FormUp 350

Sehen Sie, wie AddUp und PrintSky ein gutes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Masse mit einem hohen technischen und wirtschaftlichen Wert für ein Luftfahrtteil entwickeln.

Die CEA (Französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie) hat sich mit AddUp zusammengetan, um die Plattform Famergie zu gründen, die Hersteller im Energiesektor bei der Entwicklung von Projekten für die Herstellung von Teilen mit Hilfe der additiven Fertigung von Metallen unterstützt. Das erste Projekt, das aus dieser Partnerschaft hervorgegangen ist, ist ein Demonstrator für einen Methanisierungsaustauscher-Reaktor. Diese Vorrichtung wandelt CO₂ in Methan um, das als synthetischer Kraftstoff verwendet werden kann. Da die Methanisierungsreaktion bei hohen Temperaturen und hohem Druck abläuft, ist die Konstruktion des Wärmetauschers entscheidend für die Effizienz und Kontrolle der gesamten Methanproduktion. Lesen Sie die Fallstudie über den additiven 3D-Druck des Trägerteils für die Luft- und Raumfahrt mit der FormUp 350® Maschine.

Kontext

PrintSky ist ein Joint Venture zwischen der AddUp-Gruppe, einem Experten für die additive Fertigung von Metallen, und SOGECLAIR, das auf die Integration von Lösungen mit hohem Mehrwert in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie ziviler und militärischer Transport spezialisiert ist. Die CEA (Französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie) beauftragte Printsky mit der Neugestaltung eines typischerweise maschinell bearbeiteten Trägerteils, wobei die Möglichkeiten der additiven Fertigung genutzt werden sollten, um dessen Masse zu reduzieren. Dieser Träger muss auch seine Funktionalitäten genau gewährleisten, um die Ausrüstung zu halten, die er tragen soll, und den Belastungen standhalten, denen er ausgesetzt ist.

Durchgeführte Massnahmen

PrintSky war für das Designteil des Projekts verantwortlich und entwickelte seine eigene Erfahrung und Methodik, um die Eigenschaften des Metallteils in Bezug auf Mechanik und Herstellbarkeit umzusetzen. Die Produktion wurde dann den Experten von AddUp anvertraut, die das Luft- und Raumfahrtteil mit ihrer FormUp350®-Maschine 3D-gedruckt haben.

Vorteile des 3D-Metalldrucks

Nach der topologischen Optimierung ermöglicht die additive Fertigung die Entwicklung komplexer Formen, die Verbesserung der Leistung und die Verringerung des Volumens eines Metallteils. Sie ermöglicht auch die Herstellung sehr robuster Teile. Das Material wird nämlich nur dort hinzugefügt, wo es notwendig ist, entweder um die Kräfte zu unterstützen oder um die Funktionalität zu gewährleisten, wie z. B. die Befestigung, die Auflagefläche oder anderes. Ein gutes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Masse mit einem hohen technischen und wirtschaftlichen Wert für ein Luftfahrtteil.

Ergebnisse

Die optimierte Halterung erfüllt die gleichen Funktionen wie die ursprüngliche Halterung, jedoch mit einer erheblichen Gewichtsreduzierung, die mit herkömmlichen Technologien nicht zu erreichen ist.

Durch die Verwendung von feinem Pulver konnte eine gute Oberflächengüte erzielt werden, und schließlich wurde das Teil ohne Stützstrukturen hergestellt, was eine erhebliche Zeitersparnis bei der Nachbearbeitung ermöglicht.

Der AddUp-Vorteil

Die Anwendung der mit FormUp350® gewonnenen Materialeigenschaften und der Simulationswerkzeuge für die additive Fertigung durch AddUp hat es uns ermöglicht, die thermomechanischen Verformungen zu antizipieren und nach nur einer Iteration nachgiebige Teile zu erhalten.

Ein additiv gefertigter Kameraträger, der Beschleunigungen und Vibrationen beim Start ins All standhält und eine Kamera und ihr Objektiv während d e r Produktionsphasen eines 3D-Metalldruckers in Position hält.

Ziel des Projekts “Metal3D” ist die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften eines in der Schwerelosigkeit geformten Materials. Zur Durchführung dieses Experiments werden zwei Chargen von Probekörpern mit demselben Druckermodell hergestellt. Während die erste Charge in Toulouse in der Erdgravitation hergestellt wird, wird die zweite Charge im Weltraum, genauer gesagt i m Columbus-Modul der ISS (Internationale Raumstation), in der Mikrogravitation hergestellt.

Mission

“Metal3D” ist eine von der ESA (Europäische Weltraumorganisation) in Auftrag gegebene Mission als Technologiedemonstrator. Ihr Ziel ist es, die mechanischen Eigenschaften eines in der Schwerelosigkeit geformten Materials zu charakterisieren. Zur Durchführung dieses Experiments werden zwei Chargen von Probekörpern mit demselben Druckermodell hergestellt. Die erste Charge wird in Toulouse in der Schwerelosigkeit hergestellt, die zweite im Weltraum, genauer gesagt im Columbus- Modul der ISS (Internationale Raumstation), in der Mikrogravitation. Für die Herstellung dieser beiden Drucke haben wir zwei identische Exemplare einer 3D- Metalldruckmaschine entwickelt und hergestellt, die in beiden Umgebungen arbeiten kann. Der Drucker, den wir für diese Mission entwickelt haben, wird also der erste sein, der Metallteile im Weltraum druckt.

