Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung [1. Aufl.] 978-3-662-58262-6;978-3-662-58263-3

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XXVII
Einleitung (Jan-Peer Rudolph)....Pages 1-5
Stand der Wissenschaft und Technik (Jan-Peer Rudolph)....Pages 7-43
Aufgabenstellung (Jan-Peer Rudolph)....Pages 45-52
Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien (Jan-Peer Rudolph)....Pages 53-80
Angebots- und Vorkalkulation (Jan-Peer Rudolph)....Pages 81-119
Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen (Jan-Peer Rudolph)....Pages 121-136
Bauteilsichtung und -selektion (Jan-Peer Rudolph)....Pages 137-154
Systemarchitektur und prototypische Implementierung (Jan-Peer Rudolph)....Pages 155-167
Zusammenfassung und Ausblick (Jan-Peer Rudolph)....Pages 169-171
Back Matter ....Pages 173-196

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Light Engineering für die Praxis

Jan-Peer Rudolph

Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung Herausgegeben von Claus Emmelmann

Light Engineering für die Praxis Reihe herausgegeben von C. Emmelmann, Hamburg, Deutschland

Technologie- und Wissenstransfer für die photonische Industrie ist der Inhalt dieser Buchreihe. Der Herausgeber leitet das Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg sowie die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT. Die Inhalte eröffnen den Lesern in der Forschung und in Unternehmen die Möglichkeit, innovative Produkte und Prozesse zu erkennen und so ihre Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu stärken. Die Kenntnisse dienen der Weiterbildung von Ingenieuren und Multiplikatoren für die Produktentwicklung sowie die Produktions- und Lasertechnik, sie beinhalten die Entwicklung lasergestützter Produktionstechnologien und der Qualitätssicherung von Laserprozessen und Anlagen sowie Anleitungen für Beratungs- und Ausbildungsdienstleistungen für die Industrie.

Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13397

Jan-Peer Rudolph

Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung

Jan-Peer Rudolph Fraunhofer IAPT Hamburg, Deutschland

ISSN 2522-8447 ISSN 2522-8455  (electronic) Light Engineering für die Praxis ISBN 978-3-662-58262-6 ISBN 978-3-662-58263-3  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der LZN Laser Zentrum Nord GmbH/Fraunhofer-Einrichtung für additive Produktionstechnologien IAPT und dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der Technischen Universität Hamburg. Zunächst gilt mein besonderer Dank meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, dem Leiter des Instituts für Laser- und Anlagensystemtechnik sowie der Fraunhofer-Einrichtung für additive Produktionstechnologien IAPT, für die Betreuung der Arbeit. Durch seine wohlwollende Förderung und vielfältige Unterstützung hat er maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr. Dr. h. c. Wolfgang Kersten für die Übernahme des Koreferats und Herrn Prof. Dr. Christian Lüthje für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Für die kollegiale Zusammenarbeit und die sehr gute Arbeitsatmosphäre danke ich allen Mitarbeitern des Instituts. Die Arbeit am Institut hat mir stets viel Freude bereitet und wertvolle Impulse gegeben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Felix Güntzer, der als studentische Hilfskraft die Umsetzung des Softwareprototyps unterstützt hat. Des Weiteren danke ich Herrn Dr.-Ing. Dirk Herzog für die kritische Durchsicht der Arbeit. Frau Martina Dorfner danke ich für ihre Hilfe bei der Organisation des Promotionsverfahrens. Darüber hinaus danke ich allen ehemaligen und aktiven Kollegen für den intensiven fachlichen Austausch und die anregenden Diskussionen. Mein Dank gilt hierbei insbesondere den Herren Michael Lippert, Dr.-Ing. Markus Möhrle, Friedrich Proes, Dr.-Ing. Tobias Schmidt, Andreas Solbach und Franz Terborg. Ebenso danke ich allen studentischen Mitarbeitern, die meine Forschungsarbeit durch ihre Tätigkeiten und die Anfertigung von Bachelor- und Masterarbeiten unterstützt haben. Der Bionic Production AG danke ich für die gemeinsame Kooperation im Rahmen des Forschungsprojekts und die Möglichkeit, die vorgenommenen Entwicklungen in die industrielle Anwendung zu bringen. Abschließend danke ich meinen Eltern, die mir meinen bisherigen Lebensweg ermöglicht haben, und meinem Bruder. Ihr Rückhalt wirkte stets motivierend. Sie hatten immer ein offenes Ohr für mich und standen mir jederzeit unterstützend und hilfsbereit zur Seite. Hamburg, im August 2018 Jan-Peer Rudolph

Kurzfassung Additive Fertigung repräsentiert die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) wie kaum eine andere Produktionstechnologie. Neben hohen Freiheitsgraden in der Konstruktion ermöglicht sie eine annähernd direkte Herstellung von Bauteilen aus deren CAD-Daten. Trotzdem sind in der Anwendung der Technologie zahlreiche Potentiale noch nicht erschlossen. Insbesondere die Selektion geeigneter Bauteilkandidaten erweist sich dabei häufig als aufwändiger und komplexer Prozess. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Potentialerschließung in der additiven Fertigung über eine cloudbasierte Plattformlösung vorgestellt. Diese hat das Ziel, durch Automatisierung und Bedienung über eine webbasierte Schnittstelle eine möglichst effiziente und zugängliche Anwendung zu schaffen. Die Methodik umfasst vier wesentliche Bestandteile: eine Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien, eine Angebots- und Vorkalkulation, eine Bewertung von Potentialen durch Bauteiloptimierung und einen Kostenvergleich zu den konventionellen Konkurrenzverfahren Zerspanung und Guss. Damit ermöglicht die Methodik eine integrierte Bauteilsichtung und -selektion nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Im Rahmen der Arbeit wird insbesondere das additive Fertigungsverfahren des selektiven Laserstahlschmelzens zur Herstellung metallischer Bauteile betrachtet. Darüber hinaus wird die Architektur des prototypisch implementierten Gesamtsystems dargestellt. Neben der Analyse von Potentialen unterstützt das System die Auftragsabwicklung und dient als Schnittstelle zwischen Fertigungsdienstleister und Kunde. Die auf Basis des Prototyps vorgenommene Evaluierung zeigt die hohe Leistungsfähigkeit der Methodik, effizient, effektiv und transparent Potentiale in der additiven Fertigung zu erkennen. Somit versetzt sie Unternehmen und private Anwender in die Lage wirtschaftliche Anwendungsfälle schnell und mit hoher Validität zu erschließen. Schlagwörter: Additive Fertigung, Bauteiloptimierung, Bauteilsichtung und

-selektion, Cloudbasierte Plattform, Fertigungsrestriktionen, Industrie 4.0, Kalkulation, Konstruktionsrichtlinien, Potentialbewertung

Abstract Additive manufacturing represents the fourth industrial revolution (Industry 4.0) more than almost any other production technology. In addition to high degrees of freedom in the design, additive manufacturing allows a nearly direct manufacturing of parts out of their CAD data. Nevertheless, numerous potentials are not yet used in the application of the technology. In particular, the selection of appropriate part candidates often proves to be a time-consuming and complex process. This thesis addresses this issue by presenting a methodology for opening up potentials in additive manufacturing through a cloud-based platform solution. It has the intension of achieving an efficient and easy-to-use application through automation and operation via a web-based interface. The methodology includes four major elements: a checking of manufacturing restrictions and design guidelines, a quotation costing and preliminary calculation, an assessment of potentials through part optimization, and a cost comparison with the competing manufacturing processes machining and casting. Thus, the methodology enables an integrated part screening and selection according to technical and economic aspects. The considered additive manufacturing technology within this thesis is in particular the process of selective laser melting for the production of metallic components. Furthermore, the thesis introduces the architecture of the implemented prototype system. Beside of the analysis of potentials, the system supports the order processing and serves as an interface between manufacturing service provider and customer. The evaluation, which is conducted on basis of the developed prototype, shows the great performance of the methodology for an efficient, effective, and transparent identification of potentials in additive manufacturing. This enables companies and private users to quickly tap relevant business cases with high validity. Keywords: additive manufacturing, assessment of potentials, calculation, cloud-

based platform, design guidelines, Industry 4.0, manufacturing restrictions, part optimization, part screening and selection

Inhaltsverzeichnis Vorwort

V

Kurzfassung

VII

Abstract

IX

Formelzeichen und Abkürzungen

XV

Abbildungsverzeichnis

XXIII

Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Cloudbasierte Systeme und Industrie 4.0 1.2 Bionic Smart Factory 4.0 . . . . . . . . . . 1.3 Forschungsbeitrag der Arbeit . . . . . . . 1.4 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . .

XXVII . . . .

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2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Additive Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Grundlagen und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Verfahrensübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Selektives Lasersintern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Nachbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Datenvorbereitung und digitale Prozesskette . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Geometriedatenformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Digitale Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Datenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Cloudbasierte Softwaredienste . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Angebots- und Vorkalkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Grundlagen der Angebotskalkulation . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Kostenmodelle der additiven Fertigung . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Kostenmodelle der Zerspanung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Kostenmodelle für Gussteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Bauteil- und Produktoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Bauteiloptimierung im Kontext additiver Fertigung . . . . . 2.4.2 Topologieoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Cloudbasiertes Computer-Aided Engineering . . . . . . . . 2.4.4 Konstruktionsrichtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 Leichtbaupotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Potentialbewertung, Bauteilauswahl und Entscheidungsunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1 2 3 5 7 7 7 8 10 12 13 13 13 16 17 19 20 20 28 32 33 34 34 35 37 38 39 40

XII

Inhaltsverzeichnis

3 Aufgabenstellung 3.1 Forschungsbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Wissenschaftliche Arbeiten . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Kommerzielle Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Zielsetzung und Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Einordnung in die Prozesskette der additiven Fertigung

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45 45 45 46 47 47 49

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien 4.1 Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien . . . . . . . 4.2 Größenüberprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Komplette Punktwolke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Bounding Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Umgebende Kugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Mehrstufige Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Erkennung kritischer Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Vollständige Überprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Teilweise Überprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Evaluierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Größenüberprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien . . . . . . . . .

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53 54 57 58 59 59 61 61 62 65 66 68 68 75

5 Angebots- und Vorkalkulation 5.1 Herausforderungen einer webbasierten Kalkulation 5.2 Kalkulationsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Struktur der Kostenkalkulation . . . . . . . . 5.2.2 Grundlagen der Kalkulation . . . . . . . . . 5.2.3 Auswertung der Geometriedaten . . . . . . . 5.3 Materialkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Kosten der Arbeits- und Datenvorbereitung . . . . 5.4.1 Arbeitsplanung und -steuerung . . . . . . . 5.4.2 Datenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Vorbereitung der Nachbearbeitung . . . . . 5.5 Fertigungskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1 Rüsten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2 Generierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3 Kapazitätsauslastung . . . . . . . . . . . . . 5.5.4 Nachbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.5 Restfertigungsgemeinkosten . . . . . . . . . 5.6 Vertriebs- und Verwaltungskosten . . . . . . . . . . 5.7 Preisbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Evaluierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8.1 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8.2 Effektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8.3 Transparenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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81 81 83 84 86 90 94 95 95 96 96 97 97 98 101 106 109 109 110 110 111 113 116

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Inhaltsverzeichnis

XIII

5.9 Selbstlernende Kalkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.10 Übertragung auf selektives Lasersintern . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen 6.1 Webbasierte Finite-Elemente-Methode . . . . 6.2 Potentialbewertung . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Kostenermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Evaluierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Effektivität . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Transparenz . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.4 Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Einsatz in der Produktneuentwicklung . . .

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121 122 126 128 129 131 132 133 134 135

7 Bauteilsichtung und -selektion 7.1 Vorgehensmodell . . . . . . 7.2 Vergleichskalkulation . . . . 7.2.1 Additive Fertigung . 7.2.2 Zerspanung . . . . . 7.2.3 Guss . . . . . . . . . 7.3 Evaluierung . . . . . . . . . 7.3.1 Effizienz . . . . . . . 7.3.2 Effektivität . . . . . . 7.3.3 Transparenz . . . . . 7.4 Anwendungsbeispiele . . .

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137 137 139 141 146 148 150 150 150 151 152

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8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung 8.1 Verteilte Systeme und Cloud-Computing . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Methodik der cloudbasierten Potentialerschließung . . . . . . . . . 8.3 Architekturmodell einer Plattform zur cloudbasierten Potentialerschließung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Benutzeroberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Applikationslogik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Datenschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

155 155 156 157 158 160 166

9 Zusammenfassung und Ausblick 169 9.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 9.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Literaturverzeichnis

173

Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen Bezeichnung α α0 α1 α ggb β1 , β2 γ1 γ2 , γ3 ρ AMat ρ Mat ρ ZMat σ¯ σi σMax θi θˆi a, b, c ~a,~b, ~c a BP,A a BSR A BT A BT,BP A∆ A∆,i AF AFBT a Fkt

Beschreibung Winkelschrittweite Regressionskonstante zur Abschätzung der Auslastung des Beschichtungsraums Regressionskoeffizient zur Abschätzung der Auslastung des Beschichtungsraums Grenzwert zur Bestimmung gegenüberliegender Dreiecksfacetten Regressionskoeffizienten zur Abschätzung der Aufbauhöhe Regressionskoeffizient zur Abschätzung der Fertigungseinzelkosten eines Gussvorgangs Regressionskoeffizienten zur Abschätzung der Fertigungseinzelkosten eines Gussvorgangs Dichte des Ausgangsmaterials Dichte des verwendeten Werkstoffs Dichte des Zielmaterials mittlere Spannung in einem Bauteil vorhandene Spannung im Element i maximal zulässige Spannung des Materials realer Wert des i-ten Datenpunkts abgeschätzter Wert des i-ten Datenpunkts Seitenlängen Ortsvektoren durchschnittlicher Anteil der durch ein Bauteil auf der Bauplattform belegten Fläche zur Bauteiloberfläche volumenmäßiger Anteil des Bauteils am Beschichtungsraum Oberfläche des Bauteils Anbindungsfläche des Bauteils an der Bauplattform Fläche einer Dreiecksfacette Fläche der i-ten Dreiecksfacette Auslastungsfaktor Auslastungsfaktor der Bauteilgeometrie bei Verwendung des Zielmaterials Anteil an zu bearbeitenden Funktionsflächen an der Gesamtoberfläche des Bauteils

Einheit ◦

1/mm

◦

e/mm3 e/mm g/cm3 g/cm3 g/cm3

Pa Pa Pa mm -

mm2 mm2 mm2 mm2 -

XVI Bezeichnung AFOpt AK J aSchw ASup aSup,A aSup,V bBR bGF,BT bRB BSK J BVP d BJ d BSR dim BT dmaxEck dmin d Rest dSP EK J EKKS FEK FEK AVO FEK DE FEK DV FEK Fr FEKGen FEKGen,BP FEKGen,Nach FEKGen,R FEKGen,Vor

