Feasibility study of an additive manufactured support structure using the principles of topology optimization

Michiel Vlaeyen Jelle Vanton
De ontwikkeling van een 3D-geprinte draagstructuur aan de hand van topologische optimalisatie, inclusief sterkte-berekeningen met een eindige elementen model en financiële analyse.

Vliegt u weldra in een 3D-geprint vliegtuig?

Stel u voor: u vliegt 10 000km boven het aardoppervlak in een 3D-geprint vliegtuig. Het vliegtuig is gemaakt van fijn aluminiumpoeder dat aan elkaar gesmolten is door een laserstraal. Zou u een veilig gevoel hebben in dit vliegtuig?

3D printen in de luchtvaart

In de luchtvaartindustrie wordt alles gedaan om het gewicht van een vliegtuig te verlagen. Het gewicht bepaalt het brandstofverbruik, het grootste aandeel in de totaalkost. Luchtvaartbedrijven willen via 3D-printen het gewicht van het vliegtuig omlaag halen. Innovatieve technologieën zijn noodzakelijk om gewicht te besparen en het voortbestaan van bedrijven in deze sector te garanderen. Topspelers zoals Boeing en Airbus onderzoeken mogelijkheden om 3D-printen toe te passen bij de productie van onderdelen. Belgische bedrijven willen niet achter blijven en onderzoeken het potentieel van 3D-printen.

Op internationaal vlak speelt de Belgische luchtvaartindustrie een belangrijke rol. Met 80 Belgische exposanten op de grootste luchtvaartbeurs ter wereld in Le Bourget deze zomer, behoorde het ‘Belgian Aerospace’-collectief tot de 10 grootste nationale groepsstanden. Belgische luchtvaartbedrijven hadden in 2016 een omzet van 1,1 miljard euro. FLAG (de Vlaamse luchtvaart-federatie) verwacht dat deze omzet tegen 2030 verdubbeld is. Belgische bedrijven onderzoeken het potentieel van 3D-printen om deze groei mogelijk te maken en hun positie op de wereldmarkt te handhaven.

De ontwikkeling van een 3D-geprint onderdeel

Het grote voordeel van 3D-printen is de vormvrijheid. De meest complexe vormen kunnen gemaakt worden met behulp van deze productiemethode. De optimale vorm van een onderdeel, zo licht mogelijk maar toch sterk genoeg, kan gemaakt worden. Deze vorm wordt bepaald via topologische optimalisatie.

Topologische optimalisatie is de wiskundige theorie om de beste verdeling van materiaal in een beschikbare ruimte te vinden. Software berekent de optimale, in dit geval de lichtste, structuur aan de hand van gegeven beperkingen. Deze beperkingen zijn: de maximale spanning die mag optreden bij een crash van het vliegtuig, een minimale eigenfrequentie om resonantie te vermijden en een nauwkeurige afwerking om de installatie van het onderdeel mogelijk te maken. Om een onderdeel te ontwerpen aan de hand van topologische optimalisatie wordt een ontwerpcyclus doorlopen. Aan het eind van deze cyclus is het lichtst mogelijke onderdeel, dat sterk genoeg is om aan alle eisen te voldoen, ontworpen.

Ontwerp van een draagstructuur

Topologische optimalisatie is toegepast om een vliegtuigonderdeel te herontwerpen. Het vliegtuigonderdeel is een draagstructuur aan de secundaire brandstoftank van een business jet. De draagstructuur ondersteunt en verbindt twee drukkleppen, een verdeelstuk, brandstofbuizen en elektrische kabels. De huidige structuur wordt geproduceerd met behulp van verschillende productietechnieken zoals frezen, vormgieten, smeden en plaatbewerkingen. Deze methodes laten niet toe om een onderdeel te ontwerpen in de optimale vorm. Het huidige onderdeel heeft een massa van 380 gram.

Door het doorlopen van de ontwerpcyclus om de topologische optimalisatie uit te voeren, is een complexe vorm bekomen om de huidige structuur te vervangen. Dankzij 3D-printen is het mogelijk om dit product te vervaardigen, iets wat met conventionele productiemethoden onmogelijk is. De nieuwe draagstructuur is sterk genoeg om aan alle eisen te voldoen en de veiligheid te garanderen. Dankzij de topologische optimalisatie is het gewicht van het onderdeel meer dan gehalveerd. De nieuwe draagstructuur heeft een massa van 189 gram.

Kostenplaatje

3D-printen maakt het mogelijk om onderdelen lichter te maken zoals is aangetoond met de draagstructuur. Maar wat betekent dit voor het totale kostenplaatje? De totale kostprijs om de topologisch geoptimaliseerde structuur te ontwerpen en te installeren bedraagt €3 078. Voor de huidige structuur is dit €610. Momenteel kost 3D-printen nog veel geld, omdat het lang duurt om één stuk te maken. Een commerciële 3D-printer wordt bijna constant gebruikt. Door een korte afschrijfperiode ligt de productiekost zeer hoog. U stelt zich waarschijnlijk de vraag of 3D-printen wel financieel rendabel is. Het antwoord hierop is te vinden in een break-even analyse.

