PBF

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

Addup hat einen doppelt gekrümmten Wärmetauscher 3D-gedruckt, der für gekrümmte Oberflächen geeignet ist, eine sehr gute thermische Leistung aufweist und in einem Arbeitsgang hergestellt wurde.

Für thermische Geräte hat die additive Fertigung einen großen Vorteil. Sie ermöglicht die Entwicklung komplexer Kanalformen und verbessert so die thermische Leistung und reduziert das Volumen. Sie ermöglicht auch die Herstellung von Formen, die auf herkömmliche Weise für diese Art von Geräten nicht herstellbar sind (z. B. doppelt gekrümmte Kanäle). Laden Sie diese HEWAM-Projektfallstudie herunter, einen Wärmetauscher mit komplexen Geometrien, der von PrintSky (Joint-Venture AddUp SOGECLAIR) und Temisth entwickelt wurde.

INDUSTRY

Aeronautics

CHALLENGE

3D print a heat exchanger with innovative design

KEY BENEFITS

• Modular heat exchanger concept
• A double-curved heat exchanger
• Part printed in one go with thin walls
• When damaged, replacement of the unit instead of the whole arrangement

Custom Shape

Assembly

Performance

Thin Walls

Geschichte

Ein Wärmetauscher ist ein System, das zur Übertragung von Wärme zwischen einer Quelle und einem Arbeitsmedium dient. Wärmetauscher werden sowohl bei Kühl- als auch bei Heizprozessen eingesetzt. Je nach Anwendung können die Flüssigkeiten getrennt sein, um eine Vermischung zu verhindern, oder sie können auch in direktem Kontakt stehen. In der Luftfahrtindustrie werden Wärmetauscher in Flugzeugen eingesetzt, um die Wärme aus dem das Ölsystem des Motors, um kalten Kraftstoff zu erwärmen. Dies verbessert die Kraftstoffeffizienz und verringert auch die Möglichkeit, dass sich Wasser im Kraftstoff einlagert, was zum Einfrieren führen könnte.

HEWAM (Heat Exchanger With Additive Manufacturing) ist ein Projekt, das darauf abzielt, einen Wärmetauscher zu entwickeln, der das gesamte Potenzial der additiven Fertigung nutzt und eine Geometrie aufweist, die sich für eine Vielzahl von Oberflächen und Volumina eignet, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Dieses Projekt wurde von PrintSky und Temisth entwickelt. PrintSky ist ein Joint-Venture zwischen der AddUp-Gruppe, einem Experten für die additive Fertigung von Metallen, und SOGECLAIR, einem der international führenden Anbieter von Lösungen mit hohem Mehrwert für die Luft- und Raumfahrt sowie den zivilen und militärischen Transport. Temisth ist ein Unternehmen, das sich auf die Entwicklung maßgeschneiderter thermischer Lösungen durch additive Fertigung spezialisiert hat.

PrintSky war für den Designaspekt des Projekts verantwortlich und entwickelte eine eigene Methodik zur Bestimmung der mechanischen, thermischen und fertigungstechnischen Eigenschaften des Metallteils.

Die Produktion wurde dann an die Experten von AddUp übergeben, die dieses Bauteil für die Luftfahrt auf ihrer FormUp® 350 Maschine 3D-gedruckt haben. Ziel war es, einen kompakten Wärmetauscher nach dem PBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion) mit einer innovativen Form und vor allem so effizient wie “traditionell” hergestellte Wärmetauscher herzustellen. Im Anschluss an die Produktion wurde HEWAM auf einer von Temisth entwickelten Testschleife getestet.

Herausforderung

Das Ziel von HEWAM war es, eine Flüssigkeit wie Öl, das mit 110°C in den Wärmetauscher eintritt, mit Umgebungsluft von -50°C zu kühlen. Der Massendurchsatz des Öls ist festgelegt. Der Luftmassenstrom wird durch den dynamischen Druck des im Bereich des Wärmetauschers ankommenden Luftstroms und die Druckverlusteigenschaften des Geräts bestimmt. Ziel war es, 2200 W der Ölzirkulation (32 g/s ~2,4 l/min) auf einem Modul des Wärmetauschers zu entfernen, indem ein ausreichender Luftstrom durch den Wärmetauscher gewährleistet wird. Das wichtigste physikalische Problem bei diesem Wärmetauscher war die Gewährleistung eines ausreichenden Luftstroms innerhalb des Wärmetauschers mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten.