Formelzeichen Beschreibung mittlerer Auslastungsfaktor für additiv gefertigte, strukturoptimierte Bauteile jährliche kalkulatorische Abschreibungen Anteil für Pulverschwund Bauteiloberfläche, die durch Supportstrukturen belegt ist durchschnittlicher Anteil der Supportfläche an der Bauteiloberfläche durchschnittlicher Anteil des Supportvolumens am Bauteilvolumen Breite des Bauraums Breite der Grundfläche des Bauteils Breite des Rohblocks jährliche Kosten für Betriebsstoffe Barverkaufspreis durchschnittliche Auslastung eines Baujobs durchschnittliche Auslastung des Beschichtungsraums Abmessungen eines Bauteils Abstand des Dreiecksmittelpunktes zum am weitesten entfernten Eckpunkt Mindestabstand zwischen den Bauteilen und zu den Plattformrändern Auslastung des verbleibenden Raums der Baujobs Auslastung der Baujobs in der Serienfertigung jährliche Energiekosten Einzelkosten eines Auftrags in einer Kostenstelle Fertigungseinzelkosten Fertigungseinzelkosten für einen Arbeitsvorgang Fertigungseinzelkosten für das Drahterodieren Fertigungseinzelkosten für die Datenvorbereitung Fertigungseinzelkosten für das Fräsen Fertigungseinzelkosten für das Generieren Fertigungseinzelkosten für das Vorbereiten der Bauplattform Fertigungseinzelkosten für das Nachbereiten bzw. Abrüsten der Generierung Fertigungseinzelkosten für das Rüsten der Generieranlage Fertigungseinzelkosten für das Vorbereiten bzw. Aufrüsten der Generierung

Einheit e mm2 mm mm mm e e mm mm mm e e e e e e e e e e e e

Formelzeichen Bezeichnung FEKGu FEKSE FEKStr FEKWB FK GFBR GFBT GKKS GKKS,Per gmax h BR hGen HK h Max h Max,i h RB hS IK J K BJ K BT KKS k Mh k Mh,DE k Mh,Fr k Mh,Gen k Mh,Str k Ph k Ph,Fr k Ph,SE k Ph,Str k Plv k RB kWB

XVII Beschreibung Fertigungseinzelkosten für den Gussvorgang im Feinguss Fertigungseinzelkosten für das Supportentfernen Fertigungseinzelkosten für die Oberflächenbehandlung durch Sandstrahlen Fertigungseinzelkosten für die Wärmebehandlung Fertigungskosten Grundfläche des Bauraums bzw. Fläche der Bauplattform Grundfläche eines Bauteils einschließlich Mindestabstand Gemeinkosten eines Auftrags in einer Kostenstelle Gemeinkosten einer Kostenstelle im Laufe einer Periode Maximum der durch Richtlinien festgelegten Grenzwerte Höhe des Bauraums Aufbauhöhe eines Bauteils Herstellkosten maximale Aufbauhöhe im Bauraum maximale Aufbauhöhe im Baujob i Höhe des Rohblocks Schichtdicke jährliche Instandhaltungs- und Reparaturkosten Kosten des gesamten Baujobs Kosten eines Bauteils Kosten eines Auftrags in einer Kostenstelle Maschinenstundensatz Maschinenstundensatz der Drahterodiermaschine Maschinenstundensatz der Fräsmaschine Maschinenstundensatz der Generieranlage Maschinenstundensatz der Strahlmaschine Personenstundensatz Personenstundensatz beim Fräsen Personenstundensatz beim Supportentfernen Personenstundensatz beim Sandstrahlen Pulverpreis Rohblockpreis volumenbezogener Kostensatz für die Wärmebehandlung

Einheit e e e e e mm2 mm2 e e mm mm mm e mm mm mm µm e e e e e/h e/h e/h e/h e/h e/h e/h e/h e/h e/kg e/kg e/mm3

XVIII Bezeichnung l BR lGF,BT l RB m M m BT m BT,ZMat MEK MEK Fr MEKGen MG MGK MK mOpt n BJ n BT n BT,BJ p BT PK J POpt Q End QSlt QSpp RFGK RK J r Pr f g SEF SK ta t BL t BS t DE t End ter t Fr

Formelzeichen Beschreibung Länge des Bauraums Länge der Grundfläche des Bauteils Länge des Rohblocks Masse Auslastung einer Maschine für einen Baujob Masse der Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Ausgangsmaterials Masse der Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Zielmaterials Materialeinzelkosten Materialeinzelkosten eines Bauteils bei spanender Fertigung Materialeinzelkosten eines Bauteils bei generativer Herstellung Minimalgewicht Materialgemeinkosten Materialkosten voraussichtliche Masse der optimierten Geometrie bei Verwendung des Zielmaterials Anzahl an Baujobs Stückzahl eines Bauteils Anzahl an Bauteilen pro Baujob Anteil der für die Produktion eines Bauteils eingenommenen Fläche an der Gesamtfläche jährliche Personalkosten Potential einer Bauteiloptimierung Geschwindigkeit der Endbearbeitung von Funktionsflächen Geschwindigkeit der Oberflächenbearbeitung beim Schlichten Volumenabtragrate beim Schruppen Restfertigungsgemeinkosten jährliche Raumkosten Radius zur Ermittlung der zu prüfenden Teilräume Sondereinzelkosten der Fertigung Selbstkosten Ausführungszeit Belichtungszeit Beschichtungszeit Zeit für das Drahterodieren Zeit für die Endbearbeitung Erholungszeit Zeit für die Fräsbearbeitung

Einheit mm mm mm kg kg kg e e e kg e e kg e mm2/min mm2/min mm3/min

e e mm e e min h h h h min h

Formelzeichen Bezeichnung tg tGen th TMJ tn TPJ tr trer trg trv tS tSE tSlt tSpp tStr tv VAL,BJ VAL,BJ,i VAL,BJ,Per VAL,BSR v AR v AR,BL VBJ,Per VBT VBT,i v DE Vi VOpt VRB vSE VSpat vStr VSup VTetr VTetr,i

XIX Beschreibung Grundzeit Generierzeit Hauptzeit jährliche Nutzungszeit Nebenzeit jährliche Netto-Arbeitszeit Rüstzeit Rüsterholungszeit Rüstgrundzeit Rüstverteilzeit Zeit für einen Pulverauftrag Zeit für das Entfernen der Supportstrukturen Zeit für das Schlichten Zeit für das Schruppen Zeit für das Sandstrahlen Verteilzeit Gesamtvolumen der im Baujob enthaltenen Teile, auch als Auslastungsvolumen bezeichnet genutztes Volumen des Baujobs i Summe des genutzten Volumens in Baujobs im Laufe einer Periode durchschnittlich genutztes Volumen des Beschichtungsraums durchschnittliche Gesamtaufbaurate mit Belichtung und Beschichtung durchschnittliche Aufbaurate der Belichtung ohne Beschichtung Summe der Bauräume von Baujobs im Laufe einer Periode Volumen eines Bauteils Volumen des Bauteils i Trenngeschwindigkeit beim Drahterodieren Volumen des Elementes i abgeschätztes Volumen des optimierten Bauteils Volumen des Rohblocks durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit für manuelle Supportentfernung Volumen eines Spats durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit für das Sandstrahlen Volumen der benötigten Supportstrukturen Volumen eines Tetraeders Volumen des aufgespannten Tetraeders der i-ten Dreiecksfacette

