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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
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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Vorstellung Lehrstuhl KIMA
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
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Vorstellung Lehrstuhl KIMA
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)
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Vorstellung Lehrstuhl KIMA
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
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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Motivation und Aufgabenstellung
Industrielles Umfeld
Wörth
Boppard
Bad
Marienberg
Konz
Windhagen
Simmern
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Motivation und Aufgabenstellung
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
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Motivation und Aufgabenstellung
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!
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Motivation und Aufgabenstellung
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
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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Grundlagen 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
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Grundlagen additive Fertigung
Wichtige additive Fertigungsverfahren für den industriellen Einsatz
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Grundlagen additive Fertigung
Wichtige additive Fertigungsverfahren für den industriellen Einsatz
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Grundlagen additive Fertigung
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)
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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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
•Optimierungsziele
•Geometrierückführung
•Konstruktionsgeometrie
•Fertigungsgeometrie
•Designrichtlinien
•Aufmaße
•Optimiertes Bauteil
•Festigkeitsnachweis
•Additive Fertigung
•STL-Modell
•FDM-/SLS-Verfahren
•ABS, PLA, PA
•Additive Fertigung
•Hybride Fertigung
•STL-Modell
•SLM-/DMD-Verfahren
•Nachbearbeitung
•E- und NE-Metalle
•Prüfstand
•Feldversuch
•Additive Fertigung
•Hybride Fertigung
•Designraum
•Designvariablen
•Restriktionen
•Zielfunktionen
•Fertigungsstrategie
•Designrichtlinien
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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
•Optimierungsziele
•ggf. Istzustand
•Optional
•Istzustand
•Restriktionen
•Optimierungsziele
•Geometrierückführung
•Konstruktionsgeometrie
•Fertigungsgeometrie
•Designrichtlinien
•Aufmaße
•Optimiertes Bauteil
•Festigkeitsnachweis
•Additive Fertigung
•STL-Modell
•FDM-/SLS-Verfahren
•ABS, PLA, PA
•Additive Fertigung
•Hybride Fertigung
•STL-Modell
•SLM-/DMD-Verfahren
•Nachbearbeitung
•E- und NE-Metalle
•Prüfstand
•Feldversuch
•Additive Fertigung
•Hybride Fertigung
•Designraum
•Designvariablen
•Restriktionen
•Zielfunktionen
•Fertigungsstrategie
•Designrichtlinien
Produktentwicklungsprozess (PEP)
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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Topologieoptimierung
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
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Topologieoptimierung
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:
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Topologieoptimierung
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
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Randbedingungen Optimierung (OptiStruct)
• Zielfunktion:
Steifigkeit maximieren (min compliance)
• Systemantworten:
compliance und massfrac
• Dickenrestriktion:
Minimum 10 mm
• Fertigungsrandbedingung:
45° Symmetrieebene
• Softwareversion:
Hyperworks OptiStruct 13
Topologieoptimierung
Non-Designbereiche
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Topologieoptimierung
Optimierungsergebnis Winkelhebel
Ergebnis Inspire Ergebnis OptiStruct
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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Konstruktive Ausarbeitung
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
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Konstruktive Ausarbeitung
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
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Konstruktive Ausarbeitung
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
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Konstruktive Ausarbeitung
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
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Konstruktive Ausarbeitung
Flächenbasierte Rückführung – Möglichkeiten der Umsetzung
• Rekonstruktion des Facettenmodells bzw. der Bauteiloberfläche über
Patches von PolyNURBS mit solidThinking Inspire 2016 Beta
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Konstruktive Ausarbeitung
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)
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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Additive Fertigung
Arbeitsvorbereitung
• Erzeugung STEP-Modell
• Erzeugung STL-Modell mit GOM Inspect
• Slicing und Stützstrukturgenerierung
• Anlage: Stratasys Dimension Elite (ABS)
• Verfahren: Fused Deposition Modeling
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Additive Fertigung
Additiv gefertigtes Bauteil
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Agenda
Vorstellung Lehrstuhl KIMA
Motivation und Aufgabenstellung
Grundlagen additive Fertigung
Produktentwicklungsprozess
Topologieoptimierung
Konstruktive Ausarbeitung
Additive Fertigung
Zusammenfassung und Ausblick
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Zusammenfassung und Ausblick
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)
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Zusammenfassung und Ausblick
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
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Zusammenfassung und Ausblick
Quelle: voxeljet AG Copyrigh: EDAG Engineering GmbH
Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch kombinierte Fertigung:
• Additive Fertigung und Gießen (Rapid Tooling)
• Hybride Fertigung
Quelle: Trumpf
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Kontakt
Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!
Kontaktpersonen/Ansprechpartner:
Karsten Hilbert (KIMA), [email protected]
Maximilian Ley (KIMA), [email protected]