Weniger ist mehr. Strukturoptimierter 3D-Druck für den Maschinen- und Anlagenbau Weniger ist mehr. Strukturoptimierter 3D-Druck für den Maschinen- und Anlagenbau • Motivation & Krause DiMaTec • Identifizierung von Anwendungen • Strukturoptimierung eines Anlenkhebels Weniger ist mehr. Strukturoptimierter 3D-Druck für den Maschinen- und Anlagenbau • Motivation & Krause DiMaTec • Identifizierung von Anwendungen • Strukturoptimierung eines Anlenkhebels HorstmannGroup Die HORSTMANNGROUP ist ein Verbund von Industrie-, Dienstleistungs- und Handelsunternehmen. Sie besteht aus 30 Unternehmen in den fünf Hauptsparten Möbelindustrie, Graphische Industrie, Metallverarbeitende Industrie, Bäckereitechnik und IT & EDV mit ca. 1.100 Beschäftigten. Möbelindustrie 23. Mai 2016 Graphische Industrie Thomas Reiher Metallverarbeitung 4 Bäckereitechnik © Krause DiMaTec GmbH IT & EDV Motivation Den Schwerpunkt der HORSTMANNGROUP bilden Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus. Die Herausforderungen in diesem Bereich liegen in Bauteilen mit hoher Geometriekomplexität, kundenindividuellen Anpassungen, Leichtbaustrukturen, Funktionsintegration, Kleinserienfertigung und kurze Lieferzeiten. Weiterhin bestehen weitreichende Kompetenzen im Bereich der spanenden Bearbeitung von Metall- und Kunststoffbauteilen. Es besteht großes Potential für additive Fertigungstechnologien, sowohl in der Endbearbeitung als auch im Einsatz der Bauteile. Krause DiMaTec (Direct Manufacturing Technologies) wurde als Kompetenzzentrum gegründet. CNC-Bearbeitung 23. Mai 2016 Thomas Reiher Maschinen- und Anlagenbau 5 © Krause DiMaTec GmbH Additive Fertigung im Maschinenbau Vom Konzept bis zur einbaufertigen Komponente Über uns Unser Leistungsspektrum Die Krause DiMaTec GmbH ist der zentrale Ansprechpartner für die additive Fertigung im Maschinen- und Anlagenbau sowie verwandter Branchen. Wir unterstützen unsere Kunden entlang der gesamten Prozesskette, von der Technologieauswahl über die Konzipierung und Konstruktion bis zur belastungsangepassten Optimierung. Weiterhin bieten wir die Produktion einbaufertiger Komponenten • • • Beratung: Wir unterstützen Sie beim Einsatz additiver Technologien, z.B. Identifikation von Anwendungsfeldern, Abschätzung der Potentiale oder Technologieanalysen. Entwicklung: Unsere Leistungen decken den gesamten Produktentwicklungsprozess ab, vom ersten Konzept bis zum belastungsoptimierten Bauteil. Produktion: Wir liefern einbaufertige Komponenten und Baugruppen, vom Prototyp bis zur Kleinserien. Forschungskooperationen & Netzwerke Konzipierung Konstruktion Interne Kunden Arbeitsvorbereitung Produktion Externe Kunden CNC-Bearbeitung 23. Mai 2016 Thomas Reiher 6 Unternehmen des Maschinenund Anlagenbaus © Krause DiMaTec GmbH Additive Fertigung im Produktentstehungsprozess (1/2) 3D-Modell Pulver Additive Fertigung Bauteil Beispiel Anlagenhersteller Testbauteil Industrie Nutzung des Technologiepotentials 23. Mai 2016 Thomas Reiher 7 © Krause DiMaTec GmbH Additive Fertigung im Produktentstehungsprozess (2/2) Ziel: Integration von additiven Produktionstechnologien in den Produktentstehungsprozess für die Kleinserienfertigung maschinenbaulicher Anlagen. Konzipierung 3D-Modell Pulver Arbeitsvorbereitung Konstruktion Additive Fertigung Bauteil Fertigung Montage Ausrichtung auf der Bauplattform Montageschritte integrieren Geometriefreiheit nutzen Funktionsintegration 23. Mai 2016 Thomas Reiher 8 © Krause DiMaTec GmbH Betrieb Weniger ist mehr. Strukturoptimierter 3D-Druck für den Maschinen- und Anlagenbau • Motivation & Krause DiMaTec • Identifizierung von Anwendungen • Strukturoptimierung eines Anlenkhebels Bauteilidentifizierung (1/3) Anwendungen für die additive Fertigung Bauteile (Intrinsische) Motivation Anwendungen für die additive Fertigung Baugruppen Abbildung der vollständigen