Einheit min h min h min h min min min min s min h h min min mm3 mm3 mm3 mm3 cm3/h cm3/h

mm3 mm3 mm3 mm2/min mm3 mm3 mm3 mm2/min mm3 mm2/min

mm3 mm3 mm3

XX Bezeichnung VVK WK J x1 , . . . , x n X Min,Max z DV zer zG zGen,R ZK J zKS ZKS,Per z MGK z RFGK zv zVVK

Formelzeichen Beschreibung Vertriebs- und Verwaltungskosten jährliche Werkzeugkosten X-Koordinaten einer Punktemenge Menge mit Minimum und Maximum der XKoordinaten Zuschlagssatz für die Datenvorbereitung Zuschlagssatz für Erholungszeit Gewinnzuschlagssatz Zuschlagssatz für Rüstkosten bei der Generierung jährliche kalkulatorische Zinsen Zuschlagssatz für die Gemeinkosten einer Kostenstelle Zuschlagsbasis, z. B. kumulierte Einzelkosten einer Kostenstelle im Laufe einer Periode Zuschlagssatz der Materialgemeinkosten Zuschlagssatz für Restfertigungsgemeinkosten Zuschlagssatz für Verteilzeit Zuschlagssatz für Vertriebs- und Verwaltungskosten

Einheit e e e e -

Abkürzungen

XXI

Abkürzungen Bezeichnung 3DP 3MF AABB AM AMF API ASCII BB B-Rep BSF BT CAD CAE CAM CCRC CLI CNC CRM CSG DIN EBM ERP FCRC FDM FEM FMC HIP HTML HTTPS IaaS ISO IT JSF LBM LLM LMD LZN MaaS MAPE

Beschreibung 3D Printing (3D-Drucken) 3D Manufacturing Format Axis-Aligned Bounding Box Additive Manufacturing Additive Manufacturing File Format Application Programming Interface (Programmierschnittstelle) American Standard Code for Information Interchange Bounding Box Boundary Representation Bionic Smart Factory Bauteil Computer-Aided Design Computer-Aided Engineering Computer-Aided Manufacturing Cabin Crew Rest Compartment Common Layer Interface Computerized Numerical Control (Rechnergestützte numerische Steuerung) Customer-Relationship-Management Constructive Solid Geometry Deutsches Institut für Normung Electron Beam Melting (Elektronenstrahlschmelzen) Enterprise-Resource-Planning Flight Crew Rest Compartment Fused Deposition Modeling Finite-Elemente-Methode Fundamental Modeling Concepts Heißisostatisches Pressen Hypertext Markup Language Hypertext Transfer Protocol Secure Infrastructure as a Service International Organization for Standardization (Internationale Organisation für Normung) Informationstechnologie Java Server Faces Laser Beam Melting Layer Laminate Manufacturing Laser Metal Deposition (Laserauftragschweißen) LZN Laser Zentrum Nord GmbH Manufacturing as a Service Mean Absolute Percentage Error (mittlerer absoluter relativer Fehler)

XXII Bezeichnung ME MES MSE MVC ORM PaaS REFA RM RP RT SaaS SIMP SLA SLI SLM SLS SMTP SQL SSL STEP STL UML VDI XML

Abkürzungen Beschreibung Mean Error (mittlerer vorzeichenbehafteter Fehler) Manufacturing Execution System Mean Squared Error (mittlerer quadratischer Fehler) Model-View-Controller Object-Relational Mapping (Objektrelationale Abbildung) Platform as a Service Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebsorganisation und Unternehmensentwicklung Rapid Manufacturing Rapid Prototyping Rapid Tooling Software as a Service Solid Isotropic Material with Penalization Stereolithografie Slice Layer Interface Selective Laser Melting (Selektives Laserstrahlschmelzen) Selective Laser Sintering (Selektives Lasersintern) Simple Mail Transfer Protocol Structured Query Language Secure Sockets Layer Standard for the Exchange of Product Model Data Standard Tessellation Language Unified Modeling Language Verein Deutscher Ingenieure Extensible Markup Language

Abbildungsverzeichnis 1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2

Einordnung der Arbeit in das Konzept der BSF 4.0, in Anlehnung an [57] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundprinzip der additiven Fertigung mittels SLM, in Anlehnung an [150] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anordnung von Bauteilen im Bauraum bei SLS und SLM, schematische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispielhafter Inhalt einer STL-Datei im ASCII-Format . . . . . . . Digitale Prozesskette in der additiven Fertigung einschließlich beispielhaft genutzter Softwareprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalkulationsformen in Abhängigkeit vom Kalkulationszeitpunkt in der Wertschöpfungskette, in Anlehnung an [202] . . . . . . . . . Spannungsfeld der Preisbildung, in Anlehnung an [227] . . . . . . Konventionelle und optimierte Konstruktion eines Sekundärstrukturelements aus dem Flugzeugbau, CAD-Dateien entstammen [137] Ablauf des Optimierungsprozesses nach SIMP-Verfahren, in Anlehnung an [23, 114] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einordnung und Übersicht der Aufgabenstellung . . . . . . . . . . Prozesskette zur Teilefertigung mittels SLM entlang der Unternehmensfunktionen und deren Untergliederung in Subprozesse . . . .

Formular zum Hochladen eines Bauteils im Rahmen der Auftragsannahme über die Cloud-Plattform . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Fehlerhaft aufgebaute Versuchskörper aus TiAl6V4, ausschnittsweise Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Routine zur Größenüberprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Kugel zur Beschreibung des minimal aufbaubaren Raums . . . . . 4.5 Veranschaulichung der Definition zweier gegenüberliegender Dreiecksfacetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Erkennung von Wandungen und Spalten . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Unterscheidung zwischen geraden und gekrümmten Strukturen . 4.8 Erkennung von Zylindern und Bohrlöchern . . . . . . . . . . . . . 4.9 Rekursive Unterteilung des Überprüfungsraums exemplarisch für einen Teilraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Unterteilung des Überprüfungsraums und Auswahl der zu überprüfenden Teilräume für eine Facette, zweidimensionale Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Szenarien zur Evaluierung der Größenüberprüfung . . . . . . . . . 4.12 Laufzeiten der Größenüberprüfung für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 10 12 14 16 21 27 35 36 49 52

4.1

54 55 58 60 63 63 64 65 66

67 69 71

XXIV

Abbildungsverzeichnis

4.13 Durchschnittliche Anzahl an geprüften Punkten pro Rotation für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl . . . . . . . . . 4.14 Anteil des Pre-Processings an der Gesamtlaufzeit für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15 Anzahl der im Worst Case zu prüfenden Punkte pro Rotation für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl . . . . . . . . . 4.16 Testkörper zur Evaluierung der Überprüfung von Bauteilen auf Wanddicken, Spaltmaße, Zylinder- und Bohrlochdurchmesser, CAD-Dateien entstammen [136] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17 Laufzeiten der Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien für die ausgewählten Testkörper mit variierender Facettenanzahl . . . . . 4.18 Erkannte kritische Bereiche in der Prüfung von TiAl6V4 auf Wanddicken, Spaltmaße, Bohrloch- und Zylinderdurchmesser . . . . . . 4.19 Erkannte kritische Bereiche bei restriktiver und weniger restriktiver Konfiguration der Überprüfungsroutine . . . . . . . . . . . . . 4.20 Ergebnisse der Überprüfung eines Strukturbauteils aus dem Flugzeugbau auf Wandstärken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12