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

 

Een break-even analyse toont aan dat de nieuwe structuur rendabel is wanneer de brandstofkosten hoog zijn. Als de brandstofprijzen blijven stijgen zoals de afgelopen twee jaar en het vliegtuig 55,6% van zijn levensduur (20 jaar) vliegt, is het 3D-printen van het onderdeel rendabel. Dit zijn haalbare voorwaarden. Zeker als u weet dat vliegtuigen gebruikt in commerciële vluchten bijna constant in de lucht hangen.

De toekomst

De toekomst van 3D-printen in de luchtvaartindustrie ziet er rooskleurig uit. Door de ontwikkeling van deze technologie zal de productiviteit van een 3D-printer stijgen en de productiekost dalen. Hierdoor wordt een break-even punt sneller bereikt en zal de winst stijgen. Maar 3D-printen zal altijd duurder blijven dan de meeste conventionele productiemethodes. Sommige onderdelen, zoals de vleugels of de platen die het vliegtuig bedekken, hebben een optimale vorm die niet complex is. Deze stukken kunnen beter geproduceerd worden met conventionele productiemethodes. Onderdelen met complexe vormen of een assemblage van meerdere onderdelen zijn wel voordelig om te maken met 3D-printen. De assemblages kunnen in één stuk gemaakt worden. Dan ligt zowel de brandstofkost als de montagekost lager.

De luchtvaartindustrie gaat blijven investeren in het ontwerpen van lichtere vliegtuigonderdelen. De combinatie van additive manufacturing en topologische optimalisatie laat toe om op een efficiënte manier lichtere onderdelen te ontwikkelen. Dus deze ontwerpmethode heeft nog veel potentieel in deze sector. Maar ook in andere sectoren heeft deze ontwerpmethode in combinatie met 3D-printen een meerwaarde. Bijvoorbeeld de ruimtevaart- en auto-industrie zijn ook gebaat bij lichtere onderdelen. Voor de additive manufacturing industrie is topologische optimalisatie een waardevolle methode om producten te gaan ontwerpen.

Vliegt u weldra in een 3D-geprint vliegtuig?

Stel u voor: binnen een aantal jaar vliegt u 10 000km boven het aardoppervlak in een vliegtuig. Dan vliegt u niet in een vliegtuig dat volledig met 3D-printen is gemaakt. Maar in het vliegtuig zullen ongetwijfeld 3D-geprinte onderdelen gebruikt worden. Vraag gerust aan het vliegtuigpersoneel waar er zich 3D-geprinte onderdelen in het vliegtuig bevinden. Deze onderdelen garanderen uw veiligheid en hebben een positieve invloed op de prijs van uw vliegtuigticket.

 

 

Bibliografie

M. Alzahrani, “Design of truss-like cellular structures using density information from topology optimization,” Georgia Institute of Technology, Georgia, 2014.

H. A. Eschenauer and O. Niels, “Topology optimization of continuum structures: a review,” American Society of Mechanical Engineers, Siegen, 2001.

M. Bendsoe and O. Sigmund, Topology Optimization: Theory, Methods and Applications, Berlin: Springer, 2003.

A. Gebhardt, Rapid Prototyping, Munich: Hanser Publishers, 2003.

J. Van Humbeek, “KU Leuven,” 2016. [Online]. Available: https://www.mtm.kuleuven.be/Onderzoek/Ceramics/research/additive-manufa…. [Accessed 2 February 2017].

D. Thomas, “The Development of Design Rules for Selective Laser Melting,” University of Wales Institute, Cardiff, 2009.

D. Paramita, C. Ramya, S. Rutuja and A. Sam, “Optimum Part Build Orientation in Additive Manufacturing for Minimizing Part Errors and Support Structures,” Elsevier, Amsterdam, 2015.

R. Ponginan, “Meaning of compliance,” Altair HyperWorks, 16 September 2014. [Online]. Available: http://forum.altairhyperworks.com/index.php?/topic/13591-meaning-of-com…. [Accessed 17 February 2017].

M. T.M. and L. M.J., “Mechanical Behaviour of Additive Manufactured, Powder-bed Laser-fused Materials, Material Science and Engineering,” Elsevier, Amsterdam, 2016.

J. T. Ray, “Calculating the cost of additive manufacturing,” paperlessPARTS, 6 December 2016. [Online]. Available: https://www.linkedin.com/pulse/calculating-cost-additive-manufacturing-…. [Accessed 18 April 2017].

Dassault, “Dassault Falcon 5X,” Dassault Aviation, [Online]. Available: http://www.dassaultfalcon.com/en/Aircraft/Models/5X/Pages/overview.aspx. [Accessed 23 April 2017].

J. T. Ray, “Economic Benefits of Additive Manufacturing in Aerospace,” paperlessPARTS, 30 November 2016. [Online]. Available: https://www.linkedin.com/pulse/economic-benefits-additive-manufacturing…. [Accessed 23 April 2017].

HR.square, “HR.square: Netwerk voor arbeidsrelaties en personeelsbeleid,” HR.square, 19 December 2016. [Online]. Available: http://www.hrsquare.be/nl/nieuws/. [Accessed 24 April 2017].

Boilerjuice.com, Artist, Kerosene Prices in the UK. [Art]. Boilerjuice, 2017.

Universiteit of Hogeschool
Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica focus intelligent mechanics
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Prof. dr. ir. Dewulf Wim, ing. Jef Loenders
Kernwoorden
Michiel Vlaeyen
Share this on: