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Abstracts

Abschätzung des Leichtbaupotentials von Sekundärstrukturelementen

Um den steigenden Leichtbauanforderungen in der Luftfahrt perspektivisch gerecht zu werden, ermöglichen Generative Fertigungsverfahren, neue Potentiale in der Bauteilgestaltung. Im Flugzeugbau stehen dabei die belasteten Sekundärstrukturelemente, sogenannte Brackets im Fokus. Zur Bewertung des Leichtbaupotentials generativ gefertigter Strukturelemente wurde daher eine Methode entwickelt, die das optimierte Bauteilgewicht auf Basis von Randbedingungen effizient abschätzt, d.h. ohne genaue Geometrieinformationen. Grundlage der Methode ist die Bewertung des Formleichtbaus, wobei dieser nochmals in die Themen Dimensionierung und Formgebung der Geometrie unterteilt wird. Hierfür wurden zwei neue Leichtbaukennzahlen definiert: der Auslastungsfaktor (AF) für die Dimensionierung und das Minimalgewicht (MG) für die Formgebung des Bauteils. Der Auslastungsfaktor beschreibt die durchschnittliche Materialauslastung bezogen auf die maximal zulässige Spannung des gewünschten Werkstoffs. Der durchschnittlich realisierbare Auslastungsfaktor konnte aus verschiedenen Bauteiloptimierungen mit ca. 23% bei einer Standardabweichung von 2,5% ermittelt werden. Dieser gilt für die gesamte Bauteilgruppe der Sekundärstrukturelemente. Das Minimalgewicht hingegen, beschreibt den theoretisch minimalen Materialbedarf, damit eine Last bei gegebenen Randbedingungen innerhalb der Festigkeitsgrenzen abgefangen werden kann. Diese individuelle Kennzahl eines Bauteils kann über eine FE-Analyse des gesamten möglichen Bauraums mit entsprechenden Randbedingungen ermittelt werden. Basierend auf diesen beiden Kennzahlen, Auslastungsfaktor der Bauteilgruppe und individuellem Minimalgewicht kann dann das künftige, optimierte Gewicht eines Bauteils abgeschätzt sowie die Leichtbaukategorien Dimensionierung und Formgebung bewertet werden.

In order to perspectively meet increasing requirements for lightweight structures in aviation, Additive Manufacturing technologies allow unlocking greater potentials in part design. With-in an aircraft, the secondary structure brackets are currently the main focus. For the evaluation of lightweight potentials of additively manufactured structural elements, a method has therefore been developed to effectively estimate the optimized part weight only based on boundary conditions, meaning without detailed geometry information. Starting point of the method is the evaluation of lightweight design separated into the dimensioning and the shape of the geometry. For that, two indicators have been defined: the Utilization factor (AF) for the dimensioning and the Minimum weight (MG) for the shape of the geometry. The Utilization factor describes the average material utilization related to the maximum permissible stress of the used material. Based on several part optimizations, the average, technically realizable Utilization factor for aircraft secondary structure was determined to be about 23% with a standard deviation of 2,5%. This value is valid for the entire part group of secondary structures. The Minimum weight however, describes the theoretical minimal amount of material needed for a part to absorb given loads within defined stress limits considering all boundary conditions. This part-individual indicator can be determined by an FE-analysis of the overall possible build room together with respective boundary conditions. Using these defined lightweight performance indicators, Utilization factor for the part group and individual Minimum weight, the future weight of an optimized part can be estimated.