Das Systemhaus Technik

Technologien im Systemhaus Technik des DLR

3. März 2010

Die Kunden des Systemhaus Technik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erhalten Zugriff auf Kompetenzen insbesondere bezogen auf die folgenden Technologiefelder:

  • Experimentalgerät und Systemkomponenten z.B. für den Einsatz im kryogenen Bereich bis zum Hochtemperaturbereich
  • Leichtbaumodelle und Systemkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen (Kohlenstofffaser, Glasfaser usw.)
  • Systeme und Systemkomponenten für Verdichter und Turbinenprüfstände
  • Elektronische Komponenten und Systeme für stationäre Versuchsanlagen oder Flugexperimente
  • Entwicklung und Integration von Messtechnik
  • Rapid Prototyping (deutsch: schneller Prototypenbau) - Verfahren zur schnellen Herstellung von Musterbauteilen ausgehend von digitalen Konstruktionsdaten (Computer Aided Design; CAD)

Konstruktions- und Fertigungstechniken

Um die Kundenwünsche umsetzen zu können, wird im SHT eine geschlossene Kette von CAE/CAM-Techniken zur Bearbeitung der Aufträge eingesetzt. Für die Konstruktion von Bauteilen und ganzen Baugruppen sowie die CNC-Programmierung der Werkzeugmaschinen wird durchgängig das CAD-System CATIA V5 eingesetzt.
Mittels Schnittstellen zu den Systemen Pro-Engineer und Auto-CAD wird auch hier die Kompatibilität gewährleistet. Im Bereich der Elektronik kommen für die Schaltungsentwicklung und das Layout-Design die CAE-Systeme PADS und EAGLE zum Einsatz. Labor- und Versuchsanlagen werden mittels SPS oder LAbVIEW programmiert.

Für die Fertigung stehen u.a. folgende Technologien zur Verfügung:

  • CNC-Fräsen und Drehen
  • Erodieren
  • Fügetechniken
  • Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen (CFK und GFK)
  • Platinenherstellung nach EU-Standard (bleifrei) sowie nach ESA- und NASA-Standard
  • Bestückung von Platinen incl. SMD-Technik

Das Anwendungszentrum für Rapid Prototyping im Systemhaus Technik (SHT) des DLR

Rapid-Prototyping-Verfahren sind Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene CAD-Daten möglichst ohne manuelle Umwege oder Formen direkt und schnell in Bauteile bis hin zu komplexen Baugruppen umzusetzen.

Die unter dem Begriff des Rapid Prototyping seit den 1980er Jahren bekannt gewordenen Verfahren sind in der Regel Urformverfahren, die das Werkstück schichtweise aus formlosem oder formneutralem Material unter Nutzung physikalischer und/oder chemischer Effekte aufbauen. Besonders bei der Realisierung komplexer Bauteilstrukturen lassen sich hierbei gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden erhebliche Einsparpotenziale erzielen bzw. Fertigungszeiten reduzieren. In den letzten Jahren wurden die Anwendungsgebiete für diese Fertigungsverfahren, die sich am Anfang auf das Herstellen von Modellen und Prototypen konzentrierten, auf weitere Einsatzbereiche ausgedehnt. Dazu zählen: der Einsatz als physisches Modell (Concept Modeling; reines Anschauungsmodell), der Einsatz als Werkzeug (Rapid Tooling) sowie der Einsatz als Fertigteil (Rapid Manufacturing; Bauteile für reale Einsatzbedingungen).

DMU - Digital Mock-Up

Wegen der Bandbreite der aktuellen Applikationen wird nunmehr vom Einsatz generativer Fertigungsverfahren gesprochen.
Angespornt von den Erfolgen einer schnellen Fertigung von Musterbauteilen bzw. Prototypen respektive der Verkürzung von Entwicklungszyklen wird die Verwendung von digitalen Daten konsequent weiter entwickelt. Ziel ist es, das physische Versuchsmodell zu ersetzen durch ein digitales Versuchsmodell (sogenanntes Digital Mock-Up; DMU). Das DMU bezeichnet ein computergestütztes Versuchsmodell im CAD, das die Produktstruktur (z. B. Einzelteile sowie komplexe Baugruppen) und deren lagerichtige Geometrie repräsentiert.

