Topologieoptimierung und additive Fertigung in der Produktentwicklung für die Nutzfahrzeugtechnik

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1 Topologieoptimierung und additive Fertigung in der Produktentwicklung für die Nutzfahrzeugtechnik 10. Altair Anwendertreffen für Hochschulen Böblingen, 7. März 2016 Karsten Hilbert, Maximilian Ley, Mathias Busch KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 1

2 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 2

3 Vorstellung Lehrstuhl KIMA Forschungsprofil Konzeption von Produktentwicklungsprozessen Methodische Produktentwicklung Systemmodellierung und Simulation Prüfstand- und Feldversuche Nutzfahrzeugtechnik Allgemeiner Maschinenbau Forschungsschwerpunkt additive Fertigung Integration der additiven Fertigung in den Produktentwicklungsprozess und Produktlebenszyklus Identifizierung technisch-wirtschaftlich geeigneter Fahrzeugbauteile für die additive Fertigung Bauteilauslegung und -optimierung KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 3

4 Vorstellung Lehrstuhl KIMA Lehrauftrag und Lehrkonzept Betreuung von studentischen Arbeiten in zwei Fachbereichen Maschinenbau und Verfahrenstechnik sowie Wirtschaftswissenschaften Schwerpunkt im konstruktiven bzw. computational engineering Bereich Nutzung führender Simulationstechnologien bzw. software: Preprocessing (Hypermesh) Strukturmechanik (Optistruct, Abaqus) Strömungssimulation (Fluent) Strukturoptimierung (OptiStruct, SolidThinking Inspire) Design of Experiments (Hyperstudy) Mehrkörpersimulation (Simpack) KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 4

5 Vorstellung Lehrstuhl KIMA Lehrauftrag und Lehrkonzept Zielsetzungen des Lehrstuhls im Bereich Lehre: Methodisches Konstruieren (z.b. nach VDI 2221) Möglichst früher Kontakt mit virtueller Produktentwicklung Erlernung von führenden Simulationstechnologien in SA s Nutzung kommerzieller Simulationssoftware (Anwendungsfokus) Sensibilisierung für den Einsatz von Simulationstechnologie Ganzheitliche Prozessbetrachtung (vom Modell zum Prüfstandversuch) Einbindung in industrielle und akademische Forschungsprojekte KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 5

6 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 6

7 Motivation und Aufgabenstellung Industrielles Umfeld Bad Marienberg Windhagen Boppard Simmern Konz Wörth KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 7

8 Motivation und Aufgabenstellung Motivation TU eingebunden in die Nutzfahrzeugbranche Merkmale von Nutzfahrzeugen Investitionsgüter Quelle: Volvo CE Lange Produktlebensdauern Hoher Individualisierungsgrad Geringe Stückzahlen Konventioneller Maschinenbau Quelle: Volvo CE Komplexe Beanspruchung vieler Bauteile Energieeffizienz Quelle: Terex Corporation Potenziale für mechanische Optimierung und additive Fertigung? KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 8

9 Motivation und Aufgabenstellung Motivation Wann lohnt sich additive Fertigung allgemein? Realisierung von struktur- und strömungsoptimierten Bauteilen Funktionsintegration (Differential- vs. Integralbauweise) Hoher Individualisierungsgrad und geringe Stückzahlen Reduktion Materialeinsatz bei teuren Werkstoffen Schnelle Bereitstellung von Bauteilen (z.b. für Ersatzteile) Bezug zur Nutzfahrzeugtechnik Viele Merkmale zutreffend! KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 9

10 Motivation und Aufgabenstellung Aufgabenstellung Durchlauf des Produktentwicklungsprozesses für tragende Fahrzeugbauteile aus der Nutzfahrzeugtechnik unter Einsatz von Topologieoptimierung und additiver Fertigungstechnologie Erläuterung am Bsp. einer studentischen Arbeit aus dem Bereich WI-MB Betrachtung verschiedener rein mechanischer Komponenten Topologieoptimierung mit OptiStruct und SolidThinking Inspire Sensitivitätsuntersuchung für die Randbedingungen Rückführung der optimierten Geometrien in 3D-CAD-Modelle Additive Fertigung Prototypen mit Fused Deposition Modeling (FDM) HIER: Prozessdarstellung an einfachem mechanischen Bauteil KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 10

11 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 11

12 Grundlagen additive Fertigung Was ist additive Fertigung? Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element- oder schichtweise aufgebaut wird [VDI3405] Fertigungsprozess bei allen Verfahren vom Grundprinzip sehr ähnlich KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 12

13 Grundlagen additive Fertigung Wichtige additive Fertigungsverfahren für den industriellen Einsatz KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 13