Prozess

Bei fehlender Schwerkraft sind die meisten derzeitigen additiven Fertigungsverfahren nicht mehr anwendbar. Um die Fertigung unter Schwerelosigkeit zu ermöglichen, nutzen wir die durch die Oberflächenspannung verursachten Kräfte. Wir verwenden einen Laser als Energiequelle und Stahldraht als Rohmaterial. Der Laser erhitzt das Substrat, um ein Flüssigkeitsbad zu erzeugen. In dieses Flüssigkeitsbad tauchen wir den Stahldraht ein. Indem wir den Draht in das Flüssigkeitsbad schieben, verflüssigt sich dieser ebenfalls und vergrößert das Volumen des Schmelzbades. Anschließend bewegen wir den Laser und damit das Flüssigkeitsbad an die Oberfläche des Substrats, während wir den Draht in diesem Bad abwickeln, um nach dem Erstarren des Flüssigkeitsbads einen Wulst zu erzeugen. Eine Schicht besteht aus einer oder mehreren Perlen, je nach der Geometrie des herzustellenden Teils. Sobald die Schicht fertig ist, beginnt der Prozess von neuem, wobei die vorherige Schicht als Substrat dient. Auf diese Weise wird Schicht für Schicht ein volumetrisches Teil geschaffen.

Für den Prozess verwenden wir einen 316L-Draht. Der Laser und der Draht sind fest im Maschinenrahmen installiert, die Tischplatte wird durch 3 lineare Achsen und 1 Drehachse beweglich gemacht. Die Maschine wird betrieben unter Stickstoff, um die Oxidation des Materials zu begrenzen und das Risiko einer Verbrennung zu vermeiden. Da der Zugang zu Stickstoff in der ISS begrenzt ist, wird diese Atmosphäre während des gesamten Herstellungsprozesses durch Filtration und Kühlung recycelt.

Partner

Die Mission wird von den Teams von Airbus Defense & Space geleitet. Die Universität Cranfield liefert den Laser, die optische Kette und das Kabelversorgungssystem für das System. Hightech liefert das Gehäuse der Maschine, das ein abgedichtetes und gekühltes System sowie die Schnittstellen zwischen der Maschine und dem Gestell, an das sie angeschlossen ist, umfasst. Airbus übernimmt nicht nur die Leitung des Projekts, sondern auch die elektronischen und sicherheitstechnischen Aspekte der Maschine.

Auf der mechanischen Seite ist AddUp für die interne Struktur und den mobilen Teil der Maschine zuständig. AddUp verwaltet auch die Steuerplatine und die Sensoren, die den Prozess überwachen. Auf der Software-Seite hat AddUp die SPS der Maschine entwickelt. Diese Software hat mehrere Funktionen, sie ermöglicht die Kommunikation mit dem Boden, indem sie verschiedene Arten von Daten (Messungen, Fotos, Berichte, usw.) von der Maschine sendet und die empfangenen Befehle ausführt.

Die mit dem 3D-Metalldruck verbundene Gestaltungsfreiheit ermöglicht die Herstellung von kundenspezifischen Griffen mit unterschiedlichen Abmessungen, ohne dass Werkzeuge benötigt werden, wodurch die Kosten und die Herstellungszeiten der Teile begrenzt werden.

Die mit der additiven Fertigung von Metallen verbundene Designfreiheit ermöglicht die Herstellung von kundenspezifischen Griffen mit unterschiedlichen Abmessungen für Rechts- oder Linkshänder ohne Werkzeuge, wodurch die Kosten und der Zeitaufwand für die Herstellung der Teile begrenzt werden. Lesen Sie die Fallstudie über die Partnerschaft zwischen AddUp und PrintSky für den 3D-Druck eines komplexen ergonomischen Controllers.

Kontext

Der Joystick, ein mehrachsiger Griff, wurde speziell für die Steuerung anspruchsvoller Fahrzeuge (Geschütztürme, Drohnen, Hebevorrichtungen usw.) entwickelt und verbindet hervorragende Ergonomie mit einem breiten Anwendungsspektrum.

Für dieses Projekt ging AddUp eine Partnerschaft mit PrintSky ein, die den Steuerknüppel entworfen haben, um sicherzustellen, dass die mechanischen und fertigungstechnischen Eigenschaften des Metallteils erfüllt werden. Das Teil wurde so konzipiert, dass die Abmessungen aktualisiert werden können, um die Form und den Griff jedes Fahrzeugführers sowie die Position und Art der Taste für jede Anwendung anzupassen.

Das Teil wurde für das Pulverbettfusionsverfahren (L-PBF*) optimiert, wodurch die Wandstärke des Griffs auf nur 1 mm reduziert wurde, im Vergleich zu 3 mm bei Gussteilen. Das Teil wurde dann auf der FormUp® 350 PBF- Maschine gedruckt.

