B3.2 - Process simulation and multiscale manufacturing of suction panels for laminar flow control

Additive Fertigung

Bauteile, die für konventionelle Fertigungsverfahren entworfen wurden, sind in der Regel weniger für additiven Fertigungsverfahrens geeignet. Die Vorteile der additiven Fertigung können mit Bauteilen, welche für den entsprechenden Herstellungsprozess entworfen oder optimiert sind, sehr viel besser erreicht werden. Bei der Herstellung komplexer Strukturen mit konventionellen Verfahren ist ein großer Zusatzaufwand in Form von Nachbearbeitung erforderlich, der direkt mit der Teilkomplexität korreliert. Bei der additiven Fertigung ist der Fertigungsaufwand dagegen nicht von der Bauteilkomplexität abhängig. Die Vorteile eines vollständig funktionsintegrierten Entwurfsansatzes, typisch für additive Fertigungsverfahren, können die Nachteile des höheren Modellierungsaufwands komplexer Geometrien überwiegen.

Die additive Fertigung von Absaugpanelen erfordert ein umfassendes Verständnis des 3D Druckprozesses. Die präzise Einstellung der einzelnen Druckparameter ist besonders im Hinblick auf die thermomechanischen Zusammenhänge und die komplexen physikalischen Prozesse beim 3D Druckprozess wichtig. Die ungenaue Wahl der Prozessparameter kann unter anderem eine geringe Oberflächenqualität, Bauteilverzerrungen und hoher Materialporosität zur Folge haben. Im ungünstigsten Fall kann es weiterhin zum Druckversagen kommen. Um das zu vermeiden und um maßhaltige und mechanisch belastbare Bauteile zu erzeugen, sind numerische Simulationen und experimentelle Untersuchungen notwendig. Die experimentellen Untersuchungen reichen dabei von einfachen Probenkörpern für mechanische Untersuchungen bis zu repräsentativen Modellen.

Additiv gefertigte Absaugpanele für die laminare Strömungskontrolle

Absaugpanele für die laminare Strömungskontrolle können in zwei Funktionseinheiten unterteilt werde, die poröses Absaughaut und die darunter liegende Stützstruktur. Die Absaughaut sollte eine kontinuierliche Porosität aufweisen um eine kontinuierliche Absaugung über der gesamten Oberfläche zu gewährleisten. Die Stützstruktur muss die Absaughaut so stützen, dass sie aerodynamisch glatt ist und keine Welligkeit oder Beulen auftreten.

Die Verbindung von Absaughaut und Stützstruktur mit konventioneller Fügetechnik führt zum Blockieren der Oberflächenperforierung und dadurch zu einer Verringerung der Absaugfläche. Bei der Verwendung additiver Fertigungsverfahren ist ein integraler Bauteilentwurf möglich, der die blockierte Absaugfläche auf ein Minimum reduziert.

Dreifach periodische Minimalflächen als Stützstruktur für die Absaughaut

Die Absaugrate am Absaugpanel wir durch den Differenzdruck an der Absaughaut kontrolliert. Bei der Durchströmung von Absaughaut und Stützstruktur kommt es zu einem Druckverlust, was eine gezielte Einstellung der Druckverteilung  und damit der Absaugrate über dem Absaugpanel durch die Struktur ermöglicht. Dreifach periodische Minimalflächen Strukturen wie beispielsweise Gyroide oder Schwarz-P Minimalflächen können durch additive Fertigungsverfahren als sehr leichte und doch mechanisch beanspruchbare Stützstruktur verwendet werden. Gleichzeitig erlaubt ihre spezifische Geometrie eine Durchströmung in zwei separaten Kanalsystemen. In diesem Projekt werden die mechanischen Eigenschaften dieser Metamaterialien bestimmt und in ein Modell Reduzierter Ordnung (ROM) überführt. Dieses Modell kann im Projekt B3.1 für die Integration in die globale Strukturauslegung eines Hybriden Laminarflügels verwendet werden. Die Fähigkeit dreifach periodischer Minimalflächen einen Druckverlust zu kontrollieren wird im Projekt JRG B1 anhand von Metastrukturen untersucht, die in diesem Projekt entworfen und gefertigt werden. Die Verwendung von Metastrukturen als Stützstruktur für ein Absaugpanel wird einem konventionellen Entwurfsansatz aus dem Projekt B3.1 hinsichtlich aerodynamischer und mechanischer Eigenschaften gegenübergestellt.

Microperforierte Absaughaut mit Selective Laser Melting (SLM)

Bei SLM wird pulverförmiges Material von einem beweglichen Laser in einem vom Benutzer bestimmten Muster aufgeschmolzen. Die Prozessparameter wie beispielsweise Laserleistung, Geschwindigkeit des Laserstrahls etc. beeinflussen das Verhalten der Schmelze und der anschließenden Aushärtung. Das steht mit der Qualität jeder einzelnen Lage im gesamten Druckprozess im Zusammenhang und wirkt sich dadurch auch auf die Oberflächengüte des gefertigten Bauteils aus. In diesem Projekt werden die Auswirkungen der Druckparameter auf die Bauteilqualität im Detail untersucht.

Die Qualität der Löcher in der äußeren Absaughaut beeinflusst direkt den Druckverlust an der Haut und ist daher ein entscheidender Aspekt des Absaugpanels. Um die präzise Fertigung solcher sub-millimeter Löcher mit SLM zu ermöglichen muss ausreichend Prozessverständnis auf Pulverebene vorhanden sein. Die Komplexität des Herstellungsprozesses macht experimentelle Untersuchungen einer einzelnen Laserspur zu einer Herausforderung. Aus diesem Grund ist es notwendig die Experimente mit genauen numerischen Modellen zu ergänzen um den Prozess und seine Parameter genau zu verstehen.

Neben der Lochqualität muss auch die Güte der aerodynamische Oberfläche sichergestellt sein. Die Oberflächengüte kann von den SLM Prozessparametern direkt beeinflusst werden und ist Bestandteil der Untersuchungen in diesem Projekt.

Die 3D gedruckte metallische Absaughaut wird im Projekt JRG B1 hinsichtlich der Druckverluste über den Absauglöchern untersucht. Die Zusammenarbeit mit JRG B1 erlaubt Zusammenhänge rund um die effiziente Auslegung und Fertigung von Absaugpanelen weiter zu erforschen und zu verstehen