Neue Ansätze zur Auslegung und Herstellung von Sandwichkomponenten durch die additive Fertigung

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1 FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE RESSOURCENEFFIZIENTE MECHATRONISCHE VERARBEITUNGSMASCHINEN Neue Ansätze zur Auslegung und Herstellung von Sandwichkomponenten durch die additive Fertigung Stefan Teufelhart, Fabian Riß 1 1. Symposium lightweight SOLUTIONS Hannover

2 Agenda Motivation und Ausgangssituation Auslegung und Herstellung von Sandwichkomponenten durch die additive Fertigung Adaption von Wabenkernen an eine beliebige Freiformfläche Belastungsgerechte Auslegung von Wabenkernen Funktionsintegration in Sandwichbauteile Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Motivation und Ausgangssituation Nachhaltiger Umgang mit Ressourcen durch Leichtbau Leichtbau Reduzierung bewegter Massen bedeutet Verringerung der Beschleunigungsenergie Erhöhung der Nutzlast Schonung knapper Ressourcen monetäre Einsparung Sandwichbauteile mit Wabenkernen Kombination von Werkstoff-, Form- und Funktionsleichtbau Verbundbauteil Deckschichten Kern Obere Deckschicht Kern Untere Deckschicht Prinzip des Doppel-T-Trägers Honigwabenkerne sind aufgrund der Struktur höher belastbar als homogene Kerne Quellen: Henning, Klein, ConceptLaser, atzonline, DLR 3

4 Motivation und Ausgangssituation Konventionelle Sandwichbauweise Wabenkern Anpassung an gekrümmte Bauteiloberfläche bzw. Belastung nur eingeschränkt möglich Eingeschränkte Verformbarkeit Keine Variation des Materialfüllgrads Leichtbaupotenzial kann nicht optimal ausgenutzt werden Geforderte Krümmung Resultierende Krümmung Integration von Funktionselementen Verwendung zusätzlicher Bauteile weitere Arbeitsschritte notwendig Krafteinleitung nicht kraftflussangepasst Leichtbaupotenzial unzureichend ausgenutzt Insert 10 cm 5 cm Honigwabe Einbettmasse Epoxid- Harz 5 cm Lösungsansatz: Verwendung additiver Fertigungsverfahren zur Herstellung von Wabenkernen für Sandwichbauteile Quelle: Klein 4

5 Motivation und Ausgangssituation Prozessablauf additiver Fertigungsverfahren 5

6 Motivation und Ausgangssituation Sources: ConceptLaser GmbH, Hofmann Werkzeugbau GmbH, EOS GmbH Eigenschaften additiver Fertigungsverfahren Verarbeitbare Materialien Sand Kunststoffe Verschiedene Metalle Beispielhafte Anwendungsfelder Möglichkeiten beim Bauteildesign Hohe geometrische Komplexität Wirtschaftliche Verarbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe Ökonomische Fertigung kleiner Losgrößen und von Einzelteilen Formenbau Medizintechnik Anlagenbau Konsumgüteridustrie Automobilbau Luft- und Raumfahrt 6

7 Design von Sandwichbauteilen mit Wabenkernen für die additive Fertigung Methodik zur Auslegung und additiven Fertigung von Sandwichbauteilen Ausgangsbedingungen Ausgangsgeometrie, Lasten, Schnittstellenbereiche, Materialmodelle Anpassung an Freiformfläche Methode zur Anpassung der Wabenstruktur an beliebige Freiformfläche, Wabenstruktur steht senkrecht zu Deckfläche Belastungsgerechte Anpassung Methode zur belastungsgerechten Anpassung von Wabenstrukturen, gradierte Strukturübergänge mit dem Ziel homogene Materialspannungen im Bauteil Integration von Funktionen Einzelne Methoden zur Integration von Funktion werden zur Verfügung gestellt Fertigung des Bauteils Großvolumige Bauteile werden in Einzelkomponenten gefertigt und anschließend zusammengefügt 7

8 Adaption einer Wabenstruktur an eine beliebige Freiformfläche Methode 1: ISO-parametrische Kurven Ziel: Jede Wabenwand steht senkrecht zu den parallelen Deckschichten Vorgehensweise 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 Durch die Adaption der Wabenstruktur an die Freiformfläche resultiert eine verzerrte Wabenstruktur 8

9 Adaption einer Wabenstruktur an eine beliebige Freiformfläche Methode 2: Kreis schneidet Fläche Ziel: Jede Wabenwand steht senkrecht zu den parallelen Deckschichten Vorgehensweise 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 Gleichmäßige hexagonale Wabenstrukturen mit krümmungsabhängigen Wabenwanddicken 9

10 Belastungsgerechte Auslegung durch Variation des Materialfüllgrad Anpassung der Wabenwandstärke Ziel: Homogene Spannungsverteilung im gesamten Bauteil Vorgehensweise: Identifikation der Spannungen durch FE- Methode Variation der Wabenwandstärke in Abhängigkeit der Bauteilspannungen Bauteilspannungen W neu =W 0 ± K(Spannung) Iterierender Optimierungsvorgang Bestmögliche Ausnutzung der Materialeigenschaften 10

11 Belastungsgerechte Auslegung durch Variation des Materialfüllgrad 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 11

12 Integration von Funktionen Direkte Implementierung von Funktionselementen 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 12

13 Integration von Funktionselementen Anti-Telegraphing-Effekt Lösungen 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 13

14 Integration von Funktionselementen Weitere Möglichkeiten durch die additive Fertigung Kühlkanäle für zusätzliche Anbauteile Direkte Integration von Kühlkanälen z. B. für elektronische Anbauteile Freie Gestaltungsmöglichkeiten für Kühlkanäle Steckverbindungen zum direkten Fügen Größe additiv gefertigter Wabenkerne durch Anlagengröße beschränkt Steckverbindung bietet die Möglichkeit zum Einsatz beliebig großer Bauteile 14

15 Zusammenfassung Hohes Leichtbaupotenzial durch die Verwendung von Sandwichbauteilen mit Wabenkernen Entwicklung einer Vorgehensweise zur besseren Ausnutzung des Leichtbaupotenzials von Wabenstrukturen durch additive Fertigung Anpassung an Freiformfläche Belastungsangepasste Variation des Wabenfüllgrads Integration von Funktionen Aufzeigen und bewerten des Potenzials der erforschten Methoden 15

16 Kontaktdaten Dipl.-Ing. Stefan Teufelhart Gruppenleiter Funktionsintegrierter Leichtbau Projektgruppe Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen Beim Glaspalast 5 I Augsburg Telefon I Fax -50 stefan.teufelhart@iwu.fraunhofer.de M.Sc. Fabian Riß wissenschaftlicher Mitarbeiter Projektgruppe Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen Beim Glaspalast 5 I Augsburg Telefon I Fax -50 fabian.riss@iwu.fraunhofer.de 16