groß- und Kleinbauteilen

• Montage von Baugruppen

• 3D-Druck von Metallbauteilen

• Konzeption, Konstruktion und Herstellung komplexer

Fertigungs- und Montagevorrichtungen

Brașov

• Über 600 Mitarbeiter


• Fertigung von Einzelteilen und Baugruppen




Augsburg

• Sitz der Unternehmenszentrale

• Sitz der Entwicklung

• Rund 4.000 Beschäftigte

• 310.000 m2 Werksfläche in 4 Werken

• Jährlich über 5 Mio. hergestellte Bauteile

• Fertigung von Einzelteilen

• Montage und Ausrüstung vollständiger Baugruppen

aus Metall und CFK

Hamburg

• Rund 150 Beschäftigte

• Technologie Entwicklungszentrum (ZAL) mit Fokus

auf Additive Fertigung und Design, Fiber

Metal Laminate, Rumpfkonzept Entwicklung

• Komponenten Entwicklungszentrum mit Fokus auf

typische Rumpfsektionen ACF, LR, SA und A380

Quelle: ZAL.aero


General Process Qualification for serial AM Parts

3 Audits by Airbus, LBA & Nadcap

1.215 non-destructive tests

accomplished

6 labatories involved

1293 printed Test

Specimen

1.400 Pages of

documentation

50 Specifications

developed

1293 destructive

Tests carried out

50 Specialists involved

~1 Million €

Qualification cost

1,5 years work


Komplexität ohne Aufwand


These:

„Mit der additiven Fertigung im Pulverbettverfahren können nahezu beliebig

komplexe Strukturen erzeugt werden.“

„Die Komplexität ist von den Produktionskosten weitestgehend entkoppelt“

„Dies eröffnet sowohl dem Konstrukteur als auch der Fertigung bisher

unbekannte Freiheiten, funktionsgerechtes Design umzusetzen.“

Complexity for free


Design Freiheit Topologie Optimierte Leichtbau Halter



Design 1:1 Replacement vs. Hochintegriertes Design



Klassisches Design vs. Topologie Optimiert


“Design for manufacturing” “Design for weight and

structure function”

32%

Gewichtsreduktion


Materialverteilung im Raum


Die Topologie Optimierung ist eine numerische Optimierungsmethode zur

Bestimmung der Optimalen Materialverteilung im Raum.

Um Materialanlagerungen mit einer „künstlichen“ Zwischendichte zu

vermeiden wird in der gängigen SIMP Methode ein Penalisierungsfaktor

eingeführt, der das Ergebnis eindeutig Richtung Vollmaterial oder Loch

treibt.


SIMP - Solid Isotropic Material with Penalisation


SIMP Methode angewandt auf einen 2D-Kragbalken

E/E0

r/r0

(r/r0)p

1

1 Element Density = 1

Element Density = 0

𝑘𝑒𝑘0

=𝜌𝑒𝜌0

𝑝

Die Topologie Optimierung ist eine Methode zur Bestimmung der Optimalen Materialverteilung im Raum.


Optimum


Topologie optimiert

=

Leicht

=

Funktionsgerecht

=

Optimum ?


Bewertung – Klassisches Design vs. Topologie


Gewicht

NRC Kosten

Parametrisierbarkeit Designaufwand

Leadtime

Nachweis

Skala: 0 (schlecht) – 6 (Sehr gut)

Klassisch: AK = 11

Topologie: AK = 4


Klassisches Design vs. Topologie Optimiert


“Design for manufacturing” “Design for weight and

structure function”

Global winner

11 : 4

For now..

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwibzeD13vXWAhVDK1AKHapRAMkQjRwIBw&url=https://pixabay.com/en/gold-cup-bowl-wreath-1539690/&psig=AOvVaw2USLf7UnZj1TDq6-3jLW9F&ust=1508263869051476


Bewertung – Klassisches Design vs. Topologie


Gewicht

NRC Kosten

Parametrisierbarkeit Designaufwand

Leadtime

Nachweis


Klassisch: AK = 11

Topologie: AK = 4


Topologie Optimierung (SIMP) Biegeträger

mit und ohne Penalisierungsexponent p


Volumen: 1.196E+03

Compliance LC1: 5.493E+01


Volumen 1.335E+03



F1

F2

F1

F2

p=3

p=0

Ausgangsvolumen:

3.520E+03 Δ4%

E/E0

r/r0

(r/r0)p

1

1


Metall mit gradueller Dichteverteilung ?


