Topologieoptimierung und additive Fertigung in der ... · Methodisches Konstruieren (z.B. nach VDI 2221) Möglichst früher Kontakt mit virtueller Produktentwicklung Erlernung von

© KIMA 2016, Dipl.-Ing. Karsten Hilbert www.uni-kl.de/kima 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


Agenda

Vorstellung Lehrstuhl KIMA

Motivation und Aufgabenstellung

Grundlagen additive Fertigung

Produktentwicklungsprozess

Topologieoptimierung

Konstruktive Ausarbeitung

Additive Fertigung

Zusammenfassung und Ausblick



Forschungsprofil

• Konzeption von Produkt-entwicklungsprozessen

• 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



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)



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


Agenda







Additive Fertigung




Industrielles Umfeld

Wörth

Boppard

Bad

Marienberg

Konz

Windhagen

Simmern



Motivation

• TU eingebunden in die Nutzfahrzeugbranche

• Merkmale von Nutzfahrzeugen

Investitionsgüter

Lange Produktlebensdauern

Hoher Individualisierungsgrad

Geringe Stückzahlen

Konventioneller Maschinenbau

Komplexe Beanspruchung vieler Bauteile

Energieeffizienz

Potenziale für mechanische Optimierung und additive Fertigung?

Quelle: Volvo CE

Quelle: Terex Corporation

Quelle: Volvo CE



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!



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


Agenda







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



Wichtige additive Fertigungsverfahren für den industriellen Einsatz



Wichtige additive Fertigungsverfahren für den industriellen Einsatz



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 3405-3)


Agenda







Additive Fertigung



Analyse FEM-

Simulation Topologie-

Optimierung konstruktive Ausarbeitung

FEM-Simulation

Produktentwicklungsprozess (PEP)

Integration von Optimierung und additiver Fertigung in den PEP

Kunststoff-Prototyp

Metall-Prototyp

Versuch Serienteil

•Bauraum

•Randbedingungen

•Optimierungsziele

•ggf. Istzustand

•Optional

•Istzustand

•Restriktionen


•Geometrierückführung

•Konstruktionsgeometrie

•Fertigungsgeometrie

•Designrichtlinien

•Aufmaße

•Optimiertes Bauteil

•Festigkeitsnachweis

•Additive Fertigung

•STL-Modell

•FDM-/SLS-Verfahren

•ABS, PLA, PA


•Hybride Fertigung

•STL-Modell

•SLM-/DMD-Verfahren

•Nachbearbeitung

•E- und NE-Metalle

•Prüfstand

•Feldversuch



•Designraum

•Designvariablen

•Restriktionen

•Zielfunktionen

•Fertigungsstrategie



Analyse FEM-

Simulation Topologie-

Optimierung konstruktive Ausarbeitung

FEM-Simulation

Integration von Optimierung und additiver Fertigung in den PEP

Kunststoff-Prototyp

Metall-Prototyp

Versuch Serienteil

•Bauraum

•Randbedingungen


•ggf. Istzustand

•Optional

•Istzustand

•Restriktionen


•Geometrierückführung

•Konstruktionsgeometrie

•Fertigungsgeometrie


•Aufmaße

•Optimiertes Bauteil

•Festigkeitsnachweis


•STL-Modell

•FDM-/SLS-Verfahren

•ABS, PLA, PA



•STL-Modell

•SLM-/DMD-Verfahren

•Nachbearbeitung

•E- und NE-Metalle

•Prüfstand

•Feldversuch



•Designraum

•Designvariablen

•Restriktionen

•Zielfunktionen

•Fertigungsstrategie


Produktentwicklungsprozess (PEP)


Agenda







Additive Fertigung




Ausgewähltes Musterbauteil

• Einfaches Bauteil

• Klassischer Winkelhebel

• Symmetrische Geometrie

• 140 mm Lagerabstände

• 10 mm Wandstärke

• Werkstoff: S355

• Volumen: ca. 156 cm³

• Gewicht: ca. 1248 g

2 kN L3

L1 L2

Topologieoptimierung:

• OptiStruct

• solidThinking Inspire



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 3405-3) sind zu beachten

Zielkonflikt:



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


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



Optimierungsergebnis Winkelhebel

Ergebnis Inspire Ergebnis OptiStruct


Agenda







Additive Fertigung




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



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



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



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



Flächenbasierte Rückführung – Möglichkeiten der Umsetzung

• Rekonstruktion des Facettenmodells bzw. der Bauteiloberfläche über

Patches von PolyNURBS mit solidThinking Inspire 2016 Beta



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)


Agenda







Additive Fertigung



Additive Fertigung

Arbeitsvorbereitung

• Erzeugung STEP-Modell

• Erzeugung STL-Modell mit GOM Inspect

• Slicing und Stützstrukturgenerierung

• Anlage: Stratasys Dimension Elite (ABS)

• Verfahren: Fused Deposition Modeling


Additive Fertigung

Additiv gefertigtes Bauteil


Agenda







Additive Fertigung




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 Opti-

mierung und konstruktiven Ausarbeitung berücksichtigt werden (VDI 3405-3)



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



Quelle: voxeljet AG Copyrigh: EDAG Engineering GmbH

Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch kombinierte Fertigung:

• Additive Fertigung und Gießen (Rapid Tooling)

• Hybride Fertigung

Quelle: Trumpf


Kontakt

Vielen Dank für

Ihre Aufmerksamkeit!

Kontaktpersonen/Ansprechpartner:

Karsten Hilbert (KIMA), [email protected]

Maximilian Ley (KIMA), [email protected]

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