PROJEKTGRUPPE R E S S O U R C E N E F F I Z I E N T E M E C H AT R O N I S C H E VERARBEITUNGSMASCHINEN RMV BIONISCHE LEICHTBAUSTRUKTUREN FÜR DIE ADDITIVE FERTIGUNG www.iwu.fraunhofer.de/rmv Auslegung von Bauteilen für die additive Fertigung unter dem bionischen Ansatz der kraftflussoptimierten und belastungsgerechten Anpassung KONSTRUKTION VON GITTERUND WABENSTRUKTUREN NACH PRINZIPIEN DER NATUR Ökologischer und ökonomischer Umgang mit Rohstoffen dank Materialeinsparungen Wettbewerbsvorteil durch Masseeinsparungen und Reduktion des Energiebedarfs im Betrieb Ideal einsetzbar in der Automobil-, der Luftund Raumfahrtindustrie und bei stark beschleunigten Anlagenkomponenten PROJEKTGRUPPE R E S S O U R C E N E F F I Z I E N T E M E C H AT R O N I S C H E VERARBEITUNGSMASCHINEN RMV KONTAKT Dipl.-Ing. Christian Seidel +49 821 56883 44 [email protected] Projektgruppe Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen RMV des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Beim Glaspalast 5 | 86153 Augsburg www.iwu.fraunhofer.de/rmv Richtung A8 München/ Stuttgart e Richtung Innenstadt le er A rlin Be ch Le l i-A k a as ag m A ll e e ha ag a l -Al ma Provinostr. ee P Beim Glaspalast 5 eräffl r. Schachst b N City-Galerie r. Provinost Innenstadt Richtung B17 Landsberg, B300 Friedberg Aufbau einer Biegebalken-Gitterstruktur: regelmäßig kraftflussangepasst mit belastungsangepassten Stabdurchmessern Das Potenzial der additiven Fertigung für bionische Ansätze im Leichtbau Mittels gängiger Fertigungstechnologien sind optimale Leichtbaukonstruktionen aufgrund verfahrensspezifischer Randbedingungen schwer umsetzbar. Abhilfe können hier die additiven Fertigungsverfahren, wie das Laserstrahlschmelzen, schaffen. Der schichtweise generierende Prozessablauf ermöglicht die Fertigung äußerst diffiziler Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit. Auch aufgrund geringer geometrischer Einschränkungen bietet die additive Fertigung das Potenzial, Leichtbauansätze beinahe uneingeschränkt umzusetzen und in ihrem vollen Potenzial auszuschöpfen. Zur Umsetzung bionischer Leichtbaustrukturen sind additive Fertigungsverfahren besonders geeignet. Vor diesem Hintergrund hat die Projektgruppe für Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen RMV des Fraunhofer IWU Leichtbauansätze für die additive Fertigung entwickelt und optimiert, welche sich Waben- und Gitterstrukturen aus der Natur zunutze machen und diese in die technische Anwendung übertragen. Bionische Vorbilder für Leichtbaustrukturen Die Schaffung anforderungsgerechter funktionaler Strukturen mit geringem Materialaufwand gehört in der Natur zu den zentralen Forderungen. Seit Urzeiten sind Leichtbauansätze zu finden, welche im Laufe der Evolution optimiert wurden. Gitterstruktren | Lösungsmöglichkei- ten für besonders werkstoffarme Konstruktionen zeigt z. B. das Schwammgewebe eines Oberschenkelknochens. Die Verwendung dort sichtbarer Gitterstrukturen bietet eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei vergleichsweise geringer Masse und ist ein etablierter Ansatz in der additiven Fertigung. Derzeit ist die Struktur jedoch fast ausschließlich auf einen regelmäßigen Aufbau begrenzt, was den Nachteil von Biegespannungen 2 bei einzelnen Gitterbalken unter besonders hoher Belastung aufweist. Um solche Spannungszustände zu vermeiden, wird die Struktur gemäß des Knochenaufbaus an den Kraftfluss im Bauteil angepasst. Dadurch ist es möglich, die Masse des Bauteils bei gleicher Festigkeit um 55 % zu reduzieren. Zusätzlich kann auch der Materialfüllgrad an die auftretenden Belastungen angepasst werden. Auch dieses Prinzip ist beim Knochenaufbau zu finden. Die Knochendichte steht im Verhältnis zu den auftretenden Belastungen. Die Querschnittsflächen der einzelnen Gitterstäbe werden belastungsgerecht optimiert. Dadurch kann eine einheitliche Materialbelastung erzielt und die Masse der Struktur nochmals annähernd halbiert werden. Wabenstrukturen | Weiterführend dienen diese Erkenntnisse auch dem Design von Sandwichbauteilen mit Wabenkern, welche in der Natur z. B. in der Schädelkapselwandung einiger Vögel zu finden sind. Ein leichter Kern wird mit festen, steifen Deckschichten versehen, wodurch sich ein Materialverbund ergibt, der deutlich bessere mechanische Eigenschaften aufweist als die Summe der Einzellagen. Bei solchen hochfesten Leichtbaukonstruktionen eignen sich Wabenstrukturen im Kern besonders gut, da durch die hexagonale Geometrie höchste Kompressionsbelastungen bei minimalem Kerngewicht aufgenommen werden können. Auch bei der Herstellung von Wabenstrukturen kann mittels additiver Fertigung ein differenzierter Materialfüllgrad verwirklicht werden. Ein durch die Verwendung konventioneller Fertigungsverfahren vorherrschender regelmäßiger Materialfüllgrad ermöglicht keine solche belastungsgerechte Optimierung der Struktur. Weiter können konventionell gefertigte Waben nur bedingt (um eine Achse verformt) an gekrümmte Freiformflächen angepasst werden. Eine Verformung um eine zweite Achse ist entweder nicht möglich, oder es resultiert aufgrund der kinematischen Zusammen- 4 3 hänge in der Struktur eine ungewollte Gegenverformung. Bauteile, welche für die Leichtbauoptimierung mittels dieses Ansatzes in Frage kommen, sind meist komplex geformt. Unter Verwendung der additiven Fertigung muss ihre Geometrie nicht mehr für die Verwendung ebener oder einfach gekrümmter Wabenkerne angepasst werden, sondern es kann umgekehrt die Wabenstruktur an beliebige Geometrien adaptiert werden. Mehrwehrt für Sie Durch die entwickelten Optimierungsverfahren und die Verwendung der additiven Fertigung wird es möglich, Bauteile zu designen und herzustellen, welche der allgemeinen bionischen Regel einer lageoptimalen Bauteilkonstruktion folgen. In einem Gespräch mit uns, können wir Ihnen Möglichkeiten einer Umsetzung der Erkenntnisse auch für Ihre Konstruktion eröffnen. KONTAKT Dipl.-Ing. Christian Seidel +49 821 56883 44 [email protected] Projektgruppe Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen RMV Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Beim Glaspalast 5 | 86153 Augsburg www.iwu.fraunhofer.de/rmv www.amlab.de BILD © Fraunhofer-Projektgruppe RMV 1 Komplex gekrümmter, additiv gefertigter Wabenkern 2 Wabenkern in einem SandwichVerbund 3 Belastungsangepasster Wabenkern