14 Grundlagen additive Fertigung Wichtige additive Fertigungsverfahren für den industriellen Einsatz KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 14

15 Grundlagen additive Fertigung Charakteristische Verfahrens- und Bauteileigenschaften Mechanische Eigenschaften richtungsabhängig, Eigenspannungen Großer Einfluss von Fertigungsparametern und -strategie Generelle Nachbearbeitung an Funktionsflächen erforderlich Wärmebehandlung bei tragenden metallischen Bauteilen empfohlen Designrichtlinien sind zu beachten (z.b. VDI ) KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 15

16 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 16

17 Produktentwicklungsprozess (PEP) Integration von Optimierung und additiver Fertigung in den PEP Analyse FEM- Simulation Topologie- Optimierung konstruktive Ausarbeitung FEM- Simulation Bauraum Randbedingungen Optimierungsziele ggf. Istzustand Optional Istzustand Restriktionen Optimierungsziele Designraum Designvariablen Restriktionen Zielfunktionen Fertigungsstrategie Designrichtlinien Geometrierückführung Konstruktionsgeometrie Fertigungsgeometrie Designrichtlinien Aufmaße Optimiertes Bauteil Festigkeitsnachweis Kunststoff- Prototyp Metall- Prototyp Versuch Serienteil Additive Fertigung STL-Modell FDM-/SLS-Verfahren ABS, PLA, PA Additive Fertigung Hybride Fertigung STL-Modell SLM-/DMD-Verfahren Nachbearbeitung E- und NE-Metalle Prüfstand Feldversuch Additive Fertigung Hybride Fertigung KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 17

18 Produktentwicklungsprozess (PEP) Integration von Optimierung und additiver Fertigung in den PEP Analyse FEM- Simulation Topologie- Optimierung konstruktive Ausarbeitung FEM- Simulation Bauraum Randbedingungen Optimierungsziele ggf. Istzustand Optional Istzustand Restriktionen Optimierungsziele Designraum Designvariablen Restriktionen Zielfunktionen Fertigungsstrategie Designrichtlinien Geometrierückführung Konstruktionsgeometrie Fertigungsgeometrie Designrichtlinien Aufmaße Optimiertes Bauteil Festigkeitsnachweis Kunststoff- Prototyp Metall- Prototyp Versuch Serienteil Additive Fertigung STL-Modell FDM-/SLS-Verfahren ABS, PLA, PA Additive Fertigung Hybride Fertigung STL-Modell SLM-/DMD-Verfahren Nachbearbeitung E- und NE-Metalle Prüfstand Feldversuch Additive Fertigung Hybride Fertigung KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 18

19 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 19

20 Topologieoptimierung Ausgewähltes Musterbauteil Einfaches Bauteil Klassischer Winkelhebel Symmetrische Geometrie 140 mm Lagerabstände 10 mm Wandstärke Werkstoff: S355 Volumen: ca. 156 cm³ Gewicht: ca g 2 kn L3 L2 L1 Topologieoptimierung: OptiStruct solidthinking Inspire KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 20

21 Topologieoptimierung Randbedingungen Optimierung (Allgemein) Fertigungsstrategie muss frühzeitig festgelegt werden: Fertigungsverfahren, Fertigungsanlage, Bauteilausrichtung Werkstoffsubstitution Stahl (1.2709, X3NiCoMoTi18-9-5) Werkstoffkenndaten (Verfahrensspezifisch) Nachbearbeitung (Wärmenachbehandlung, Zerspanung) Fertigungsrestriktionen (z.b. nach VDI ) sind zu beachten Zielkonflikt: KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 21

22 Topologieoptimierung Randbedingungen Optimierung (solidthinking Inspire) Zielfunktion: Steifigkeit maximieren Masseziele: 30 % des Designbereichvolumens Dickenrestriktion: Minimum 10 mm Fertigungsrandbedingung: 45 Symmetrieebene Softwareversion: solidthinking Inspire 2016 Beta Non-Designbereiche Symmetrieebene KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 22

23 Topologieoptimierung Randbedingungen Optimierung (OptiStruct) Zielfunktion: Steifigkeit maximieren (min compliance) Systemantworten: compliance und massfrac Dickenrestriktion: Minimum 10 mm Fertigungsrandbedingung: 45 Symmetrieebene Softwareversion: Hyperworks OptiStruct 13 Non-Designbereiche KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 23

24 Topologieoptimierung Optimierungsergebnis Winkelhebel Ergebnis Inspire Ergebnis OptiStruct KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 24

