CENIT und das Bionic Aircraft Forschungsprojekt

Ziel des europäischen Forschungsprojektes Bionic Aircraft ist die Steigerung der Ressourceneffizienz der Luftfahrt durch den Einsatz von ALM-Technologie (Additive Layer Manufacturing) und bionischem Design bei metallischen Bauteilen in allen Phasen des Flugzeuglebenszyklus.
 

CENIT ist als Workpackage Leader des WP3 (Bild 2: Automated Bionic Design & Optimization) zusammen mit den Partnern Airbus, IAPT und ILAS dafür verantwortlich, den gesamten Prozess von der Konstruktion bis zur Fertigungsvorbereitung zu vereinfachen und zu beschleunigen. Um das Ziel zu erreichen wurden folgende Aufgaben definiert:

  • Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien und ALM
  • Fertigungsvorgaben für optimierte Leichtbaustrukturen
  • Entwicklung von Strukturoptimierungs- und Dimensionierungsprozessen
  • 3D-CAD-Toolset für CATIA V5 für biomimetisches Design
  • Bionisches Design in Abhängigkeit von Belastungs- und Fertigungsanforderungen) und ALM-Datenaufbereitung
  • Automatisierte Erkennung von bionischen Strukturen
  • Katalog mit parametrisierten bionischen Merkmalen
  • Automatische Generierung von Stützstrukturen
  • Werkzeug zur direkten Generierung von ALM maschinenspezifischen Dateiformaten
  • Exportfunktion für Nachbearbeitungsfunktionen
 

Die erzeugten Daten sollen zur Qualitätssicherung und zur automatisierten Nachbearbeitung genutzt werden, um einen durchgängigen Prozess von der Topologie Optimierung über die Konstruktion, Fertigung und Nachbearbeitung  in CATIA V5 bereit zu stellen.

Zu Beginn des Projektes wurden, basierend auf den etablierten Airbus Prozessen, neue Abläufe zur Optimierung und Dimensionierung von Bauteilen erarbeitet. Diese werden entsprechend den Ergebnissen der einzelnen Arbeitspakete fortlaufend angepasst und optimiert. Ein wesentlicher Teil dieser Prozesse ist die Konstruktion eines Bauteils basierend auf dem Ergebnis der Topologie Optimierung. Um diesen zeitaufwendigen Schritt zu vereinfachen entwickelt CENIT standardisierte CATIA V5 Features mit bionischen Strukturen, welche den Konstrukteur bei seiner Arbeit unterstützen (siehe Bild 2). Hierbei werden vier Bereiche unterschieden: Flächen, Streben, Volumen und Übergänge. Die einzelnen Strukturen stehen als PowerCopy oder UDF (User Defined Feature) zur Verfügung. Bei der Implementierung wurden die zuvor entwickelten Konstruktions- und Fertigungsvorgaben der Pulverbett-Technologie berücksichtigt. Die Einhaltung von Mindestwandstärken, die für einen stabilen Bauprozess notwendig sind, dürfen nicht unterschritten sowie minimale Innendurchmesser, die während der Fertigung das Absaugen des Pulvers zulassen, müssen berücksichtigt werden. Um die Arbeit der Konstrukteure weiter zu erleichtern wurde eine bionische Feature-Erkennung entwickelt und implementiert. Sie analysiert das Ergebnis der Topologie Optimierung und fügt automatisch die passenden Strukturen des bionischen Kataloges ein. Das Startmodell des Konstrukteurs enthält somit das automatisch generierte Skelett mit parametrisch anpassbaren Strukturen als Ausgangsbasis für die Folgeprozesse.

Bild1

Bild 1: Europäischen Forschungsprojekt Bionic Aircraft

Bild2

Bild 2: Beteiligte Partner und deren Arbeitspakete des europäischen Forschungsprojektes Bionic Aircraft

 

CENIT ist als Workpackage Leader des WP3 (Bild 2: Automated Bionic Design & Optimization) zusammen mit den Partnern Airbus, IAPT und ILAS dafür verantwortlich, den gesamten Prozess von der Konstruktion bis zur Fertigungsvorbereitung zu vereinfachen und zu beschleunigen. Um das Ziel zu erreichen wurden folgende Aufgaben definiert:

  • Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien und ALM
  • Fertigungsvorgaben für optimierte Leichtbaustrukturen
  • Entwicklung von Strukturoptimierungs- und Dimensionierungsprozessen
  • 3D-CAD-Toolset für CATIA V5 für biomimetisches Design
  • Bionisches Design in Abhängigkeit von Belastungs- und Fertigungsanforderungen) und ALM-Datenaufbereitung
  • Automatisierte Erkennung von bionischen Strukturen
  • Katalog mit parametrisierten bionischen Merkmalen
  • Automatische Generierung von Stützstrukturen
  • Werkzeug zur direkten Generierung von ALM maschinenspezifischen Dateiformaten
  • Exportfunktion für Nachbearbeitungsfunktionen
 

Die erzeugten Daten sollen zur Qualitätssicherung und zur automatisierten Nachbearbeitung genutzt werden, um einen durchgängigen Prozess von der Topologie Optimierung über die Konstruktion, Fertigung und Nachbearbeitung  in CATIA V5 bereit zu stellen.