Prozesskette Anlagen / Produkte Additive Fertigung für Entwicklungsprojekte AM-Potential erkennen Stückzahlbereich < 1000 pro Jahr Die Funktion besteht aus vielen Teilfunktionen Möglicher Mehrwert durch additive Fertigung: Funktionsintegration Es sind viele Bauteile zur Erfüllung der Anforderungen notwendig Möglicher Mehrwert durch additive Fertigung: Reduktion der Bauteilanzahl Das Gewicht des Bauteils / der Baugruppe spielt eine Rolle Möglicher Mehrwert durch additive Fertigung: Leichtbau, optimale Bauteile Das Bauteil hat eine komplexe Geometrie Möglicher Mehrwert durch additive Fertigung: Realisierung von Komplexität Das Bauteil / die Baugruppe wird kundenindividuell angepasst Möglicher Mehrwert durch additive Fertigung: Stückzahl 1 Einsetzbare Fertigungsverfahren Der Montageaufwand der Baugruppe ist relevant Herausforderungen Möglicher Mehrwert durch additive Fertigung: Intelligente Formgebung Stückzahlbereich > 1000 pro Jahr Die Stückzahl unterliegt Schwankungen oder Unsicherheiten Möglicher Mehrwert durch werkzeuglose Fertigung 23. Mai 2016 Thomas Reiher 10 © Krause DiMaTec GmbH additive Fertigung: Reaktionsschnelle Bauteilidentifizierung (2/3) Stückkosten Stückkosten Anwendungen für die additive Fertigung Spritzguss Konventionelle Fertigung Additive Fertigung Additive Fertigung Stückzahl Komplexität Quelle: Vgl. Zäh, M. F.: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien. Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren. Carl Hanser Verlag, München, 2013, S. 5 und S. 170f Bauteile mit geringer Stückzahl • Einzelteile, Klein- und Mittelserienteile • Kundenindividuelle Teile 23. Mai 2016 Thomas Reiher Komplexe Bauteile • Hochfunktionale Bauteile 11 © Krause DiMaTec GmbH Bauteilidentifizierung (3/3) Anwendungen für die additive Fertigung Kostenaufteilung eines AM-Produkts Bauteile mit geringer Maschinenlaufzeit • • Quelle: Vgl. Lindemann, C./Jahnke, U./Klemp, E./Koch, R.: Additive Manufacturing als serienreifes Produktionsverfahren. Ökonomische und technologische Betrachtung einer Zukunftstechnologie. Universität Paderborn, Paderborn, 2013 Bauteile mit einer geringen Anzahl von Funktionsflächen Strukturoptimierter Leichtbau Ressourceneffizienz Bauteile mit wenig Gesamtvolumen 23. Mai 2016 Thomas Reiher 12 © Krause DiMaTec GmbH Weniger ist mehr. Strukturoptimierter 3D-Druck für den Maschinen- und Anlagenbau • Motivation & Krause DiMaTec • Identifizierung von Anwendungen • Strukturoptimierung eines Anlenkhebels Fallstudie – Anlenkhebel (1/10) Video Scherenkinematik 23. Mai 2016 Thomas Reiher 14 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (2/10) B C A Konventionell Schweißbaugruppe A: Ansteuerung des Anlenkhebels B: Drehachse C: Anbindung der Schere (Drehmomentstütze) Kenndaten: Material: 1.4301 Zerspanungsgrad: 87% Bauteilgewicht: 222g Funktion: Ansteuern einer Scherenkinematik Lastwechsel: 400/h Konventionell Fräsbauteil Bauteil Jahresbedarf: 20-25Stk. Halbzeug Losgröße: 5 23. Mai 2016 Thomas Reiher 15 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (3/10) Ausgangssituation, Unterteilung der Geometrie in Design und Non-Design 23. Mai 2016 Thomas Reiher 16 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (4/10) 300 N 1300 N Aufbringung der Lasten und Einspannungen 23. Mai 2016 Thomas Reiher 17 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (5/10) Dichte der Elemente nach der Topologieoptimierung 23. Mai 2016 Thomas Reiher 18 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (6/10) Optimierter Geometrievorschlag, ohne Nachbearbeitung 23. Mai 2016 Thomas Reiher 19 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (7/10) Optimierte Geometrie, nachbearbeitet und geglättet 23. Mai 2016 Thomas Reiher 20 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (8/10) Topologieoptimierung Video 23. Mai 2016 Thomas