Erste Erfolge für EU-Projekt

Additive Fertigung von Flugzeugen

EU-Projekt „Bionic Aircraft“: Der IT-Anbieter Cenit präsentiert erste Ergebnisse im Umfeld des bionischen Designs und 3D-Drucks für die additive Fertigung von Flugzeugen.

  • Additiv gefertigte Probekörper

    Additiv gefertigte Probekörper mit Stützstrukturen

  • Bionisches Feature

    Bionisches Feature am topologie-optimierten Teil inklusive CATIA-Dialogfeld

Rund ein Jahr nach dem Start des EU-Projekts „Bionic Aircraft“ berichtet das Stuttgarter IT- und Softwarehaus Cenit über erste, konkrete Ergebnisse: Hierzu gehören u. a. eine Software für die automatische Erkennung topologie-optimierter Strukturen, ein zugehöriger Katalog mit parametrisierten bionischen Merkmalen im CAD sowie ein Werkzeug zur direkten Generierung von Dateiformaten für den 3D-Druck.

Seit September 2016 arbeitet Cenit gemeinsam mit neun internationalen Partnern aus Industrie und Forschung im Rahmen des EU-Projekts an der Entwicklung neuer Methoden und Konzepte für die additive Fertigung von Flugzeugen. Das übergreifende Ziel der Forschungsarbeit: Deutliche Verbesserung der Ressourceneffizienz in der Luftfahrt. Entscheidenden Beitrag soll dabei die Entwicklung und Implementierung von Technologien zur additiven Schichtherstellung (Additive Layer Manufacturing (ALM)/3D-Druck) und bionischem Design in allen Phasen eines Flugzeuglebenszyklus liefern.

Das übergeordnete Ziel des Aufgabenspektrums der Stuttgart ist eine signifikante Vereinfachung des Designprozesses für bionische Leichtbaustrukturen. Zu den Kernpfeilern hierfür zählen eine automatisierte Designmethodik sowie ein Werkzeug zur direkten Generierung von spezifischen Dateiformaten für den 3D-Druck. Die Projektteilnehmer verfolgen damit den Anspruch, eine Zeitersparnis von rund 40 Prozent für die Gesamtentwicklung bionischer Teile zu erreichen und das Gewichtsersparnispotential von ALM-Strukturen zu erhöhen.

Baukastenprinzip für das CAD-Design

Ein ambitioniertes Unterfangen, das laut den Stuttgartern nun erste Ergebnisse verzeichnet: Um bionisch optimierte Bauteile zu erstellen, erarbeitet die Cenit auf Basis von CATIA einen CAD-Katalog mit parametrisch aufgebauten, bionischen Features. „Damit wird die bislang aufwendige und langwierige, manuelle Interpretation und Nachkonstruktion von topologie-optimierten Bauteilen im CAD durch ein automatisiertes Baukastenprinzip unterstützt“, erklärt Jochen Michael, Senior Consultant bei dem IT-Anbieter, die Zielsetzung. „Durch die Parametrik der Features können Konstrukteure die Geometrien zudem einfacher anpassen. Damit erreichen wir einen weiteren Zugewinn an Effizienz und Qualität im Designprozess“, führt er weiter fort.

Bis Ende der Laufzeit des Projekts im August 2019 rechnet man damit, einen rund 10 bis 15 bionische Features enthaltenden CAD-Katalog zu entwickeln. „Das erklärte Ziel des Projekts lag vor allem darin aufzuzeigen, wie die methodische und praktische Umsetzung eines solchen Katalogs erfolgen kann. Im Vordergrund stand somit die Grundlagenforschung, auf deren Basis definiert werden sollte, wie das Ergebnis der Topologie-Optimierung mit bionischen Features abgedeckt werden kann und welche Algorithmen sich für die Erkennung der Bauteile sowie die Zuweisung von Features optimal eignen“, erläutert Jochen Michael. Mit dieser Grundlagenarbeit betreten die Projektteilnehmer neues, wegweisendes Terrain – denn bislang sind bionisch optimierte Features in keinem CAD-Programm enthalten, heißt es in einer Pressemeldung.

Das Wissen über die Beschaffenheit, Eignung sowie Funktionalität der bionischen Features, die die Cenit ins CAD überführt, steuern im Projekt Experten der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien (IAPT) bei. Basierend auf Analysen über die Qualitätsmerkmale, den Einsatz und Nutzen der topologie-basierten Bauteile entwickeln sie die entsprechenden bionisch optimierten Features. Diese sollen im praktischen Einsatz das typische Verhalten des Bauteiles verbessern, es zudem möglichst leicht und stabil gestalten. Ein Beispiel – bei dem bereits kleine Anpassungen eine große Wirkung erzielen: Werden bei zugbeanspruchten Komponenten Rundungen nach natürlichem Vorbild angewendet, kann das Risiko von Bauteilversagen bereits deutlich vermindert werden. Auch dieses Feature findet als parametrisches Muster somit Eingang in den CAD-Katalog.

Optimierte Datenausgabe

Neben dem bionischen Design gehören auch Aspekte der Druckvorbereitung (dem sog. Pre-processing) zum Aufgabenpaket der Cenit. Die Schwerpunkte dabei: Die CAD-basierte Erzeugung von für den 3D-Druck notwendigen Stützstrukturen eines Bauteils sowie die optimale Ausrichtung der Bauteile für den Druck.

Zur Programmierung der Stützstrukturen im CAD griff der Anbieter auf Ergebnisse des Forschungspartners Fraunhofer IAPT zurück: Das Institut führte dazu systematische Untersuchungen zu Kriterien wie Zugfestigkeit, Pulververbrauch sowie Entfernbarkeit der Stützstrukturen und deren Beeinflussung der Oberfläche durch und entwickelte Ansätze für neuartige Stützstrukturen, wie z. B. einer gradierten Gitterstruktur oder einem Gyroid.

Anhand einer Vielzahl an Parametern, die die Ausrichtung eines Bauteils für die additive Fertigung bestimmen, schufen die Stuttgarter auf Basis von CATIA zudem Funktionalitäten für die optimale, automatisierte Bauteilausrichtung, inklusive entsprechender Stützstrukturen. Das weiterführende Ziel der Projektarbeit besteht nun aktuell darin, nicht nur Geometriedaten, sondern auch Attribute der Geometrie (z.B. Außenkontur, Oberflächengüte etc.) an die Fertigung auszugeben und in diesem Zug auch die Methoden des Drucks zu definieren. In Abstimmung mit der Aconity GmbH erarbeitet Cenit hierzu aktuell eine direkte CATIA-Schnittstelle.

Bildquellen: Cenit, Fraunhofer IAPT

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