Auf Basis eines DMU kann eine Vielzahl von Untersuchungen wie z. B. Baubarkeitsprüfungen oder die Simulation von Ein- und Ausbauvorgängen, Kollisionsprüfungen z. B. für Service- und Wartungsarbeiten ausgeführt werden. Zur realen Überprüfung der virtuellen Ergebnisse steht am Ende eines Entwicklungsprozesses immer noch ein physisches Versuchsmodell. Die Idee des DMU entstand aus den Überlegungen, wie man die kosten- und zeitintensiven physischen Versuchsmodelle mit Hilfe der Rechnerunterstützung ersetzen könnte. Vorreiter dieser Technik war die Flugzeugindustrie.

Die Boeing 777 wurde als erstes Produkt vollständig digital und dreidimensional beschrieben. Mit Hilfe des DMU konnte innerhalb des Projektes die Entwicklungszeit bei gleichzeitiger Verringerung von Änderungen und Fehlern verkürzt werden. Zusätzlich konnte die Passgenauigkeit der Teile und der Systeme verbessert werden. Mittlerweile wird diese Technik auch im Automobilbau und Schiffbau erfolgreich eingesetzt.

Das digitale Versuchsmodell (DMU) stellt die wirklichkeitsgetreue Beschreibung eines Produktes im Rechner (virtuelle Realität; VR) dar und zählt zu den Bestandteilen der virtuellen Produktentwicklung (VPE). Diese wird als ganzheitlicher Lösungsansatz zur Bewältigung des Zeit- und Kostendruckes sowie dem Handling der Variantenvielfalt gesehen. Als virtuelle Realität wird die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten, interaktiven virtuellen Umgebung bezeichnet.

Virtuelle Realität lässt sich in vielen Bereichen einsetzen. Ein sehr bekanntes Einsatzgebiet ist die Pilotenausbil-dung in Flugsimulatoren. Auch in der Industrie wird diese Technologie verstärkt eingesetzt, vor allem zur Erstellung von virtuellen Prototypen oder für Ergonomietests. In der Industrie wird die VR-Anlage unter anderem „Powerwall“ genannt. Weitere Einsatzgebiete sind Architekturvisualisierungen bzw. in der Medizin.

Anwendungspotenziale der Rapid Prototyping Verfahren innerhalb des SHT

Das Systemhaus Technik (SHT) ist eine Einrichtung für Engineering und integrierte Fertigung im wissenschaftlichen Gerätebau. Den Kunden stehen leistungsfähige und hochmoderne Technische Betriebe an fünf Standorten des DLR zur Verfügung. Diese sind unter dem Dach des SHT zusammengefasst und bieten eine durchgängige Dienstleistung von der Beratung über die Entwicklung und die Fertigung wissenschaftlicher Versuchsgüter bis zur Montage in Versuchsanlagen.

Um die Kundenwünsche umsetzen zu können, wird bislang im SHT eine geschlossene Kette von CAE/CAM-Techniken zur Bearbeitung der Aufträge eingesetzt. Für die Konstruktion von Bauteilen und ganzen Baugruppen sowie die CNC-Programmierung der Werkzeugmaschinen wird durchgängig das CAD-System CATIA V5 eingesetzt.

Mit der Initialisierung des „Rapid- Prototyping-Zentrum SHT haben sich neue Möglichkeiten zur schnellen Herstellung von Musterbauteilen ausgehend von digitalen Konstruktionsdaten (CAD) ergeben. Im Fokus der Entwicklungen ist die Werkstoffentwicklung in Zusammenarbeit mit der Werkstoffforschung. Als Beispiel sei ein Forschungsprojekt mit Titanaluminit genannt, wo mit Hilfe der Laser Cusing Methodik dieser neue Werkstoff erprobt wird. Titanaluminite weisen bei geringer Dichte sehr gute Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf und können für bestimmte Bauteile (z. B. Gasturbinen) Nickellegierungen mit wesentlich höherer Dichte ersetzen. Weitere Forschungsschwerpunkte sind hybride Werkstoffkombination und die Werkstoffkonstruktion zur Erprobung komplexer Geometrien.

