Composites mit additiv gefertigten Komponenten Added value für den Leichtbau

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1 Composites mit additiv gefertigten Komponenten Added value für den Leichtbau Additive Fertigung in der Leichtbau-Fabrik von morgen 22. März 2016 A.B. Spierings Head R&D SLM Inspire AG Innovation centre for additive manufacturing, Switzerland Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 1

2 Agenda Einleitung F&E inspire - icams Anwendungsfelder für additive Fertigung Leichtbau, additive Fertigung und Composite Generelle Problemstellung Additive Fertigung von Lasteinleitungen Anwendungsfälle Inspire-icams: Additiv gefertigte Lasteinleitung in CFK Schlussfolgerungen Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 2

3 inspire ETH Zurich Empa St.Gallen, icams Technopark Zurich, Headquaters Fields of activity / institutes - Iwf-processes: Grinding, Cutting, EDM, - Iwf-machines: Machine Tools, Simulation, Analysis, Improvements - Iwf-micromachining: Laser- & mikrofabrication - icams: Additive Manufacturing (SLS, SLM) - Ipdz: Construction & Design - Ics: Composite-Structures - Icmi: Material integrity - Ifa: Automation, Optimisation, Mechatronic - Ivp: Virtual production / Forming technology Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 3

4 Fokus inspire-icams Additive Fertigung Additive Technologien Selective Laser Melting (SLM) Metalle SLM machine Direct Metal Deposition (DMD) Metalle Selective Laser Sintering (SLS) Kunststoffe Keramik St.Gallen: Pulver-bett basierte Verfahren SLS machine Ziel: Industrielle Anwendungen DMD machine Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 4

5 Forschungsfokus inspire-icams Materialien Pulver- Anforderungen AM-Prozesse Prozessfenster für Materialien Anwendungen Leichtbau- Strukturen Anlagentechnik Maschinen- Konzepte Neue Materialien Hybride Materialien Optimierte Legierungen Material Charakterisierung Mikrostruktur Mechanische Eigenschaften SLM- / SLS- Prozess Simulation Spannungen Prozess-Effekte Prozess Produktivität Strukturell optimierte Bauteile Werkzeuge Fertigung industrieller Bauteile Optimierung von Teilprozessen Steigerung der Gesamt- Performance QS for AM Standardisation (ASTM-ISO, VDI) Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 5

6 Leichtbau, additive Fertigung und Composite Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 6

7 Anwendung additiver Fertigung Wann macht additive Fertigung Sinn? Mehrwert! Komplexität Personalisierung Leichtbau Bionische Strukturen Prototyp Kleinserie Werkzeug Temperierung Gitter- Strukturen Topologie- Optimierung Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 7

8 Komplexität im Leichtbau Die Natur macht es uns vor Bionik Natur Technik Gitter- Strukturen Topologie- Optimierung Quelle: C. Mattheck Sandwich Platte, Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 8

9 Generelle Problemstellung: Lasteinleitungen steif weich Technik: Sandwich-Platten Technik: Sandwich-Platten - Steife Deckplatten - Steife weicher Deckplatten Kern weicher Kern - Hohe spezifische - Hohe Steifigkeit spezifische und Steifigkeit Festigkeit und Festigkeit - aber hier gibt s ein Problem Sandwich Platte, wie leitet man lokale wie Lasten leitet man ein? lokale Lasten ein? Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 9

10 Generelle Problemstellung: Lasteinleitungen Lösung: Die Natur macht es uns vor Der Wurzelstock - Lasteinleitung in einen weichen Untergrund - Grosser Wurzelstock feine Wurzeln homogene, verteilte Lasteinleitung Sandwich Platte, Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 10

11 Anwendung additiver Fertigung Kombination Additive Fertigung & Composite Strukturen 4 geometrical complexity 1 Leichtbau- Materialien 2 designed Anisotropie 1. CFRP extremes Leichtbaupotential (Carbon Fiber) 2. Faser-Orientierung optimiert auf den Lastfall 3. Integration von Funktionen möglich 4. Werkzeuge notwendig um geometrische Komplexität zu ermöglichen 3 Integration von Funktionen 1. SLM Prozesse Stahl, Titan, Aluminium, 2. Mechanische Anisotropie in dem Materialeigenschaften 3. «Complexity for free»: Funktions- Integration & Leichtbau-Potential 4. Extrem komplexe Strukturen möglich Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 11

