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© Fraunhofer EMI | 15. November 2019 | Konstantin Kappe | [email protected]
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Professional Motor Sport World Expo
15. November 2019
ADDITIVE FERTIGUNG IN HOCHLEISTUNGSANWENDUNG FÜRMETALLISCHE WERKSTOFFE
Konstantin Kappe, M.Sc.
Fraunhofer EMI, Freiburg
Projektmanager, Additive Design and Manufacturing
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Additive Fertigung in Hochleistungsanwendung für metallische werkstoffe
Agenda
nDie Fraunhofer Gesellschaft und das Fraunhofer EMI
nAdditive Fertigung mit Metallen
nNeue Möglichkeiten durch additive Fertigung
nQualitätssicherung
nProjektbeispiele
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Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik,Ernst-Mach-Institut, EMI
Defense Security Automotive Space Aviation
Fraunhofer EMI
n Erstklassige Forschungsdienstleistungen und Spitzentechnologie in unseren Geschäftsfeldern
n Lösungen für Sicherheit, Zuverlässigkeit und Resilienzn Kurzzeitdynamik in Experiment, Modellbildung
und Simulation aus einer Hand
Fraunhofer Gesellschaftn Anwendungsorientierte Forschung zum
unmittelbaren Nutzen für die Wirtschaft und zum Vorteil für die Gesellschaft
n 72 Institute und Forschungseinrichtungenn 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
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Additive Design and Manufacturingam Fraunhofer EMI
Additive Design Quality AssuranceAdditive Manufacturing
n Neue Anwendungsfelder, Produktlösungen
n Multi- und interdisziplinäres Design
n Innovative Fügeverbindungen und Leichtbauweisen
n Strukturierung von Werkstoffen
n Entwicklung von Prozessparametern
n Werkstoffmechanische Bewertungsfähigkeit
Forschungsfelder
Übertrag in die Praxis
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3D-Druck Laborzentrum für Strukturwerkstoffe Im Neubau des Fraunhofer EMI am Standort Freiburg
3D-Druck von Strukturwerkstoffen:
n Metalle bis zu 400 x 400 x 400 mm! im Selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM/DMLS)
n Verbundwerkstoffe im Filamentschmelzverfahren (FFF) bis zu 330 x 250 x 200 mm³
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Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting - LBM)Funktionsprinzip
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Material für den metallischen 3D-Druck
SLM Prozess
AlSi10Mg SCALMALLOY® TiAl6V4
Elastizitätsgrenze [MPa] 230 470 1020
Zugfestigkeit [MPa] 370 520 1290
E-Modul [GPa] 70 70 110
Dichte [g/cm"] 2,67 2,67 4,41
Bruchdehnung [%] 6 13 14
AlSi10Mg
Materialien für additive Fertigung
Schwermetalle
Stähle
Titan (z.B. TiAl6V4)
Aluminium-legierungen
Nickel-legierungen
Scalmalloy®
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Zentrale Fragen in der anwendungsorientierten Forschung
Welche (neuen) Möglichkeiten ergeben sich durch die additive
Fertigung?
Funktionsgerechtes Design
DesignedMaterials
Funktionsintegration/ Hybrid-Bauweise
Wie kann man die Qualität in der additiven Fertigung prüfen und sicherstellen?
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Produktentwicklung für die additive FertigungFunktionsgerechtes Design
Anforderungen Struktur-optimierungRedesign & Reanalyse
ProzessKompensation Preprocessing
Welche Lasten treten auf?
n Mechanisch
n Thermomechanisch
n (Strömungsmechanisch)
Welche Randbedingungen treten auf?
n Funktionsflächen
n Symmetrie
n ….
Kraft, F
Lagerung
Z
X
Y
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Für welche Designvariablen (Gestalt)
erreicht die Zielfunktion (Steifigkeit,
Gewicht) ihr Optimum?
Was soll optimiert werden: Zielfunktion
Steifigkeit, Gewicht, Schwerpunkt, thermische Nachgiebigkeit...