Im Projekt Phönix werden Windkanalmodelle des zukünftigen europäischen wieder verwendbaren Raumtransporters mit Hilfe des Laser Cusing Verfahrens hergestellt. Besonderheiten sind die extrem dünnen Wandstärken und die Nutzanwendung des Werkstoffes Titan. Das Verfahren eröffnet die Herstellung von Bauteilen, die mit konventionellen Verfahren gar nicht, bzw. nur mit erheblichen Aufwand anzufertigen wären (Wandstärke Phönix Raumtransport <1mm). Ein weiterer großer Vorteil ist der geringe zeitliche Aufwand für die Herstellung des komplizierten Prototypen und somit verbundener Kostenreduktion.

Im Projekt SHEFEX II wird ein Raketenmodul von der Idee bis zur technischen Umsetzung als Produkt entwickelt. SHEFEX II ist die zweite Höhenforschungsrakete des DLRs. Besondere Aufmerksamkeit kommt den Flugeigenschaften und der Flugregelung der scharfkantigen, nur mit glatten Flächen ausgestatteten Rakete zu. Hierzu wird die Rakete mit einem sogenannten CANARD- Modul versehen. Die Aufgabe für das Engineering im Systemhaus Technik  besteht nun in der in der Beratung zur Konstruktion des Raketenmoduls, der Erstellung des Lastenhefts und der Strukturentwicklung des CANARD- Moduls. Zur Realisierung der Anforderungen einer geringen Masse muss nun die Struktur massen- und kraftflussoptimiert werden. Zur Konstruktion des Modells wird CATIA V5 und zu den statischen und den dynamischen FEM Berechnungen wird NASTRAN / PATRAN eingesetzt. Dazu kommen Unterstützung der Umwelttests (Vakuum, Belastungen, Beschleunigungs- und Frequenztests) und der Qualitätssicherung zur Aufdeckung von Schwächen der wechselnden Flugphasen und zur Bestätigung der Qualität auf einem sehr hohen Niveau.

Eine weitere Neuerung ist die Erstellung von Layouts vom Entwurf bis zur fertigen Platine mittels der Laserstrukturierung. Die Laserbearbeitung beherrscht die beiden Strukturierungsverfahren der Delamination und des Verdampfens und ist damit weitgehend unabhängig von der Art des Substratmaterials. Die Prozesssteuerung erlaubt die Bearbeitung von kupferbeschichtetem FR4 Material ebenso wie die von aluminiumbeschichteten PET-Folien. Auf keramischem Material lassen sich Leiterbahnstärken von 50µm und Abstände von 25µm bei exakten Geometrien erzeugen. Der Laser arbeitet zunächst die Konturen des Schaltkreises aus und schmilzt anschließend die Klebeschicht zwischen Leiterplattensubstrat und Kupferschicht. Das überflüssige Kupfer löst sich flächig ab und wird abgesaugt. Dieses Verfahren übertrifft in ihrer Reproduzierbarkeit heutige rein chemische Verfahren.

Die gestiegenen Anforderungen der Kunden nach schnelleren Ergebnissen bei der Umsetzung im Engineering und der Fertigung führten in Abstimmung mit den Instituten zu Überlegungen, durch Investitionsmaßnahmen im Bereich des Rapid Prototyping / Manufacturing sowie der virtuellen Realität nicht nur deren Vorteile in Bezug auf Zeit und Kosten auszunutzen, sondern die neuen Technologien für solche Anforderungen einzusetzen, bei de-nen die bislang verfügbaren Techniken an ihre Grenzen gestoßen sind.

