Bauraummodell für Spiegel

Durchgängige Entwicklungsumgebung für 3D-gedruckte Strukturen

Bei der Entwicklung von Raumfahrtstrukturen besteht der Entwicklungsprozess aus einer Abfolge verschiedener Aufgaben. Ausgehend von der geometrischen Beschreibung im CAD-System werden in einem nachfolgenden Schritt die Struktureigenschaften simuliert. Notwendige Disziplinen sind statische, thermale und dynamische Lasten. Jede der Disziplinen wird von einem Spezialisten bedient. Der Austausch der Informationen erfolgt über Standardschnittstellen der verwendeten Werkzeuge.

Nach der Entwicklung ist die Fertigung zu bewerten, insbesondere auch, wenn eine additive Fertigung (3D-Druck) zum Einsatz kommt. Treten in dieser Phase Probleme auf, muss der Entwicklungszyklus erneut durchlaufen werden, was zu erheblichen Kosten führt.

Wünschenswert wäre eine Arbeitsumgebung, bei der Konstrukteure, Simulationsspezialisten und Fertigungsingenieure ohne Barrieren zusammenarbeiten können.

Bauraummodell

Im Rahmen eines von der European Space Agency ESA geförderten Projektes AMDevSW ist ein Prozess entwickelt worden, der eine integrierte Arbeitsumgebung zur Verfügung stellt. Alle Entwicklungsschritte – von der Bauraumdefinition bis zur Fertigungssimulation des zu druckenden Bauteils – werden in einer integrierten Arbeitsumgebung bereitgestellt. Eine Modelldatenbank speichert wichtige Informationen über den Aufbau des Simulationsmodells, so dass auch Nicht-Experten die Simulations- und Optimierungsmodelle aufbauen können. Der Modellaufbau erfolgt nach Vorgaben oder Regeln, die der Simulationsexperte erstellt, so dass der Konstrukteur diese auf geänderte Geometrien anwenden kann. Für die Analyse können z. B.

  • statische Lastfälle,
  • thermische Lastfälle,
  • Modalanalysen,
  • Antwortanalysen und
  • Zufallsschwingungen modelliert werden.

Für eine möglichst gute Abbildung der umgebenden Strukturen sind diese Bauteile als ergänzendes Finite-Element-Modell leicht in das Simulationsmodell integrierbar.

Selbst komplexe Systemantworten, wie die Bewertung der optischen Eigenschaften von gedruckten Spiegeln, stehen zur Optimierung zur Verfügung und können automatisiert und ausgewertet werden. Darüber hinaus sind alle weiteren Funktionen von OptiStruct uneingeschränkt nutzbar.

Vergleich von Varianten

Für den Simulationsexperten sind auch Werkzeuge wie eine Toleranzuntersuchung an den Schnittstellen zu den umgebenden Strukturen abrufbereit, um z. B. den Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die optischen Eigenschaften zu untersuchen. Auf der anderen Seite können auch Simulationsexperten die Geometrie der Struktur ändern und Erkenntnisse aus der Simulation direkt in das Bauteil einbringen. Die Erkenntnisse aus der Simulation lassen sich einfach auf das Bauteildesign bzw. der Geometrie übertragen.

In der integrierten Arbeitsumgebung wird auch die Verwaltung der Daten organisiert. Varianten können einfach erstellt und modifiziert werden. Vergleiche der Bauteil- oder Geometrie-Eigenschaften unterstützen die Bewertung der Analyse- und Optimierungsergebnisse. Die vergleichende Darstellung mehrerer Varianten in Hinblick auf Strukturverhalten und Design erleichtert die Bewertung der Analyse- und Optimierungsergebnisse.

Um die Fertigbarkeit bewerten zu können, stehen für den Fertigungsprozess einzelne Schritte wie

  • die Orientierung und Schachtelung der Bauteile im Druckraum,
  • die Generierung der unterstützenden Strukturen sowie
  • eine Fertigungssimulation zur Verfügung.
Support-Strukturen

Dadurch erhält der Fertigungsvorbereiter bereits vor dem Druck Aussagen zu dem Verzug der Struktur und ggf. verbleibender Spannungen nach dem Ablösen von der Grundplatte.

Fertigungssimulation

Mit dem Projektergebnis steht dem Entwicklungsteam ein integrierter Prozess zur Verfügung, der auf Grundlage von Altair HyperWorks realisiert ist. Mit Hilfe des Prozesses wird aktuell ein Spiegel für einen Satelliten entwickelt, der die Vorteile der integrierten Arbeitsumgebung demonstriert. Bis Frühjahr 2020 soll der Prozess fertiggestellt werden und im Anschluss allen Anwendern von Altair HyperWorks zur Verfügung stehen. Der aktuelle Stand der Entwicklung wird auf der Space Tech Expo vom 19. bis 21.11.2019 in Bremen vorstellt werden.

Christoph Katzenschwanz

Manager Consulting Business - Aerospace bei Altair Engineering GmbH
Mit-Autoren: Ramona Schwarz, Senior Project Engineer ESG und Matthias Eick, Senior Project Manager ESG
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