Künstlichen Zwischendichten als Raumgitter darstellbar?

Quelle: LZN Hamburg

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjYivK77vXWAhVLbFAKHUk5CnQQjRwIBw&url=http://www.lzn-hamburg.de/technologien/weitere-qualifikationen/konstruktion/zellulaere-und-gitterstrukturen.html&psig=AOvVaw0eDtXaAQPQ9K0NmKXvNE9V&ust=1508267794515732

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjugcmtnfjWAhXOa1AKHWuTDv4QjRwIBw&url=http://classic.kometgroup.com/kr/plus-navigation/plus/werkstoffe.html&psig=AOvVaw2u50VgPzLIYogQDNa9-M5F&ust=1508349337342762


Größenskala der Fertigung


m cm mm µm

Grenze der

Fertigbarkeit

Quelle: LZN Hamburg

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=0ahUKEwiUsufI7fXWAhWFa1AKHexXAXMQjRwIBw&url=https://www.engineeringspot.de/2015/11/autodesk-within-intelligente-mikrostrukturen-sparen-gewicht/&psig=AOvVaw0eDtXaAQPQ9K0NmKXvNE9V&ust=1508267794515732

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjYivK77vXWAhVLbFAKHUk5CnQQjRwIBw&url=http://www.lzn-hamburg.de/technologien/weitere-qualifikationen/konstruktion/zellulaere-und-gitterstrukturen.html&psig=AOvVaw0eDtXaAQPQ9K0NmKXvNE9V&ust=1508267794515732


Design Freiheit…


Neu denken…

Metallischer

3D-Druck

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwijm7uA5_XWAhUObVAKHbuFBlMQjRwIBw&url=https://www.dreamstime.com/royalty-free-stock-photos-golden-cage-image2913498&psig=AOvVaw08r-FhLfo0CJMzoZUHaLvI&ust=1508266000973750

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwid7vjC5_XWAhUHfFAKHc8vDmAQjRwIBw&url=https://de.wikipedia.org/wiki/Exit_(Zeitschrift)&psig=AOvVaw3yXq9hMnwA2LmuxP3PjUP0&ust=1508266133772792


Topologie Ergebnis (SIMP)


Picture by courtesy of

Altair Engineering

Zwischendichte Elemente werden

entsprechend Ihrer errechneten Steifigkeit (ke)

als äquivalentes Raumgitter ausgeprägt.

𝒌𝒆𝑘0

=𝝆𝒆𝜌0

𝑝

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwj5o-OE1OrWAhWCd5oKHekQB9AQjRwIBw&url=http://www.altairhyperworks.de/newsdetail.aspx?news_id%3D11109%26news_country%3Dde-DE&psig=AOvVaw160tS94_fAn1J8n41MoTb5&ust=1507882992981134


Raumgitter mögliche Eigenschaften


- Mathematisch beschreibbar

- Parametrisierbar

- Kombinierbar

- Strukturell Funktional

- Thermisch Funktional

- Mikromechanismen realisierbar

- Keine Stützstruktur notwendig

Vielzahl an echten neuen Designfreiheiten

sin 𝑥 cos 𝑦 + sin𝑦 cos 𝑧 + sin 𝑧 cos 𝑥 = 0

Schoen Gyroid

Optimized 3D isotropic microstructure with a

Poisson’s ratio of -0.80.

*PAPER: Topology optimization using PETSc:

An easy-to-use, fully parallel, open source topology optimization

framework (Niels Aage · Erik Andreassen · Boyan Stefanov Lazarov)

Quelle: Department of Mechanical Engineering,

Solid Mechanics, Technical University of

Denmark*

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiuosmUhfPWAhVIXBQKHdkcDZkQjRwIBw&url=https://www.pinterest.com/pin/365073113528507535/&psig=AOvVaw3lZVPK-G5sBDlp0S-l_5vR&ust=1508170436234218


Automatisierte Design Interpretation


- Mathematisch beschreibbar

- Parametrisierbar

- Kombinierbar

= Programmierbar

„Konstruktionsroboter“

= Automatisierbar

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwj5o-OE1OrWAhWCd5oKHekQB9AQjRwIBw&url=http://www.altairhyperworks.de/newsdetail.aspx?news_id%3D11109%26news_country%3Dde-DE&psig=AOvVaw160tS94_fAn1J8n41MoTb5&ust=1507882992981134