Im Bereich Rapid Prototyping / Manufacturing erstrecken sich die Investitionsmaßnahmen auf die Beschaffung von:

  • Laser-Sinter-Anlagen
  • Laserstrukturierung von Leiterplatten mit vollautomatischer Bestückung elektronischer Komponenten
  • Die Kombination hochdynamischer CNC-Mehrachs-Bearbeitungsmaschinen im Dreh-Fräsbereich

Laser-Sinter-Anlagen

 Anwendungsbeispiel zum Lasersinter-Verfahren
zum Bild Anwendungsbeispiel zum Lasersinter-Verfahren

Mit Laser-Sinter-Anlagen lassen sich metallische Pulver (z. B. Stähle, Aluminium, Titan) schichtweise auftragen und mittels eines CNC-gesteuerten Laserstrahls verschweißt. Mit diesem Lasersinter-Verfahren lassen sich filigrane und hochkomplexe Strukturen realisieren, die mit der „konventionellen“ CNC-Bearbeitung nicht oder äußerst schwierig herstellbar sind. Als Anwendungsbeispiel wird die lasergesinterte Struktur eines Heliostaten abgebildet, die zur Ermittlung der Windbelastungen in einem Windkanal untersucht wird. Deren Herstellung mittels einer spanenden Bearbeitung hätte ein Vielfaches an Fertigungszeit benötigt.

Laserstrukturierung von Leiterplatten mit vollautomatischer Bestückung elektronischer Komponenten

Die Ergebnisse, die mittels der Laserstrukturierungstechnlogie von Printed Circuit Boards erzielt werden können, beschränken sich nicht nur auf die wesentlich schnellere Fertigungszeit, sondern eröffnen dem wissenschaftlichen Anwender der Institute eine wesentlich höhere Vielfalt an verwendbaren Materialien, wie z. B. kupferbeschichtete Kunststoffe oder aluminiumbeschichtete PET-Folien (Polyethylenterephthalat), Keramiken, TMM (Kunststoffe mit Zusatz keramischer Partikel) oder PTFE (Polytetrafluorethylen). Darüber hinaus kann durch diese Technologie fast gänzlich auf das herkömmliche chemischen Verfahren verzichtet werden. Dies wiederum ermöglicht ein effizientes Prototyping, da die Prozesskette der digitalen Dateninformation (CAE/CAM) nicht unterbrochen wird und somit eine laserstrukturierte Leiterplatte anschließend mittels eines Bestückautomaten automatisch bestückt werden kann.

Die Kombination hochdynamischer CNC-Mehrachs-Bearbeitungsmaschinen im Dreh-Fräsbereich

Damit das SHT den gestiegenen Fertigungsansprüchen der Institute gerecht werden kann, müssen neue Verfahren wie Rapid Manufacturing eingeführt werden. Um direkt und schnell von der werkzeuglosen Fertigung des CAD (Engineering) zu den physikalischen Strukturen (Werkstücken, Baugruppen) zu kommen, ist der Einsatz von kombinierten Bearbeitungsverfahren (simultanes Fräsen und Drehen in einer Aufspannung) mittels hochdynamischen CNC-Bearbeitungsmaschinen unerlässlich geworden.
Im Bereich der virtuellen Realität erstreckt sich die Investitionsmaßnahme auf die Beschaffung einer Powerwall. Mit diesem System lassen sich digitale Versuchsmodelle virtuell im Raum darstellen.

Durch Verwendung von speziellen 3D-Brillen verknüpft mit einer leistungsfähigen Software erschließt sich den Entwicklern die Möglichkeit, einzelne Strukturelemente einer komplexen Baugruppe „anzufassen“ und im virtuellen Raum zu manipulieren. So lassen sich z. B. Montagevorgänge simulieren, Kollisionsprüfungen durchführen, die Integration von Mess-Sensoren an Bauteilen oder Systemen optimieren, zur Verfügung stehende Bauräume optimal ausnutzen oder komplexe Strömungsvorgänge sichtbar machen.

Notwendige Veränderungen lassen sich direkt im CAD-System einpflegen und anschließend im digitalen Versuchsmodell sichtbar machen, ohne dass hierzu ein physisches Modell erstellt werden müsste. Das spart wertvolle Zeit und reduziert insgesamt die Entwicklungszyklen. Im weiteren Verlauf einer Entwicklung wird ein physisches Versuchsmodell erstellt (z. B. mit Rapid Prototyping), um die mittels Simulation im virtuellen Raum ermittelten Ergebnisse mit einer Hardware zu verifizieren. Nach positivem Testergebnis können die realen Bauteile oder Baugruppen gefertigt werden (bei entsprechenden Anforderungen auch mit Hilfe des Rapid Manufacturing).


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