Development of a new aircraft bracket : topology optimization for additive manufacturing

Abstract

The dissertation describes the work done between September and February 2019 at Heinkel Group in Hamburg, Germany. This work was made in context of the subject “Dissertation/Project/Internship” of the second semester of the fifth year of the Integrated Master’s Degree in Mechanical Engineering of the University of Aveiro. The main task of this internship was to optimize an original bracket used in the Airbus A380 which is manufactured by conventional methods and to redesign it in a way to be suitable for additive manufacturing (AM). A first step was to perform the structural analyses of the original part in order to compare the results with the solutions created. Several topology optimizations where made to determine which volumes could be removed from the original bracket and several concepts were developed. The main goal of this project was to explore the use of additive manufacturing to create a lighter bracket but as performant as the one used in the aircraft. This work is also an exploration of the advantages of the technology in an area such as aerospace, bringing a big potential in the development of lightweight structures that are determining, for example, to reduce the fuel consumption of the aircraft and therefore its environmental impact. The main goal of this internship was to get in touch with the potentials of the technology of additive manufacturing, exploring its advantages and learning on how to design for AM. Even though the technology allows a high design freedom, the manufacturability requires the use of best practices while designing the product.

A dissertação descreve o trabalho desenvolvido entre setembro e fevereiro de 2019 na empresa Heinkel Group em Hamburgo, Alemanha. Este ocorreu no âmbito da unidade curricular “Dissertação/Projeto/Estágio do segundo semestre do quinto ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro. O estágio teve como principal tarefa a otimização de um suporte usado no Airbus A380, no qual é fabricado por métodos convencionais e redesenhá-lo de forma a ser aplicável para fabrico aditivo (FA). O primeiro passo foi realizar análises estruturais ao suporte original para poder comparar os resultados com as soluções desenvolvidas. Várias otimizações topológicas foram depois utilizadas para averiguar quais os volumes do modelo poderiam ser eliminados e diferentes conceitos foram elaborados. O principal objetivo deste projeto foi a exploração do uso do fabrico aditivo para desenvolver um suporte mais leve, mas tão eficaz como aquele usado no avião. O trabalho é também um estudo das vantagens da tecnologia na área aerospacial, que traz um grande potencial no desenvolvimento de estruturas leves que são determinantes, por exemplo, para reduzir o consumo de combustível do avião e por consequência o seu impacto ambiental. O objetivo principal do estágio foi desenvolver aptidões na conceção e construção de componentes usando fabrico aditivo, explorando as suas vantagens e aprendendo a desenhar para FA. Mesmo que a tecnologia permita uma grande liberdade no desenho, a produtibilidade requer o uso das melhores práticas durante a conceção do produto.