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiBtqax0OrWAhUMDJoKHW4cCIMQjRwIBw&url=http://motioncontrolsrobotics.com/product/fanuc-m900-series-robots/&psig=AOvVaw2A8kvqCHfE-s1ey2JbRuVi&ust=1507882011822214

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjY0dD90OrWAhWJYZoKHVBqBbkQjRwIBw&url=http://www.kids-and-science.de/kinderfragen/detailansicht/datum/2016/11/10/enthaelt-ein-bleistift-blei.html&psig=AOvVaw10T8UMvuNv_0waoeUgmdsh&ust=1507882155592456


• Altair Engineering – OptiStruct

• Autodesk – Within Labs

Erste Anbieter




Klassisch: AK = 11

Topologie: AK = 4

Mikrogitter: AK = 13

Gewicht

NRC Kosten

Parametrisierbarkeit

Automatisierbarkeit

Designaufwand

Leadtime

Nachweis



Material Zuliefererketten


Loft (STL) mit

Metadaten

Material Lieferant

Quelle: Altair Engineering

Virtueller Material

Lieferant

sin 𝑥 cos 𝑦 + sin𝑦 cos 𝑧 + sin 𝑧 cos 𝑥 = 0

Geschäftsidee: Material Systeme

(geprüft, zertifiziert, patentiert) Produktentwicklung Quelle: Altair

Engineering

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjYjfOPk_PWAhXJPRQKHV08ChAQjRwIBw&url=https://www.netzsieger.de/k/usb-sticks&psig=AOvVaw2ilNiUQqVgZxZ35Beh0bq6&ust=1508174795901015

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjVl-LJ4vrWAhWGbxQKHUb6DdAQjRwIBw&url=http://www.3ders.org/articles/20141201-concept-laser-new-metal-laser-melting-system-m2-cusing-at-euromold.html&psig=AOvVaw3OYvlyPGgvPg9dxajVQDT9&ust=1508436641169456

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiE4siB5vrWAhWQYVAKHaR1DIYQjRwIBw&url=http://forum.solidthinking.com/index.php?/topic/1264-topology-optimization-bionic-structure/&psig=AOvVaw0LArw0jg8Y5xh-qFOOYAn4&ust=1508437315735714

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjY5dOU5_rWAhUGYlAKHfzTAWwQjRwIBw&url=http://insider.altairhyperworks.com/design-and-optimization-of-lattice-structures-for-3d-printing-using-altair-optistruct/&psig=AOvVaw0LArw0jg8Y5xh-qFOOYAn4&ust=1508437315735714

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiuosmUhfPWAhVIXBQKHdkcDZkQjRwIBw&url=https://www.pinterest.com/pin/365073113528507535/&psig=AOvVaw3lZVPK-G5sBDlp0S-l_5vR&ust=1508170436234218


Design & Fertigungsfreiheit radikal neu gedacht

Metal Additive Design Technology (PETA) – Ort, Datum

Quelle: Altair Engineering

& Renishaw


• Nachweis

• Statische Festigkeit

• Ermüdungsverhalten

• Damage Tolerance

• Plausibilität

Probabilistischer Ansatz?

• Fertigung

• Nachbehandlung

• Eigenspannungen

• Pulverentfernung

• Inspektion

• Korrosionsthemen

• Wasseransammlung

• Schadenserkennung

Herausforderungen


Forschungsthemen für die Zukunft Quelle: Altair Engineering & Renishaw


Zitat


„Computers are incredibly fast, accurate

and stupid.”

„Human beings are incredibly slow,

inaccurate and brilliant.”

„Together they are powerful

beyond imagination!”

Zitat wird Albert Einstein zugeschrieben

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiBtqax0OrWAhUMDJoKHW4cCIMQjRwIBw&url=http://motioncontrolsrobotics.com/product/fanuc-m900-series-robots/&psig=AOvVaw2A8kvqCHfE-s1ey2JbRuVi&ust=1507882011822214

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjY0dD90OrWAhWJYZoKHVBqBbkQjRwIBw&url=http://www.kids-and-science.de/kinderfragen/detailansicht/datum/2016/11/10/enthaelt-ein-bleistift-blei.html&psig=AOvVaw10T8UMvuNv_0waoeUgmdsh&ust=1507882155592456

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Metal Additive Design Technology (PETA) – DLR Braunschweig, 19. Oktober 33

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