12 Anwendungsfall 1: AMZ Formula Student Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 12

13 Anwendungsfall 1 : AMZ Brackets Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 13

14 Anwendungsfall 1 : AMZ Optimierung & Additive Fertigung 34% Gewichtseinsparung gegenüber Konventioneller Fertigung Table 1: Static mechanical properties of SLM produced and conventional stainless steel 316L Material 316L Yield strength Ultimate strength UTS Elongation at break (MPa) (MPa) (%) SLM * Handbook ** * (Spierings et al. 2010, Spierings et al. 2011); ** (GRANTAsoftware 2011) Spierings, A.B., et.al. (2011), Production of functional parts using SLM Opportunities and limitations. in Virtual and Rapid Manufacturing: Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping. Leira, Portugal: CRC Press, Taylor & Francis, London , Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 14

15 Anwendungsfall 2: Rotorblätter Rotorblätter von Windenergieanlagen Axiale Last in eine Faserverbund-Struktur einleiten Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 15

16 Anwendungsfall 2: Rotorblätter Rotorblätter von Windkraftanlagen Axiale Last in eine Faserverbund-Struktur einleiten F F Side view Top view Test-Struktur Glasfasern Laminataufbau: 9 Schichten (+45 / -45 / 0 / 0 / 90 / 0 / 0 / -45 / +45) Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 16

17 Anwendungsfall 2: Rotorblätter Additiv gefertigte Lasteinleitungen Form A: Form B: Form C: Form- / Kraftschluss Formschluss Kraftschluss Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 17

18 Anwendungsfall 2: Rotorblätter Additiv gefertigte Lasteinleitungen 5.4 x bessere Performance Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 18

19 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Instrumentenpanel im PC-6 Turboporter Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 19

20 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Instrumentenpanel Rivet nut DZUS fastener DZUS fastener Support strap Base plate Rivet nut Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 20

21 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Design-Konzept unter Anwendung additiv gefertigter SLM-Inserts und SLS-Kernen 8 SLS Core Concepts (additiv gefertigt in PA12) 7 Nomex Honeycombs 49 SLM Inserts Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 21

22 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Design-Konzept unter Anwendung additiv gefertigter Inserts und Kernen Gezielte Anpassung der mechanischen Festigkeit / Performance FE-Modell, mit Face sheets 2D layered shell elements Core 3D elements Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 22

23 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Design-Konzept unter Anwendung additiv gefertigter Inserts und Kernen Gezielte Anpassung der mechanischen Festigkeit / Performance Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 23

24 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Design-Konzept unter Anwendung additiv gefertigter Inserts und Kernen Konzept für SLS-Kerne (PA12) Insert Konzept (gefertigt mit SLM) Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 24

25 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Design-Konzept unter Anwendung additiv gefertigter Inserts und Kernen 1. Pocket with insert (SLM) Plug & Play 2. Snap-in mount (SLM) Quick positioning 3. Tooling for support strap (SLS) Prepreg Positioning Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 25

26 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Fertigung Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 26

27 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Resultate 40 % Gewichtseinsparung durch CFRP Sandwich & AM Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 27

28 Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel Resultate 50 % weniger Bauteile und 56% weniger Arbeitsschritte!! Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 28

29 Schlussfolgerungen Die Ausreiss-Festigkeiten von Inserts für Faserverbund- Strukturen können durch Struktur-Optimierung signifikant gesteigert werden. Struktur-Optimierung führt i.r. zu komplexeren Geometrien, die oftmals nur noch additiv gefertigt werden können. Die Anwendung additiver Fertigung im konventionellen Leichtbau führt zu massivem Performance-Gewinn Sowohl additiv gefertigte metall- als auch Kunststoffteile können erfolgsversprechend sein. Inserts Kerne Es lohnt sich, eingesessene Lösungen und Strukturen vor dem Hintergrund neuer Fertigungsverfahren zu überdenken. Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 29

30 Was kann dabei SLM bieten? Fertigung komplexer Bauteile Inspire-irpd: Spongiosa Gitter Funktionsteile Mischer-Elemente Ventilblock Komplexe Teile mit hoher Funktionsintegration Prototypen für med. Implantate (Titan) Funktionsteile Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 30

31 A.B. Spierings Head R&D SLM Lerchenfeldstrasse St.Gallen spierings@inspire.ethz.ch T F Spierings, Adriaan 03/2016 inspire AG 31