5.13

Bestell- und Bauteildetailansicht der Cloud-Plattform . . . . . . . . Abhängigkeit der Stückkosten je Bauteil von der Baujobauslastung, Durchschnittswerte aus [79] . . . . . . . . . . . . . . . . Struktur zur Berechnung der Herstellkosten für die additive Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bounding Box eines Bauteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Volumens eines Geometrieobjekts im STL-Format, in Anlehnung an [240] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschichtungsraum eines Bauteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyse der Aufbauhöhe von Bauteilen in 25 abgeschlossenen Baujobs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyse der niedrigsten und höchsten Aufbauhöhe in 25 abgeschlossenen Baujobs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyse der Auslastung von Bauräumen in Abhängigkeit von der Aufbauhöhe in 25 abgeschlossenen Baujobs . . . . . . . . . . . . . . Analyse der Bearbeitungsgeschwindigkeit für manuelle Supportentfernung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umstellung der manuellen Angebotskalkulation auf ein webbasiertes Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation unter Nutzung des durchschnittlichen Gesamtauslastungsfaktors als 1. Kalkulationsvariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation unter Nutzung des Vorhersagemodells für die differenzierte, bauteilabhängige Kapazitätsauslastung als 2. Kalkulationsvariante

72 73 74

76 77 79 79 79 82 83 86 91 92 100 103 103 104 108 112

115

115

Abbildungsverzeichnis

XXV

5.14 Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation unter Nutzung des Vorhersagemodells für die Aufbauhöhe als 3. Kalkulationsvariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.15 Ergebnisansicht der implementierten Angebotsberechnung . . . . 117 5.16 Konzept einer selbstlernenden Kalkulation für die additive Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.1 6.2 6.3 6.4

Benutzerschnittstelle der webbasierten FEM . . . . . . . . . . . . . Ablauf und Architektur der webbasierten FEM . . . . . . . . . . . . Bauteil nach der Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauteil mit eingebrachten Lasten (rot) und Lagerbedingungen (blau) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Ergebnisansicht der FEM-Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Lauf- und Bearbeitungszeit der webbasierten FEM zur Potentialbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Vergleich der realen und vorhergesagten Gewichtsreduktion auf Basis der konventionellen Bauteilgeometrie . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Spannungsverlauf beim FCRC-Bracket als Ergebnis der FEMBerechnung ohne (a) und mit einer Filterspannung von 20 MPa (b) und 60 MPa (c) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Verhalten von Auslastungsfaktor und Bearbeitungszeit in Abhängigkeit von der Anzahl an Elementen . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Ergebnisse der FEM-Berechnung für den Bauraum des FCRCBrackets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 Vergleich des realen und vorhergesagten Bauteilgewichts auf Basis des Bauraums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

121 122 123

7.1 7.2 7.3

138 140

7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.1 8.2

Vorgehensmodell zur Bauteilsichtung und -selektion . . . . . . . . Benutzereingabe der Vergleichskalkulation . . . . . . . . . . . . . . Ausrichtung der Bounding Box von Bauteilen entlang der Aufbaurichtung oder Z-Achse bei 54 gefertigten Bauteilen . . . . . . . . . Struktur zur Berechnung der Herstellkosten für die Zerspanung . Struktur zur Berechnung der Herstellkosten für den Guss . . . . . Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation für die Fräszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation für die Kosten des Gussvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisansicht der Vergleichskalkulation am Beispiel der Zerspanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Graphische Darstellung des Kostenvergleichs der Fertigungsverfahren für verschiedene Stückzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

124 125 131 132

133 134 136 136

142 146 149 151 152 153 153

Konzept und Ablauf einer cloudbasierten Potentialerschließung . . 156 Kommunikation zwischen Plattform, Kunde und Fertigungsdienstleister, schematische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 158

XXVI 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

Abbildungsverzeichnis Architektur des entwickelten Gesamtsystems einschließlich verwendeter Technologien, Darstellung als FMC-Blockdiagramm . . . Aufbau des Front-Ends, Darstellung als UML-Paketdiagramm . . . Ablauf und Methodenaufrufe beim Hochladen eines Bauteils, Darstellung als UML-Sequenzdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang der Datenstrukturen in der Kalkulation, Darstellung als UML-Klassendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verknüpfung der Klassen Kunde, Nutzer und Rolle, Darstellung als UML-Klassendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang der Datenstrukturen in der Datenschicht, Darstellung als UML-Klassendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

159 161 163 164 165 166

Tabellenverzeichnis 2.1 4.1

Schema einer differenzierenden Zuschlagskalkulation, in Anlehnung an [172, 202] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

Übersicht der ausgewählten Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien zur automatisierten Überprüfung, schematische Darstellungen aus [112] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzwerte der Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien für PA12 und TiAl6V4, Werte entnommen aus [112, 225] . . .

56

5.1

Übersicht der Kalkulationsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

6.1

Bauteilauswahl zur Evaluierung der Potentialbewertung, CADDateien entstammen [137, 197] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.2

57

1 Einleitung Der Markt für metallverarbeitende additive Fertigungssysteme konnte in den letzten Jahren zweistellige Wachstumsraten von 30 bis 40 % erzielen [230]. Allerdings liegt die Größe dieses Marktes im Vergleich zum Gesamtmarkt für Werkzeugmaschinen erst bei ca. 1 % [121]. Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren in der Serienfertigung erfolgt bisher nur für wenige ausgewählte Bauteile, wie beispielsweise Endoprothesen in der Medizintechnik, Sekundärstrukturelemente im Flugzeugbau oder Brennstoffdüsen in der Triebwerksfertigung [13,73,96,230]. Dies verdeutlicht insbesondere angesichts der zunehmenden Trends der Individualisierung und Optimierung von Produkten sowie den immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen das große noch offene Marktpotential für additive Fertigungsverfahren und zeigt, dass zahlreiche Potentiale in der Anwendung noch nicht erschlossen sind [154]. Eine große Herausforderung in der Implementierung additiver Fertigungsverfahren ist insbesondere die Sichtung und Selektion geeigneter Bauteile, für welche sich eine Herstellung mittels additiver Verfahren unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten eignet. Die Anwendung bestehender Kalkulationsund Bewertungsmethoden ist mit hohem Aufwand verbunden und erfordert darüber hinaus häufig Expertenwissen im Bereich der additiven Fertigung sowie fertigungsgerechten Konstruktion und Bauteiloptimierung [126]. Da die Bewertungsergebnisse über eine Beauftragung oder sogar Technologieeinführung entscheiden können, ist eine möglichst genaue Berechnung erforderlich. Um eine anschließende Weiterverwendung, z. B. zur Preisargumentation oder Detailanalyse, zu gewährleisten, ist es notwendig, dass die Kalkulations- und Bewertungsergebnisse für den Benutzer nachvollziehbar sind. Insbesondere bei der Ermittlung von Optimierungspotentialen der Konstruktion ist dies eine Herausforderung, da die finale Bauteilgeometrie zum Zeitpunkt der Potentialbewertung nicht bekannt ist. Es besteht somit Bedarf, Bauteile möglichst aufwandsarm, aber dennoch genau und transparent zu analysieren, kalkulieren und bewerten.

