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Spierings, Adriaan © 03/2016 inspire AG 1 1

Composites mit additiv gefertigten Komponenten –

Added value für den Leichtbau

A.B. Spierings Head R&D SLM

Inspire AG – Innovation centre for additive manufacturing, Switzerland

Additive Fertigung in der Leichtbau-Fabrik von morgen

22. März 2016

Spierings, Adriaan © 03/2016 inspire AG 2

Agenda

Einleitung

– F&E Fokus @ inspire - icams

– Anwendungsfelder für additive Fertigung

Leichtbau, additive Fertigung und

Composite

– Generelle Problemstellung

Additive Fertigung von Lasteinleitungen

– Anwendungsfälle

Schlussfolgerungen

Inspire-icams: Additiv gefertigte Lastein-

leitung in CFK


inspire

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

ETH Zurich

Technopark Zurich, Headquaters

Empa St.Gallen, icams


Additive Fertigung

– Additive Technologien

– Selective Laser Melting (SLM) Metalle

– Direct Metal Deposition (DMD) Metalle

– Selective Laser Sintering (SLS) Kunststoffe

Keramik

St.Gallen: Pulver-bett basierte Verfahren

Ziel: Industrielle Anwendungen

Fokus inspire-icams

SLM machine

SLS machine

DMD machine


Forschungsfokus inspire-icams

Materialien

• Pulver-Anforderungen

• Neue Materialien • Hybride Materialien

• Optimierte Legierungen

• Material Charakterisierung • Mikrostruktur

• Mechanische Eigenschaften

• ……

AM-Prozesse

• Prozessfenster für Materialien

• SLM- / SLS- Prozess Simulation • Spannungen

• Prozess-Effekte

• Prozess Produktivität

Anwendungen

• Leichtbau-Strukturen

• Strukturell optimierte Bauteile

• Werkzeuge

• Fertigung industrieller Bauteile

Anlagentechnik

• Maschinen-Konzepte

• Optimierung von Teilprozessen

• Steigerung der Gesamt-Performance

• QS for AM

Standardisation (ASTM-ISO, VDI)


Leichtbau,

additive Fertigung

und

Composite


Anwendung additiver Fertigung

Wann macht additive Fertigung Sinn?

Mehrwert! Komplexität

Leichtbau

Werkzeug Temperie-

rung

Prototyp Kleinserie

Personali-sierung

Gitter-

Strukturen

Bionische

Strukturen

Topologie-

Optimierung


Die Natur macht es uns vor…

Komplexität im Leichtbau

Gitter-

Strukturen

Bionik

Topologie-

Optimierung

Quelle: C. Mattheck

Natur Technik

Sandwich Platte, www.directindustry.de


Generelle Problemstellung: Lasteinleitungen

Technik: Sandwich-Platten

- Steife Deckplatten –

weicher Kern

- Hohe spezifische

Steifigkeit und

Festigkeit

- … aber hier gibt’s ein

Problem

wie leitet man lokale

Lasten ein? Sandwich Platte, www.directindustry.de

Technik: Sandwich-Platten

- Steife Deckplatten –

weicher Kern

- Hohe spezifische

Steifigkeit und

Festigkeit

- … aber hier gibt’s ein

Problem

wie leitet man

lokale Lasten ein?

steif

weich


Generelle Problemstellung: Lasteinleitungen

Lösung: Die Natur macht es uns vor…

Sandwich Platte, www.directindustry.de

Der Wurzelstock

- Lasteinleitung in einen

weichen Untergrund

- Grosser Wurzelstock –

feine Wurzeln

homogene, verteilte

Lasteinleitung


Anwendung additiver Fertigung

Kombination Additive Fertigung & Composite Strukturen

1. CFRP extremes Leichtbau-

potential (Carbon Fiber)

2. Faser-Orientierung optimiert auf

den Lastfall

3. Integration von Funktionen

möglich

4. Werkzeuge notwendig um

geometrische Komplexität zu

ermöglichen

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

1 Leichtbau-

Materialien

2 designed

Anisotropie 4 geometrical

complexity

3 Integration von

Funktionen


Anwendungsfall 1: AMZ

Formula Student

http://www.amzracing.ch/amz/index.ort


Brackets

Anwendungsfall 1 : AMZ


Optimierung & Additive Fertigung

34% Gewichtseinsparung

gegenüber Konventioneller Fertigung

Anwendungsfall 1 : AMZ

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. 785-790, 2011.

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* 640 760 30

Handbook**

170 - 310 480 – 620 30 – 50 *

(Spierings et al. 2010, Spierings et al. 2011); **

(GRANTA-

software 2011)


Anwendungsfall 2: Rotorblätter

Rotorblätter von Windenergieanlagen

– Axiale Last in eine Faserverbund-Struktur

einleiten



Rotorblätter von Windkraftanlagen

– Axiale Last in eine Faserverbund-Struktur einleiten

– Test-Struktur

– Glasfasern

– Laminataufbau: 9 Schichten (+45 / -45 / 0 / 0 / 90 / 0 / 0 / -45 / +45)

F

F

Side view

Top view



Additiv gefertigte Lasteinleitungen

Form A: Form B: Form C:

Form- / Kraftschluss Formschluss Kraftschluss



Additiv gefertigte Lasteinleitungen

5.4 x bessere Performance


Anwendungsfall 3: Instrumentenpanel

Instrumentenpanel im PC-6 Turboporter



Instrumentenpanel

Rivet nut

DZUS

fastener DZUS

fastener

Rivet nut

Support

strap

Base plate



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



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




– Gezielte Anpassung der mechanischen Festigkeit / Performance




– Konzept für SLS-Kerne (PA12)

– Insert Konzept (gefertigt mit SLM)




3. Tooling for support

strap (SLS)

Prepreg Positioning

2. Snap-in mount (SLM)

Quick positioning

1. Pocket with insert (SLM)

Plug & Play



Fertigung



Resultate

– 40 % Gewichtseinsparung durch CFRP Sandwich & AM



Resultate

– 50 % weniger Bauteile

– … und 56% weniger Arbeitsschritte !!


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.


Was kann dabei SLM bieten?

Fertigung komplexer Bauteile…

Inspire-irpd: Spongiosa Gitter

Ventilblock Komplexe Teile mit hoher

Funktionsintegration

Funktionsteile Mischer-Elemente

Prototypen für med. Implantate

(Titan)

Funktionsteile


A.B. Spierings Head R&D SLM

Lerchenfeldstrasse 5

9014 St.Gallen

[email protected] T. +41 71 274 73 19 F. +41 71 274 73 11 www.inspire.ethz.ch

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