25 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 25

26 Konstruktive Ausarbeitung Ziele der konstruktiven Ausarbeitung Bereitstellung der finalen Bauteilgeometrie als 3D-CAD-Modell Fertigungs- und beanspruchungsgerecht Konstruktionsgeometrie Endmaßgeometrie (inklusive Funktionsflächen) Basis für Festigkeitsnachweise (statisch, dynamisch) Fertigungsgeometrie Ausgangsgeometrie für die additive Fertigung (Rohteil) Wird (spanend) zur Endmaßgeometrie nachbearbeitet KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 26

27 Konstruktive Ausarbeitung Facettenmodell vs. parametrisches Modell Ausgangsbasis der konstruktiven Ausarbeitung: Facettenmodell aus Topologieoptimierung Direkte Verwendung als Konstruktions- und Fertigungsgeometrie? Fertigungs- und Gestaltrestriktionen (für alle Verfahren!) Modellanforderungen für nachgelagerte Prozessschritte Facettenmodellbasierte Umsetzung erfordert Spezialsoftware, Know-How und ist zeitaufwendig Rückführung in parametrisches 3D-CAD-Modell sinnvoll Konstruktive Anpassung des parametrischen 3D-CAD-Modells KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 27

28 Konstruktive Ausarbeitung Rückführung in parametrisches Modell Variante 1: Vereinfachtes Modell Volumenbasierte Modellierung Constructive Solid Geometry (CSG) Verschiebegeometrien (Rotation, Extrusion, etc.) Eingeschränkter Gestaltungsspielraum Variante 2: Detailgetreues Modell Flächenbasierte Modellierung NURBS-Kurven und NURBS-Flächen Subdivision Surfaces (Konvertierung in NURBS) Prinzipiell jede beliebige 3D-Geometrie abbildbar KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 28

29 Konstruktive Ausarbeitung Flächenbasierte Rückführung Möglichkeiten der Umsetzung Rekonstruktion des Facettenmodells bzw. der Bauteiloberfläche über Patches von NURBS-Flächen, z.b. mit Siemens NX Vor der Rückführung Anwendung von OSSmooth sinnvoll KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 29

30 Konstruktive Ausarbeitung Flächenbasierte Rückführung Möglichkeiten der Umsetzung Rekonstruktion des Facettenmodells bzw. der Bauteiloberfläche über Patches von PolyNURBS mit solidthinking Inspire 2016 Beta KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 30

31 Konstruktive Ausarbeitung Konstruktive Anpassung des parametrischen 3D-CAD-Modells Fertigungsgerechte Konstruktion Abhängig vom additiven Fertigungsverfahren Minimierung und Zugänglichkeit von Stützstrukturen Aufmaß an Funktionsflächen Pulverentfernungsöffnungen (SLM, SLS) Extrusions- und Laserkopfzugänglichkeit (FDM, DMD) KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 31

32 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 32

33 Additive Fertigung Arbeitsvorbereitung Erzeugung STEP-Modell Erzeugung STL-Modell mit GOM Inspect Slicing und Stützstrukturgenerierung Anlage: Stratasys Dimension Elite (ABS) Verfahren: Fused Deposition Modeling KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 33

34 Additive Fertigung Additiv gefertigtes Bauteil KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 34

35 Agenda Vorstellung Lehrstuhl KIMA Motivation und Aufgabenstellung Grundlagen additive Fertigung Produktentwicklungsprozess Topologieoptimierung Konstruktive Ausarbeitung Additive Fertigung Zusammenfassung und Ausblick KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 35

36 Zusammenfassung und Ausblick Additive Fertigungstechnologie kombiniert mit mechanischer Optimierung bietet großes Potenzial für NFZ-Technik bzw. allgemein Investitionsgüter Additive Fertigung als Ergänzung zu konventionellen Fertigungsverfahren Fertigungsstrategie muss im PEP frühzeitig festgelegt werden Verfahrenscharakteristiken und Werkstoffeigenschaften müssen bei der Optimierung und konstruktiven Ausarbeitung berücksichtigt werden (VDI ) KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 36

37 Zusammenfassung und Ausblick Zielkonflikt: Fertigung Optimierung Nachbearbeitung Rückführung der optimierten Struktur in parametrisches 3D-CAD-Modell mit NURBS-Patches, PolyNURBS-Patches und Subdivision Surfaces für PEP sinnvoll Forschungsbedarf: Regelwerke und Werkstoffkennwerte zur mechanischen Auslegung additiv gefertigter Bauteile KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 37

38 Zusammenfassung und Ausblick Quelle: Trumpf Quelle: voxeljet AG Copyrigh: EDAG Engineering GmbH Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch kombinierte Fertigung: Additive Fertigung und Gießen (Rapid Tooling) Hybride Fertigung KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 38

39 Kontakt Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontaktpersonen/Ansprechpartner: Karsten Hilbert (KIMA), Maximilian Ley (KIMA), KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert 39