Reiher 21 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (9/10) Additive Fertigung des Anlenkhebels 23. Mai 2016 Thomas Reiher 22 © Krause DiMaTec GmbH Fallstudie – Anlenkhebel (10/10) Nachbearbeitung des Anlenkhebels spanend bearbeitete Funktionsflächen spanende Bearbeitung auf der Bauplattform Kenndaten: Das Bauteil wurde für die Belastung optimiert. Bauteilmasse: - 35 % 23. Mai 2016 Thomas Reiher • • • • • Material: 1.4404 Bauteilgewicht: 144 g Aufbauzeit: 6 Stunden Schichtdicke: 50 µm Anzahl der Schichten: 1480 23 © Krause DiMaTec GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Krause DiMaTec GmbH Paul-Schwarze-Str. 5 33649 Bielefeld www.krause-dimatec.de AM für die Raumfahrt Direct Manufacturing of structure elements for the next generation platform Case A “Serienteile” Wiederbenutzbar Case B Hochkomplexe Teile mit hoher buy-to-fly ratio funded by ESA under Artes 5.1 Contract No.: 4000107892 Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 25 Use case für neue Konstruktionsmethodik: Reaction Wheel Bracket Based on the outcomes of project: Direct Manufacturing of Structure Elements for Next Generation Platform, funded by ESA under Artes 5.1 Contract No.: 4000107892 Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 26 Design Optimierung des RW-Bracket • • • • • Maximal erlaubter Design Space Minimiere die aufsummierte Verschiebung Max Masse: 10 kg Max Verschiebung: 0.1 mm Min erste Eigenfrequenz: 140 Hz FE-Modell für Optimierung; max Design Space • • • • • Reduzierter Design Space Minimiere die aufsummierte Verschiebung Max Masse: 0.4 kg Max Verschiebung: 0.1 mm Min erste Eigenfrequenz: 140 Hz FE-Modell für Optimierung; reduzierter Design Space Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 27 Design Optimierung RW-Bracket Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 28 Warum CAD-Rückführung? Unklare Ergebnisse Unzureichende Auflösung Unzureichender Design Space Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 29 Design Optimierung RW-Bracket Ziel der Nachkonstruktion: Topologie Optimierungsergebnis Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 30 Design Optimierung RW-Bracket Redesign mit konventionellem CAD: Standard und Freiform-features Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 31 Methodik: Topologie Optimierung zu AM Polygon / Voxel B-Rep / CSG / NURBS Design Space Non-Design Space Verschnitt Verschnitt Erstellung patches Glättung und Löschen von Details Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 Optimierung Density threshold 32 Design Optimierung RW-Bracket FE-Meshals asPolygon polgyonModell model FE-Netz Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 33 Design Optimierung RW-Bracket Konvertierung in Voxel Modell Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 34 Design Optimierung RW-Bracket Löschen von Details und Oberflächenglättung Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 35 Design Optimierung RW-Bracket Feine Neuvernetzung Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 36 Design Optimierung RW-Bracket Autopatching – Von Voxeln zu NURBS Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 37 Design Optimierung RW-Bracket Kombination mit herkömmlich konstruierten CAD-Features Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 38 Design Optimierung RW-Bracket Ergebnisse Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 39 Beispiel RW-Bracket Gewicht: - 60% 1114 g 456 g Max Verschiebung (Analyse): - 37% 0.076 mm 0.048 mm 180 Hz 216 Hz Teileanzahl: - 50 % Buy-to-fly ratio: - 97% 42 Durchlaufzeit Von Wochen zu Tagen 1. Eigenfrequenz (Analyse): + 20% 56 kg 0.84 kg Produktionszeit: - 32% Kosten: - 53% 59h inkl. Kleine brackets (12h) ~ 40h (+ T6 HT) 8000€ 3800 € Thomas Reiher, M. Sc. 11.05.2016 40
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