Lösung

Die Gruppen entwickelten eine spezifische Methodik, um die thermischen Anforderungen mit den mechanischen Einschränkungen und der Machbarkeit der additiven Fertigung für HEWAM zu gewährleisten. Es wurde ein spezielles Design entwickelt, das die Schwankungen der Lufttemperatur (von -50°C bis +25°C) und damit der Dichte berücksichtigt. Die Kanalbreite war erhöht, um die Luftbeschleunigung und den Druckabfall zu begrenzen. Um die thermische Leistung aufrechtzuerhalten, haben die Rippen eine anpassungsfähige Geometrie entlang des Luftstroms, um Änderungen der Luftgeschwindigkeit und der Kanalgröße zu berücksichtigen. Das physische Design des Bauteils wurde so gestaltet, dass es für eine Vielzahl von Oberflächen und Volumina geeignet ist, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden. Es wurde so konzipiert, dass es eine doppelte Formkurve aufweist, die es ermöglicht, dieses Teil an die Krümmung von Flugzeugtriebwerken anzupassen.

HEWAM wurde zweimal gedruckt, wobei zwei verschiedene Materialien verwendet wurden. Erstens: Inconel 718. Dieses Material ist mehr als dreimal so schwer wie Aluminium und weniger leitfähig, weist aber für die additive Fertigung interessantere Eigenschaften auf. Mit Inconel sind dünne Wände (<0,5 mm) und Rippen (0,15 mm) möglich, ohne dass Leckagen auftreten. Die Konstruktion des Wärmetauschers mit diesen dünnen Merkmalen ermöglicht ähnliche Leistungs- und Gewichtseigenschaften, wie sie mit Aluminium möglich sind.

Ein letzter Vorteil dieses 3D-gedruckten Teils ist die Möglichkeit, den Wärmetauscher zu aktualisieren, ohne ein neues Werkzeug entwickeln zu müssen.

Ergebnisse

Das Endergebnis ist ein doppelt gekrümmter Wärmetauscher, der für gekrümmte Oberflächen geeignet ist, eine sehr gute thermische Leistung aufweist und in einem Arbeitsgang gedruckt wird. Eine modulare Lösung: Die Wärmetauscher können nebeneinander angeordnet werden, um eine hohe Austauschleistung zu erzielen. Die gekrümmte Form eignet sich für den Einbau in Triebwerkspylonen von Flugzeugen. Die Tests bestätigten die Dichtheit des Teils und seine Leistung, die insbesondere im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren sehr gut waren.

• Für thermische Anlagen hat AM einen großen Vorteil. Es ermöglicht die Entwicklung komplexer Kanalformen, die die thermische Leistung verbessern und das Volumen reduzieren. Das AM-Verfahren bietet auch die Möglichkeit, Formen herzustellen, die auf herkömmliche Weise für diese Art von Geräten unmöglich sind (z. B. doppelt gekrümmte Kanäle).

• Darüber hinaus ermöglicht die Technologie der additiven Fertigung auch die Herstellung eines Teils aus einem einzigen Block in einem Arbeitsgang. Dadurch wird jede weitere Manipulation des Teils vermieden, die es verändern könnte, wie z. B. Montage oder Bearbeitung. Es wird auch nicht geschweißt, was bedeutet, dass bei diesem neuen Wärmetauscher keine Flüssigkeit austreten kann. Da AM die Möglichkeit bietet, in einem Stück zu drucken, werden nur die funktionalen Bereiche des Metallteils gedruckt (Strömungsflächen und Befestigungsflächen), was zu erheblichen Materialeinsparungen führt.