Die Vorteile der additiven Fertigung

Die PBF-Technologie eignet sich besonders für Anwendungen, die eine individuelle Anpassung, Funktionsintegration und Gewichtseinsparung bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit erfordern.

Dieser Joystick wurde aus rostfreiem 316L-Stahl hergestellt und ist bemerkenswert stark und perfekt für Geländefahrzeuge und Maschinen geeignet. Sein spezieller Griff macht es dem Fahrer leicht, den Griff zu ergreifen. Dieses Teil ist eine einteilige Konstruktion mit modularen Einsätzen, um Designflexibilität und einfache Installation zu gewährleisten.

INDUSTRY

Aerospace

CHALLENGE

Reducing the mass and lead time while optimizing
an Aircraft Floor Bracket

KEY BENEFITS

• 61% mass reduction of the part
• Part printed without any supports
• Industry leading surface finish

Reduced Lead Time

No Support

Weight Reduction

Dieses von Add Up demonstrierte Proof-of-Concept zeigt den Wert des Einsatzes von Additive Manufacturing (AM) für die Luftfahrt, indem es die topologische Optimierung auf eine Flugzeugbodenhalterung anwendet.

Geschichte

Eine Flugzeugbodenhalterung sichert den Kabinenboden am Rumpf und ist in allen Flugzeugen in großen Mengen vorhanden. AddUp hat diesen Proof-of-Concept-Demonstrator entwickelt, um den Wert der Additiven Fertigung für die Luftfahrt zu veranschaulichen, indem eine topologische Optimierungsstudie ohne Stützen durchgeführt wurde. Dieses Teil wiegt traditionell etwa 3 kg und wird normalerweise aus einem 12 kg schweren Metallblock gefertigt.

Herausforderungen

Das Gewicht eines Flugzeugs stellt verschiedene Herausforderungen dar, darunter strukturelle Integrität, Treibstoffeffizienz, Nutzlastkapazität und Leistung bei Start und Landung. Übermäßiges Gewicht kann die Struktur des Flugzeugs belasten, den Treibstoffverbrauch erhöhen, die Nutzlastkapazität begrenzen und längere Start- und Landebahnen erfordern.

Sicherheitsaspekte wie Gleichgewicht und Stabilität sind entscheidend, und auch die Kosten und die Wirtschaftlichkeit des Gewichts müssen berücksichtigt werden. Um diese Herausforderungen zu meistern, konzentrieren sich Flugzeugkonstrukteure und -betreiber auf die Verwendung leichter Materialien, effizienter Konstruktionen und Betriebsverfahren, die ein Gleichgewicht zwischen Gewichtsreduzierung, Leistung und Sicherheit herstellen.

Bei den meisten 3D-Metalldruckmaschinen müssen dem Teil Stützen hinzugefügt werden, um Oberflächen mit einer Neigung von weniger als 45° gegenüber der Horizontalen herzustellen. Diese Stützstrukturen sind mit erheblichen Kosten verbunden und verlängern die Lieferzeit des Teils.

Lösung

Die Topologie-Optimierung, eine mathematische Methode, die das Material innerhalb eines gegebenen Raums mit dem Ziel der Leistungsmaximierung optimiert, wurde eingesetzt, um erhebliche Mengen an Material zu entfernen.

Zunächst wurde ein CAD-Modell erstellt, das die gewünschte Form und die Belastungsgrenzen, denen das Teil standhalten muss, enthält.

Anschließend bewerteten topologische Optimierungsalgorithmen die Spannungsverteilung im gesamten Bauteil und entfernten systematisch überschüssiges Material aus Bereichen mit geringer Spannung, während Bereiche mit hoher Spannung verstärkt wurden.

Das Ergebnis war ein leichtes Design, das die strukturelle Integrität unter den zu erwartenden Belastungen beibehält. Das Teil wurde dann auf der Pulverbettschmelzmaschine FormUp 350 gedruckt, wobei eine Kombination aus feinem Pulver und Walzen verwendet wurde, um den Bedarf an Stützen zu verringern. Diese Kombination sorgte auch für eine glatte und gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit, die für d a s Ermüdungsverhalten von LPBF-Bauteilen von entscheidender Bedeutung ist und den Bedarf an Nachbearbeitung reduziert.

Ergebnisse

Durch die Verwendung der Kombination aus feinem Pulver und Rollertechnologie, die es nur beim FormUp 350 gibt, waren keine Stützstrukturen erforderlich; die Überhänge können bis zu 30° oder sogar 15° betragen. Durch den Wegfall der Stützstrukturen konnten 250 g Rohmaterial eingespart werden. Dies verkürzte die Bauzeit um 3 Stunden und sparte weitere 30 Minuten für die Entfernung der Stützen. Dies senkt auch die Gesamtdurchlaufzeit, eine wichtige Kennzahl in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Bauzeit mit der FormUp 350 (bei 50 μm)
11.50 Stunden

Gewichtsreduzierung
Von 3 kg auf 1,17 kg Eine
Gewichtsreduktion von
61%!

Einsparung von Rohstoffen
10.83kg

Gesparte Zeit
3+ Stunden