1.1 Cloudbasierte Systeme und Industrie 4.0 Durch die nahezu direkte Herstellung von Bauteilen aus deren Konstruktionsdaten repräsentieren additive Fertigungsverfahren die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) wie kaum eine andere Produktionstechnologie [108]. CloudComputing ist eine zentrale Technologie der Industrie 4.0 [21]. Es beschreibt den flexiblen Zugriff auf gemeinsam genutzte Rechenressourcen, wie Hardware, Entwicklungsplattformen, Software und Services, über ein Netzwerk [151, 217]. Somit stellt es die Basis für ein Internet der Dinge und Dienste (engl. Inter© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_1

2

1 Einleitung

net of Things and Services) in einer intelligenten und vernetzten Produktion [33,90,162]. Plattformbasierte Geschäftsmodelle, welche Marktakteure miteinander vernetzen sowie Leistungserstellung und -austausch koordinieren, werden eine entscheidende Rolle in einem durch Industrie 4.0 geprägten Wettbewerb einnehmen [171]. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine cloudbasierte Plattform entwickelt. Diese ist im Kern eine Softwareapplikation, welche mehrere digitale Dienste in einer webbasierten Anwendung integriert und miteinander verknüpft. Eine webbasierte Anwendung ist nach Mühl „eine Anwendung, mit welcher der Benutzer über einen Webbrowser interagiert“ [157]. Die Applikation wird auf Webservern betrieben. Auf die Nutzer- und Systemschnittstellen kann flexibel über das Internet zugegriffen werden.

1.2 Bionic Smart Factory 4.0 Ein turbulentes Umfeld mit steigender Nachfrage nach innovativen, individualisierten Produkten mit immer kürzeren Lebenszyklen stellt stets neue Herausforderungen an Produktionssysteme [104, 164, 223]. Der Begriff Smart Factory bezeichnet Fabrikstrukturen, welche durch informationstechnische Vernetzung eine weitestgehend selbst organisierte Fertigung ermöglichen [69, 131]. Die Kombination des Ansatzes einer Smart Factory mit additiven Fertigungstechnologien, welche durch den der Natur nachempfundenen bionischen Wachstumsprozess der additiven Geometrieerzeugung sowie die Anfertigung von Konstruktionen nach Prinzipien der Bionik die Herstellung optimierter Produktgeometrien ermöglichen, führt zur Bionic Smart Factory (BSF) 4.0. Diese beschreibt das Konzept einer zukunftsgerechten Fabrikarchitektur zur Fertigung von Produktionsprogrammen, welche sich durch hohe geometrische Produktkomplexität, Variantenvielfalt und kurze Durchlaufzeiten auszeichnen, unter Verwendung von Industrie 4.0-Technologien [57]. Die in dieser Arbeit entwickelte Softwareplattform ist Bestandteil der BSF 4.0. Abbildung 1.1 zeigt das Konzept der BSF 4.0. Dieses gliedert sich in Datensystem und Fertigungssystem. Das Datensystem ist cloudbasiert und erlaubt somit einen dezentralen und ortsunabhängigen Zugriff. Das Fertigungssystem umfasst Einund Ausgangslogistik sowie die mechanischen Fertigungsschritte. Diese können sich auf verschiedene Fertigungsstätten global verteilen. Das Datensystem lässt sich in die Module Kundenschnittstelle, Kalkulation, Konstruktion, Datenvorbereitung und Auftragsabwicklung gliedern. Die digitalisierte Kundenschnittstelle dient der Integration des Kunden über den Webbrowser [188]. Über diese können Fertigungsaufträge direkt entgegengenommen werden. Die Kalkulation umfasst sowohl die Angebotskalkulation als auch die Möglichkeit der Potentialbewertung. Die Konstruktion beinhaltet die Neugestaltung von Bauteilen, für welche in der Potentialbewertung hohe Optimierungspotentiale ermittelt wurden. Dabei können auch bionische Konstruktionsprinzipien Anwendung finden. In der

1.3 Forschungsbeitrag der Arbeit

3

Fertigungssystem (multipel, dezentral) Lieferant Datensystem (singulär, dezentral)

Kundenschnittstelle

Kalkulation und Potentialbewertung

Bionische Konstruktion und Optimierung

Eingangslogistik Datenvorbereitung Fertigungsvorbereitung

Additive Fertigung

Nachbearbeitung

Ausgangslogistik

Auftragsabwicklung

Abbildung 1.1: Einordnung der Arbeit in das Konzept der BSF 4.0, in Anlehnung an [57]

Datenvorbereitung werden die Konstruktionsdaten für die Fertigung aufbereitet. Die Auftragsabwicklung umfasst die Produktionsplanung und -steuerung und begleitet die Fertigung eines Auftrags. Die vorliegende Arbeit widmet sich im Kontext der BSF 4.0 vor allem der Entwicklung der Kundenschnittstelle, Kalkulation und Potentialbewertung sowie deren Anbindung an die Auftragsabwicklung. Diese sind in Abbildung 1.1 blau hinterlegt. Der ortsunabhängige Zugriff auf die Kundenschnittstelle ermöglicht eine globale Absatzverteilung. Sowohl die direkte Kundenanbindung als auch eine automatisierte Angebotskalkulation führen zur Vermeidung von Liegezeiten und manuellen Tätigkeiten, wodurch Durchlaufzeiten verkürzt werden. Die Bewertung von Optimierungspotentialen der Konstruktion ist manuell sehr aufwändig, vor allem bei komplexen Bauteilgeometrien, welche durch die hohen geometrischen Freiheitsgrade in der additiven Herstellung möglich sind. Eine Automatisierung weist dort ein hohes Leistungsvermögen auf. Darüber hinaus können Produktvarianten ohne größeren Zusatzaufwand schnell kalkuliert werden.

1.3 Forschungsbeitrag der Arbeit Das Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung einer Methodik zur effizienten, effektiven und transparenten Bewertung von Potentialen in der additiven Fertigung und deren Erschließung über eine digitale Kundenschnittstelle mit Unterstützung der Auftragsabwicklung. Die Anforderungen Effizienz, Effektivität und Transparenz leiten sich ab aus dem Bedarf, Bauteile möglichst aufwands-

4

1 Einleitung

arm, genau und nachvollziehbar zu kalkulieren und bewerten. Die genannten Ziele sollen vor allem durch Automatisierung sowie die Einbindung des Kunden über eine webbasierte Benutzerschnittstelle erreicht werden. Aufbauend auf dem Stand der Technik und Wissenschaft leiten sich Forschungsbedarf und Aufgabenstellung ab. Darauf basierend wird das theoretische Modell der Methodik erarbeitet. Die prototypische Implementierung erfolgt im Rahmen der Entwicklung einer cloudbasierten Plattform in einer Kooperation zwischen dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der Technischen Universität Hamburg, der LZN Laser Zentrum Nord GmbH (LZN)/Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT und der Bionic Production AG. Die Evaluation der Algorithmen erfolgt auf Basis des umgesetzten Prototyps. Die Arbeit fokussiert sich auf die pulverbettbasierte additive Fertigungstechnologie Selective Laser Melting (Selektives Laserstrahlschmelzen) (SLM). Es werden Bezüge zur verwandten Fertigungstechnologie Selective Laser Sintering (Selektives Lasersintern) (SLS) hergestellt. Die Methodik zur Potentialerschließung setzt sich aus vier Hauptelementen zusammen: • Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien: Trotz der hohen geometrischen Freiheitsgrade, welche die additive Fertigung ermöglicht, müssen bestimmte Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien für eine fehlerfreie und stabile Produktion eingehalten werden. In dieser Arbeit wird eine automatisierte Überprüfung von Bauteilen auf diese Restriktionen basierend auf Standard Tessellation Language (STL)Daten entwickelt. Diese ist sowohl Bestandteil der Bauteilsichtung und -selektion als auch der Auftragsannahme. • Angebots- und Vorkalkulation: In dieser Arbeit wird eine automatisierte Angebotskalkulation für additiv zu fertigende Bauteile vorgestellt. Diese ermöglicht eine Vorkalkulation zu einem Zeitpunkt, zu welchem noch keine Kenntnisse über die exakte Aufbauhöhe und Zusammenstellung des Baujobs vorhanden sind, und eignet sich daher insbesondere für eine OnlineKalkulation im Rahmen einer Webapplikation. Sie umfasst alle zur Auftragserfüllung notwendigen Unternehmensfunktionen entlang der Prozesskette. Die Kalkulation wird sowohl in der Auftragsabwicklung als auch in der Bauteilsichtung und -selektion genutzt und ist somit ein zentrales Element der Potentialerschließung. • Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen: Additive Herstellverfahren ermöglichen die Fertigung von Bauteilen mit komplexen Geometrien. Die Bewertung von Potentialen, welche sich durch eine Bauteiloptimierung ergeben, ist somit ein wichtiger Schritt in der Identifizierung von Potentialen in der additiven Fertigung. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Potenti-