Anforderungen Struktur-optimierungRedesign & Reanalyse
ProzessKompensation Preprocessing
StrukturoptimierungFunktionsgerechtes Design
Was kann optimiert werden: Designvariablen
• Materialverteilung im Designraum –Topologieoptimierung
• Parameter (z.B. Wandstärke) - Sizeoptimierung• Form - Shapeoptimierung
1
2
Gesuchte Lösung:
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DesignraumNicht-Designraum
StrukturoptimierungFunktionsgerechtes Design
Start-Design
Simulation
• Analyse des Designs• FEM• CFD• …
Optimierung
• Anpassung des Designs• Gradienten• Evolutionär• …
Ziel-Design
Anforderungen Struktur-optimierungRedesign & Reanalyse
ProzessKompensation Preprocessing
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Redesign und ReanalyseFunktionsgerechtes Design
Anforderungen Struktur-optimierungRedesign & Reanalyse
ProzessKompensation Preprocessing
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Additive Fertigung – Orientierung und Prozesssimulation
Prozesssimulation: Im Prozess
Prozesssimulation: Nach Fertigung
Orientierungsanalyse
Anforderungen Struktur-optimierungRedesign & Reanalyse
ProzessKompensation Preprocessing
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Weitere Beispiele für neue Möglichkeiten im DesignFunktionsintegration/ Hybrid-Bauweise
Kombination von Kohlenstoff-Verbundstoff mit 3D-gedruckten Metallen
Integration von Thermoelementen und Kühlkanälen
Integration von Dehnungsmessstreifen
Integration von Temperatursensoren
Integration eines Kühlersbei einer Optischen Bank
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Die richtigen Materialeigenschaften für die gewünschte Funktion Designed Materials
Design lokaler Materialeigenschaften
1,5 mm
200 µm
750µm
10 µm
Mesostrukturen
Geometrische Mikrostrukturierung
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MaterialcharakterisierungQualitätsicherung
n Materialprüfung bspw. über Zug-, Druck-, Torsionsversuche
n Werkstoffanalytik 3D-gedruckter Materialien
n Werkstoffgefügeuntersuchungen
n Porositätsanalysen
n Bestimmung von Eindringtiefen / Aushärtebreiten der Schmelzspuren
n Werkstoffcharakterisierung
n Bestimmung der Kristallorientierungen
EBSD-Analyse eines Stahls
Gefügeuntersuchung
Zugproben
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Qualitätssicherung mit fortschrittlichen BildgebungstechnologienQualitätsicherung
CT-Scan Technologie
Hochpräzises Scannen bis zu 15 micrometers:Bewertung sowohl der geometrischen Toleranzen als auch der Oberflächenrauheit
3D Scan von Bauteilen und Strukturen
Hochpräzises Scannen bis zu 500 nm
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Beispiele: Experimentelle BauteiluntersuchungQualitätsicherung
Vibrational verification
Shaker test Komponentencrashanlage
Bauteilzugversuch
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Forc
e [N
]
Distance [mm]
Absorbed Energy
Max. Force
Force Plateau
Leichtbau bei der Auslegung einer Crashkomponente mit additiver FertigungOptimierung eines Längsträger mit der Topologieoptimierung
Aufbau eines FE Models
Toplogie-optimierung Designergebnisse
Additive Fertigung
n Topologieoptimierung unter Einbezug von dynamischer Crashbelastung
n Fertigung und experimentelle Untersuchung auf Komponentencrashanlage
n Durch Integration von Gitterstrukturen konnte spezifische Energieabsorption um 277 % und die Lastgleichheit um 63 % erhöht.
Längsträger
Experiment
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Leichtbaudesign einer metallischen Strukturkomponente einer Flugzeugladeklappe
n numerischer Verfahren für die Strukturauslegung
n Sicherheitskritische, robuste Auslegung
n Nachhaltigkeitsbetrachtung anhand einer LCA und Ressourceneffizienzstudie
n Fertigung durch LBM auf EOS M400:
n Material: Aluminium
n Abmaße ca.: 35cm x 20cm x 18cm
Leichtbau höchstbelasteter 3D-Druck BauteileEntwicklung Technischer Prototyp im Flugzeugbau
Optimiertes Bauteil (CAD)
Flugzeugladeklappe (CAD)Topologieoptimierung Prozesssimulation Prototypenfertigung
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Satellitenhalterung für optische KomponentenDesignziele: n 1. Eigenfrequenz >150Hz
n Stabiles Design gegen Sinus- und Random Vibrationen
n Thermische Optimierung
n Strukturoptimierung
n Abmaße ca.: 30cm x 23cm x 10cm
Multidisziplinäre Designoptimierung eines SatellitenbauteilsThermische und mechanische Optimierung einer Optischen Baugruppe
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Studie zur additiven Fertigungsverfahren in der industriellen ProduktionÖkologische und ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwands
Integralträger
Dämpfergabel
DämpferFedergabel
Ziele
n Optimierung einer Fahrzeug Dämpfergabel
n Evaluierung der Additiven Fertigung von Kleinserien Fertigung bis zu einer Stückzahl von 10.000
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In Entwicklung: Serviceplattform für AM Designautomatisierung
Kunde
• Anforderungsspezifikation• Optimierungs Ziel
• (Konventionelles Design)
Additional services:
Multi-Material Optimierung
MultidisziplinäreStrukturoptimierung
Integration von energieabsorbierenden
Strukturen
…
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Fraunhofer Additive
Manufacturing Alliance
Sprecher: Dr.-Ing. Bernhard MuellerBüro: c/o Fraunhofer IWU, Nöthnitzer Straße 44,01187 Dresdenhttp://www.generativ.fraunhofer.de
3D-Druck bei der Fraunhofer Gesellschaft Ein Thema – Neunzehn Institute – Eine Allianz – Allianz Generativ
EngineeringEntwicklung von neuen Produktdesigns und geeigneten Prozessketten
MaterialsEntwicklung neuer Materialien
TechnologiesEntwicklung (kosten-)effizienter Prozesse
QualityKontrolle und Sicherstellung der Reproduzierbarkeit und Produktqualität
http://www.generativ.fraunhofer.de/
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Am Fortschritt partizipieren
CAD
Wir beraten Sie gerne…
Konstantin KappeFraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut Additive Design & ManufacturingTel: +49 (761) 2714 – [email protected]
www.emi.fraunhofer.de