Ganz groß rauskommen
Vorteil: Additive Fertigung im Metalldruck
Im Jahr 2011 schlossen sich der südafrikanische Anbieter von Fertigungslösungen für die Luft- und Raumfahrt Aerosud und das südafrikanische Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) zusammen, um Aeroswift, ein 3D-Druck-Projekt, ins Leben zu rufen. Das ist ein System für die metallische additive Fertigung, mit dem ein bisher unerreicht großes Bauvolumen umgesetzt werden kann.
Das Ziel des Aeroswift-Systems besteht darin, das Potential der wachsenden 3D-Druck-Branche besser zu erschließen, die Wettbewerbsfähigkeit im Markt zu verbessern und Südafrika mit einem Wettbewerbsvorteil im 3D-Metalldruck auszustatten.
Mit dem System können größere Bauteile als jemals zuvor gedruckt werden – und das zudem zehnmal schneller als mit jeder anderen kom
merziellen Laserschmelz-Maschine, so dass sich völlig neue Wege in der additiven Fertigung eröffnen. Um das Fertigungsspektrum und die Möglichkeiten des Druckers sowie sein Bauvolumen für sehr große Raumfahrtkomponenten darzustellen, arbeitete Aeroswift mit Altair zusammen, um eine Methode für das Design großer, additiv gefertigter Produkte zu entwickeln. Zur Demonstration der neuen Möglichkeiten konstruierte das Team den Rahmen eines unbemannten Luftfahrzeugs (Unmanned Aerial Vehicle – UAV), der anschließend gedruckt wurde. Um die Herstellbarkeit zu verbessern und gleichzeitig allen Bauteil-Anforderungen zu gerecht zu werden, setzten die Ingenieure im Konstruktionsprozess Altair InspireTM und seine Funktionen für die Topologie- Optimierung ein.
Groß denken, größer drucken
Der Aeroswift-Drucker ist in der Lage, großformatige Raumfahrzeugkomponenten im 3D-Metalldruck aus verschiedenen Metallen, unter anderem aus einer Titanlegierung zu fertigen. Dieses Material findet aufgrund seiner hohen Leistungsfähigkeit und seines geringen Gewichtes in der Industrie weite Verbreitung und Anwendung. Für die Konstruktion des UAV-Rahmens war eine Titanlegierung vorgesehen, um für die Raumfahrttechnologie den Schmelzprozess im Pulverbettverfahren auf einem großen System wie dem Aeroswift Drucker zu demonstrieren.
Im ersten Schritt bestimmte das Projektteam die Anforderungen des UAVRaumfahrzeuges und des Rahmens. Die Aeroswift Ingenieure wolltenen nicht nur
den bislang größten Metallrahmen drucken, sondern auch zeigen, wie die Bauzeit und die Anzahl der Bauteile pro Baugruppe reduziert werden kann. Durch eine Reduzierung von Produktionsabfällen würden sie darüber hinaus auch eine verbesserte Buy-to-fly-Ratio erzielen.
Der Konstruktionsprozess umfasste Vorgaben und Spezifikationen für den UAV-Flug, die Auswahl von Elektronikbauteilen und Antriebsstrang, die mechanische Auslegung mit Topologie- Optimierung, ästhetische und fertigungsrelevante Verbesserungen.
Erfüllt alle Ansprüche
Die Ingenieure mussten bei ihrer Konstruktion eine Vielzahl anspruchsvoller Fertigungsanforderungen berücksichtigen. Neben den Spezifikationen für die Rahmenkonstruktion wie das Bauraumvolumen des Druckers und einer erforderlichen symmetrischen Anordnung des Motors des UAVs, musste das Team auch ästhetische Aspekte in den Konstruktionsprozess einbeziehen. Zielvorgabe waren Flugzeiten von mindestens 15 Minuten bei einem Schub- Gewichtsverhältnis von mindestens 2:5:1, während die Rahmensteifigkeit gleichzeitig maximiert werden sollte. Zwingend erforderlich war darüber hinaus, dass die finale Konstruktion im additiven Pulverbettverfahren mit der Titanlegierung Ti6Al4V gedruckt werden kann.
Altair Inspire verbessert Design und stellt Druckbarkeit sicher
Die Aeroswift-Projektingenieure mussten wissen, wie das Material optimal im vorgegebenen Konstruktionsraum/Bauraum verteilt werden kann. Aufgrund bestimmter Struktur- und Gewichtsanforderungen und der Tatsache, dass Freiformkonstruktionen nicht mit traditionellen Fertigungsverfahren hergestellt werden können, entschloss sich das Team zur TopologieOptimierung mit Altair Inspire, um den Rahmen für die additive Fertigung zu optimieren. Das Aeroswift-Team arbeitete gemeinsam an einem mehrstufigen Prozess, um eine optimale Konstruktion in einer angemessenen Zeit zu erstellen.
„Wir sind mit den Ergebnissen zufrieden – mit Altair Inspire konnten wir einen Prozess aufsetzen, der uns dabei half, einen topologie- optimierten UAV-Rahmen zu entwerfen, der sogar noch bessere Ergebnisse zeigte als der Benchmark. Ohne Altair und seine Werkzeuge wären wir nicht in der Lage gewesen, das ganze Potenzial der additiven Fertigung für die Luft- und Raumfahrt auszuschöpfen“, sagte Jacobus Prinsloo, Operations Manager bei Aeroswift.
Zuerst wurde ein Grundkonzept mit einfachen, möglichst wenig detaillierten Volumen erstellt, das in Altair Inspire importiert wurde, um eine erste Finite Elemente Analyse durchzuführen. Anschließende Optimierungen und Leistungsüberprüfungen stellten sicher, dass die erzeugte Topologie sämtliche notwendigen Verbindungen zwischen den Komponenten der Baugruppe unterstützte.
Die Ingenieure staffelten ihren Ansatz zur Topologieoptimierung, indem sie eine erste Optimierungsstufe mit größeren Strukturen durchführten, um die Rechenkomplexität zur Ermittlung der Haupt-Lastpfade zu reduzieren. Dieser Prozess lieferte die Einschränkungen für Wandstärken, welche zum optimalen Design führten. Das Aeroswift Team konnte dann die resultierende Geometrie nachbilden und eine zweite Stufe der Topologieoptimierung mit dünneren Strukturen durchführen.
Der Prozess zeigte die Entwicklung von einer Grundkonstruktion bis zu einem topologieoptimierten, für den 3D-Metalldruck geeigneten Design. Die Projektingenieure waren mit den Ergebnissen sehr zufrieden, da alle den UAV Rahmen betreffenden Bedingungen erfüllt wurden – einschließlich Rahmengewicht, Schub-Gewichtsverhältnis und Flugzeit, wobei die Rahmensteifigkeit erhalten blieb. Die finale Konstruktion zeigte sogar bessere Ergebnisse als ursprünglich erwartet. ( anm) ■