1.4 Struktur der Arbeit

5

albewertung entwickelt, welches sich auf eine webbasierte Finite-ElementeMethode (FEM) stützt. • Bauteilsichtung und -selektion: Die vorgenannten Entwicklungen werden in einem umfassenden Vorgehensmodell zur Bauteilsichtung und -selektion zusammengeführt. Im Spannungsfeld zwischen Qualität, Kosten und Zeit sind für den Einkauf als Unternehmensfunktion insbesondere die Kosten das bestimmende Kriterium für Beschaffungsentscheidungen [32, 84]. Daher ist eine automatisierte Vergleichskalkulation der Herstellkosten von additiver Fertigung mit den Konkurrenzverfahren Zerspanung und Guss Bestandteil der Methodik. Im Rahmen der Arbeit entstanden mehrere Vorveröffentlichungen [57,58,182,183, 184, 185, 186, 187, 188, 189].

1.4 Struktur der Arbeit Nach einer Einführung in die Thematik erläutert Kapitel 2 den für die Arbeit relevanten Stand der Technik und Wissenschaft. Kapitel 3 stellt den sich daraus ableitenden Forschungsbedarf sowie die Zielsetzung, Vorgehensweise und Einordnung der Arbeit vor. Kapitel 4 beschreibt Ansätze zur automatisierten Überprüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien. Kapitel 5 erklärt die integrierte Angebots- und Vorkalkulation für additiv herzustellende Bauteile. Kapitel 6 stellt die sich auf eine webbasierte FEM stützende Methodik zur Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen dar. Kapitel 7 stellt das Vorgehensmodell zur Sichtung und Selektion von Bauteilen mit Hilfe eines Kostenvergleichs zu den konkurrierenden Fertigungsverfahren Zerspanung und Guss vor. Kapitel 8 beschreibt die Architektur und Implementierung des prototypisch entwickelten Gesamtsystems. Kapitel 9 gibt eine abschließende Zusammenfassung und einen Ausblick auf zukünftige Forschungsthemen.

2 Stand der Wissenschaft und Technik Die Arbeit erweitert den gegenwärtigen Stand von Wissenschaft und Technik. Dieser untergliedert sich in eine Betrachtung additiver Fertigungsverfahren, Datenvorbereitung und digitale Prozesskette, Angebots- und Vorkalkulation, Bauteiloptimierung sowie Potentialbewertung.

2.1 Additive Fertigungsverfahren Zunächst werden in diesem Kapitel die Grundlagen additiver Fertigungsverfahren vorstellt. Im Fokus der vorliegenden Arbeit liegt dabei das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) aufgrund seiner industriellen Relevanz in der generativen Herstellung metallischer Bauteile. Da die Arbeit teilweise Bezüge zu dem ebenfalls pulverbettbasierten selektiven Lasersintern (SLS) ermöglicht und herstellt, wird dieses ebenfalls detaillierter dargestellt. Anschließend wird auf mögliche Nachbearbeitungsverfahren additiv hergestellter Bauteile eingegangen.

2.1.1 Grundlagen und Begriffe Additive oder auch generative Fertigung umfasst die Anwendung additiver Fertigungsverfahren, bei welchen ein Werkstück element- oder schichtweise aufgebaut wird [221]. Die Verwendung der englischen Bezeichnung Additive Manufacturing (AM) ist ebenfalls gebräuchlich. Grundsätzlich lassen sich additive Fertigungsverfahren nach DIN 8580 der Hauptgruppe Urformen zuordnen [1, 74]. Abhängig vom Einsatz- bzw. Anwendungszweck kann zwischen Rapid Prototyping (RP) und Rapid Manufacturing (RM) unterschieden werden [74]. RP umfasst die Herstellung von Prototypen und Modellen. RM beschreibt die Fertigung von Endprodukten. Rapid Tooling (RT) bezeichnet den generativen Werkzeugbau zur Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugteilen, beispielsweise zum Spritz- oder Druckguss [109]. Da es bauteilabhängig sowohl die Herstellung von Werkzeugprototypen als auch Werkzeugendprodukten umfasst, stellt es eine Querschnittsmenge zwischen dem RM und dem RP dar [74]. In den Medien hat sich mittlerweile der Begriff des 3D-Druckens als Bezeichnung für die Gesamtheit der additiven Fertigungsverfahren etabliert. Dieser sollte nicht mit dem gleichnamigen Pulver-Binder-Verfahren verwechselt werden. Additive Fertigungsverfahren zeichnen sich durch einige allgemeine Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren aus. Die direkte Computer-Aided Design (CAD)-Integration ermöglicht kürzere Produktentwicklungszyklen [76]. Das © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_2

8

2 Stand der Wissenschaft und Technik

STL-Format bietet eine einheitliche Maschinenschnittstelle [74]. Die hohe geometrische Gestaltungsfreiheit ermöglicht die Fertigung komplexer, optimierter Bauteile [55]. Durch Funktionsintegration und Integralbauweise lassen sich aufwändige, mehrstufige Fertigungsprozessketten vermeiden oder die Anzahl an Prozessschritten reduzieren [76]. Additive Fertigungsverfahren arbeiten werkzeuglos [74]. Verfahrensabhängig kann das ungenutzte Ausgangsmaterial ganz oder teilweise unmittelbar wiederverwendet werden [205]. Aktuelle Nachteile bzw. Herausforderungen additiver Fertigungsverfahren sind vor allem die verfahrensabhängig geringen Aufbauraten und die damit verbundenen hohen Kosten in der Herstellung [194]. Funktionsoberflächen müssen üblicherweise nachbearbeitet werden [197]. Die Bandbreite an Werkstoffen, welche sich mit konventionellen Verfahren verarbeiten lassen, ist in der additiven Fertigung noch nicht erreicht [74]. Zahlreiche additive Verfahren erfordern Stützkonstruktionen beim Aufbau der Bauteile. Diese Hilfsgeometrien stellen die mechanische Anbindung bestimmter Bauteilbereiche sicher, z. B. bei Überhängen des Bauteils [221]. In dieser Arbeit wird der für Stützkonstruktionen geläufige und aus dem Englischen kommende Begriff Supports oder Supportstrukturen verwendet.

2.1.2 Verfahrensübersicht In den vergangenen 30 Jahren wurden zahlreiche additive Fertigungsverfahren entwickelt und in den industriellen Einsatz gebracht. Führende Technologien sind unter anderem [74, 109]: • Stereolithografie (SLA): SLA wurde in den 1980er Jahren als erstes schichtadditives Fertigungsverfahren entwickelt [79]. Dabei wird ein flüssiges Photopolymer durch lokale Einbringung von ultravioletter Strahlung schichtweise ausgehärtet. Auf diese Weise wird ein zusammenhängendes Bauteil aufgebaut. • 3D Printing (3D-Drucken) (3DP): Im 3DP wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial über einen selektiv eingespritzten Binder schichtweise verklebt. Durch das Einbringen des Binders über einen Druckkopf hat das Verfahren Ähnlichkeit zum konventionellen Tintenstrahldrucken auf Papier und ist auch unter dem Namen Binder Jetting bekannt. • Layer Laminate Manufacturing (LLM): Beim LLM werden Bauteile aus Folien und Laminaten aufgebaut. Die einzelnen Schichtgeometrien werden über trennende Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Laserstrahlschneiden, hergestellt. Anschließend werden die Schichten über entsprechende Fügeverfahren, z. B. Schweißen, miteinander verbunden.

