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PETA Additive Metal Design Technology
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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
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Das Unternehmen Premium Aerotec GmbH
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Die Programme
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Premium AEROTEC ist an allen Programmen von Airbus, am 787-Programm von
Boeing und an militärischen Programmen wie Eurofighter oder A400M beteiligt.
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Premium Aerotec – Die Standorte
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Hamburg
Varel
Nordenham
Augsburg Brașov, Rumänien
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Premium Aerotec – Die Standorte
Metal Additive Design Technology (PETA) – DLR Braunschweig, 19. Oktober
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
• 160.000 m2 Werksfläche
• 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
• 25.500 m2 Werksfläche
• Fertigung von Einzelteilen und Baugruppen
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Premium Aerotec – Die Standorte
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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
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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
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Komplexität ohne Aufwand
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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
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Design Freiheit Topologie Optimierte Leichtbau Halter
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Design 1:1 Replacement vs. Hochintegriertes Design
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Klassisches Design vs. Topologie Optimiert
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“Design for manufacturing” “Design for weight and
structure function”
32%
Gewichtsreduktion
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Materialverteilung im Raum
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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.
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SIMP - Solid Isotropic Material with Penalisation
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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.
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Optimum
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Topologie optimiert
=
Leicht
=
Funktionsgerecht
=
Optimum ?
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Bewertung – Klassisches Design vs. Topologie
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Gewicht
NRC Kosten
Parametrisierbarkeit Designaufwand
Leadtime
Nachweis
Skala: 0 (schlecht) – 6 (Sehr gut)
Klassisch: AK = 11
Topologie: AK = 4
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Klassisches Design vs. Topologie Optimiert
Metal Additive Design Technology (PETA) – DLR Braunschweig, 19. Oktober
“Design for manufacturing” “Design for weight and
structure function”
Global winner
11 : 4
For now..
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Bewertung – Klassisches Design vs. Topologie
Metal Additive Design Technology (PETA) – DLR Braunschweig, 19. Oktober
Gewicht
NRC Kosten
Parametrisierbarkeit Designaufwand
Leadtime
Nachweis
Skala: 0 (schlecht) – 6 (Sehr gut)
Klassisch: AK = 11
Topologie: AK = 4
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Topologie Optimierung (SIMP) Biegeträger
mit und ohne Penalisierungsexponent p
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Volumen: 1.196E+03
Compliance LC1: 5.493E+01
Compliance LC2: 1.497E+01
Volumen 1.335E+03
Compliance LC1: 5.497E+01
Compliance LC2: 1.499E+01
F1
F2
F1
F2
p=3
p=0
Ausgangsvolumen:
3.520E+03 Δ4%
E/E0
r/r0
(r/r0)p
1
1
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Metall mit gradueller Dichteverteilung ?
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Künstlichen Zwischendichten als Raumgitter darstellbar?
Quelle: LZN Hamburg
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Größenskala der Fertigung
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m cm mm µm
Grenze der
Fertigbarkeit
Quelle: LZN Hamburg
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Design Freiheit…
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Neu denken…
Metallischer
3D-Druck
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Topologie Ergebnis (SIMP)
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Picture by courtesy of
Altair Engineering
Zwischendichte Elemente werden
entsprechend Ihrer errechneten Steifigkeit (ke)
als äquivalentes Raumgitter ausgeprägt.
𝒌𝒆𝑘0
=𝝆𝒆𝜌0
𝑝
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Raumgitter mögliche Eigenschaften
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- 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*
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Automatisierte Design Interpretation
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- Mathematisch beschreibbar
- Parametrisierbar
- Kombinierbar
= Programmierbar
„Konstruktionsroboter“
= Automatisierbar
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• Altair Engineering – OptiStruct
• Autodesk – Within Labs
Erste Anbieter
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Klassisch: AK = 11
Topologie: AK = 4
Mikrogitter: AK = 13
Gewicht
NRC Kosten
Parametrisierbarkeit
Automatisierbarkeit
Designaufwand
Leadtime
Nachweis
Skala: 0 (schlecht) – 6 (Sehr gut)
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Material Zuliefererketten
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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
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Design & Fertigungsfreiheit radikal neu gedacht
Metal Additive Design Technology (PETA) – Ort, Datum
Quelle: Altair Engineering
& Renishaw
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• Nachweis
• Statische Festigkeit
• Ermüdungsverhalten
• Damage Tolerance
• Plausibilität
Probabilistischer Ansatz?
• Fertigung
• Nachbehandlung
• Eigenspannungen
• Pulverentfernung
• Inspektion
• Korrosionsthemen
• Wasseransammlung
• Schadenserkennung
Herausforderungen
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Forschungsthemen für die Zukunft Quelle: Altair Engineering & Renishaw
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Zitat
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„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
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