Zu Beginn des Projektes wurden, basierend auf den etablierten Airbus Prozessen, neue Abläufe zur Optimierung und Dimensionierung von Bauteilen erarbeitet. Diese werden entsprechend den Ergebnissen der einzelnen Arbeitspakete fortlaufend angepasst und optimiert. Ein wesentlicher Teil dieser Prozesse ist die Konstruktion eines Bauteils basierend auf dem Ergebnis der Topologie Optimierung. Um diesen zeitaufwendigen Schritt zu vereinfachen entwickelt CENIT standardisierte CATIA V5 Features mit bionischen Strukturen, welche den Konstrukteur bei seiner Arbeit unterstützen (siehe Bild 2). Hierbei werden vier Bereiche unterschieden: Flächen, Streben, Volumen und Übergänge. Die einzelnen Strukturen stehen als PowerCopy oder UDF (User Defined Feature) zur Verfügung. Bei der Implementierung wurden die zuvor entwickelten Konstruktions- und Fertigungsvorgaben der Pulverbett-Technologie berücksichtigt. Die Einhaltung von Mindestwandstärken, die für einen stabilen Bauprozess notwendig sind, dürfen nicht unterschritten sowie minimale Innendurchmesser, die während der Fertigung das Absaugen des Pulvers zulassen, müssen berücksichtigt werden. Um die Arbeit der Konstrukteure weiter zu erleichtern wurde eine bionische Feature-Erkennung entwickelt und implementiert. Sie analysiert das Ergebnis der Topologie Optimierung und fügt automatisch die passenden Strukturen des bionischen Kataloges ein. Das Startmodell des Konstrukteurs enthält somit das automatisch generierte Skelett mit parametrisch anpassbaren Strukturen als Ausgangsbasis für die Folgeprozesse.

Bild3

Bild 3: Standardisierter CATIA V5 Katalog mit bionischen Strukturen von CENIT

Bild4

Bild 3: Standardisierter CATIA V5 Katalog mit bionischen Strukturen von CENIT

Ein weiterer Schwerpunkt der Entwicklung liegt in der Bereitstellung von Funktionen zur Druckvorbereitung wie z.B. der automatischen Bauteilausrichtung zur Minimierung von Stützstrukturen, deren Generierung oder einer CATIA integrierten 3D-Slicer Software, kurz auch Slicer bezeichnet. Ein Slicer bereitet das 3D-Modell für den Druck vor, indem aus dem Bauteil und der Stützstruktur einzelne Schnitte, die der Schichtdicke bei der Fertigung entsprechen, generiert werden. Die Schnittkonturen werden dann vom Postprozessor weiterverarbeitet und an die Maschine ausgegeben. Darüber hinaus können die vom Slicer ermittelten Daten für eine erste Abschätzung der Dauer der Belichtung verwendet werden.

Bei den Stützstrukturen wurden auch vom Fraunhofer IAPT entwickelte optimierte Stützstrukturen integriert. Da insbesondere Gyroid oder Fachwerkstrukturen schnell zu Performanceproblemen führen, wurde eine implizite Methode zur Generierung dieser Strukturen gewählt. Dabei wird in CATIA ein Volumen definiert und mit entsprechenden Attributen versehen. Der Postprozessor, welcher z.Zt. in Zusammenarbeit mit Aconity 3D entwickelt wird, liest diese Attribute und füllt das Volumen mit den notwendigen Geometrien. Das  Ergebnis wird im jeweiligen maschinenspezifischen Format an die Maschine ausgegeben. Durch diesen Ansatz stehen exakte Geometrien für die Qualitätskontrolle und die NC-Nachbearbeitung zur Verfügung. Weiterhin kann die Stützstruktur ohne Änderung am CAD Modell durch entsprechende Parameter im Postprozessor angepasst werden. Ohne Beeinträchtigung der Performance kann durch diese Vorgehensweise im gesamten Prozess, von der Konstruktion bis zur Fertigung, vollständig auf die Verwendung von STL Daten verzichtet werden.

Ein QR-Code Generator in CATIA dient zur Identifizierung der Bauteile mit maschinenlesbaren Seriennummern. Zur Validierung wurden QR-Codes in unterschiedlichen Größen in Aluminium gedruckt und mit verschiedenen Handys gescannt.

Um die Ergebnisse des Projektes und die allgemeinen Kenntnisse zum Thema 3D-Druck einem breiteren Publikum zugänglich zu machen erstellt CENIT zusammen mit dem Fraunhofer IAPT innovative Trainingsmodule. Die Module kombinieren klassisches Präsenztraining mit praktischen Übungen und webbasiertes Training mit virtuellen Inhalten.