2.1 Additive Fertigungsverfahren

9

• Fused Deposition Modeling (FDM): Bei diesem Verfahren werden Bauteile durch Extrusion schichtweise aufgebaut. Eine Düse trägt dazu das durch Erwärmung verflüssigte Material, welches ein drahtförmiger Kunststoff oder Wachs sein kann, selektiv im Arbeitsraum auf. Dieses kühlt anschließend ab und verfestigt sich. • Selective Laser Sintering (Selektives Lasersintern) (SLS): Beim SLS werden Bauteile schichtweise im Pulverbett durch selektive Belichtung mittels Laserstrahlung und lokale Verfestigung beim Abkühlen aufgebaut. Die thermoplastischen Pulverpartikel verbinden sich durch partielle Schmelzvorgänge. Verfahrensvarianten, welche auf der Verwendung von mehrkomponentigen Pulvern basieren, nutzen einen thermoplastischen Binder oder eine niedrig schmelzende Materialkomponente zur Verbindung der Pulverpartikel. Zur additiven Herstellung metallischer Bauteile haben zurzeit vor allem drei Verfahren industrielle Relevanz [74, 91, 109]: • Selective Laser Melting (Selektives Laserstrahlschmelzen) (SLM): Das Verfahren arbeitet wie SLS durch selektives Belichten des schichtweise aufgetragenen pulverförmigen Ausgangswerkstoffs mit Laserstrahlung. Allerdings wird grundsätzlich mit flüssigen Phasen gearbeitet [109]. Das Pulver wird bei Belichtung mit dem Laserstrahl lokal vollständig aufgeschmolzen. SLM wird vor allem zur Verarbeitung einkomponentiger metallischer Werkstoffe eingesetzt [150]. Der Prozess findet unter Schutzgasatmosphäre statt. Supportstrukturen sind zur Wärmeabfuhr notwendig und fixieren das aufzubauende Bauteil im Pulverbett. SLM ist auch bekannt unter den Namen Laser Beam Melting (LBM), Direct Metal Laser Sintering, LaserCUSING und Laser Metal Fusion [91]. • Electron Beam Melting (Elektronenstrahlschmelzen) (EBM): Das Verfahren ähnelt SLM. Allerdings wird zum Aufschmelzen des Pulvers ein Elektronenstrahl verwendet und das Verfahren arbeitet im Vakuum. Zudem wird über eine defokussierte Bestrahlung des Pulverbetts durch den Elektronenstrahl das aufgetragene Pulver vor dem eigentlichen Schmelzvorgang vorgeheizt. Dies führt zur Bildung von Sinterhälsen zwischen den Pulverpartikeln [133]. • Laser Metal Deposition (Laserauftragschweißen) (LMD): Bei LMD wird ein Bauteil durch Schmelzen der Oberfläche und gleichzeitigem Auftragen von Material aufgebaut. Das aufzutragende Material wird über Pulverdüsen oder Drahtzufuhr der Bearbeitungszone des Lasers zugeführt. Hybride Anwendungen kombinieren in der Fertigung von Bauteilen additive und konventionelle Fertigungsverfahren. Beispiele sind die Kombination von

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

spanender und additiver Fertigung in einer Maschine oder das Fügen von additiv und konventionell hergestellten Komponenten insbesondere zur Fertigung von Großstrukturen [56, 152]. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf dem laseradditiven Verfahren SLM zur Fertigung von Metallteilen. Teilweise werden Bezüge zu SLS zur Verarbeitung von Kunststoffen hergestellt.

2.1.3 Selektives Laserstrahlschmelzen Im selektiven Laserstrahlschmelzen lassen sich mittlerweile zahlreiche metallische Werkstoffe verarbeiten und Bauteile mit einer relativen Dichte von über 99,5 % herstellen [91, 150, 197]. Zu den verarbeitbaren Werkstoffen gehören unter anderem Aluminium- und Titanlegierungen sowie diverse Stähle. Die mechanischen Eigenschaften der generierten Bauteile sind bei statischer Belastung mit denen von konventionell hergestellten Bauteilen vergleichbar [91,233]. Durch zusätzliche Nachbehandlung von Bauteilen können deren Eigenschaften, wie beispielsweise die Dauerfestigkeit und damit das Materialverhalten bei dynamischer Belastung, darüber hinaus verbessert werden (siehe dazu auch Kapitel 2.1.5). Die Prozesskette lässt sich in vorbereitende Arbeiten, den Generierprozess und nachgelagerte Prozesse gliedern [155]. Abbildung 2.1 veranschaulicht die prinzipiellen Prozessschritte des SLM-Verfahrens. Slicen

Absenken

Ausrichten und Supports setzen

CADKonstruktion

Beschichten 3 Belichten

4 1

2 Bauteil entnehmen

Trennen und Supports entfernen

1

Nachbearbeitung

5

1 2 3 4 5

Bauteil Supportstrukturen Laserscanner Beschichtungssystem Bauplattform

Abbildung 2.1: Grundprinzip der additiven Fertigung mittels SLM, in Anlehnung an [150]

2.1 Additive Fertigungsverfahren

11

Ausgehend von einem CAD-Modell des Bauteils wird in der Datenvorbereitung ein Baujob zusammengestellt. Ein Baujob bezeichnet einen durch die Generieranlage zu verarbeitenden Fertigungsauftrag. In einem Baujob können mehrere Bauteile simultan gefertigt werden. In der Datenvorbereitung wird die Ausrichtung und Platzierung der Teile im Bauraum festgelegt und Supportstrukturen gesetzt. Supportstrukturen fixieren das Bauteil an der Bauplattform, auch Substratplatte genannt. Sie erfüllen eine Stützfunktion, welche ein Absinken oder Verschieben im Pulverbett verhindern soll [215]. Darüber hinaus dienen Supportstrukturen der Wärmeabfuhr und als Zuganker, um Verzüge zu verhindern, die durch thermisch induzierte Eigenspannungen hervorgerufen werden [91, 215]. Anschließend erfolgt das Slicen, welches das dreidimensionale Modell in zweidimensionale Schichtdaten zerlegt [150]. Bevor der eigentliche Generierprozess beginnt, kann die Bauplattform auf mehrere hundert Grad Celsius vorgewärmt werden [91, 109]. Durch Vorwärmung lassen sich thermisch bedingte Verzüge reduzieren und durch wirkende Spannungen hervorgerufene Risse im Bauteil verhindern [31, 159]. Der Prozess findet unter Schutzgas statt, häufig Argon und im Gasstrom, mit welchem die Baukammer vor Prozessbeginn geflutet wird. Die Generierung ist ein iterativer Prozess, der sich aus drei wiederholenden Prozessschritten zusammensetzt: Absenken der Bauplattform, Beschichten und Belichten. Dem Absenken der Bauplattform um den Betrag einer Schichtdicke folgt das Beschichten, bei welchem über ein Nivelliersystem eine neue Pulverschicht aufgetragen wird. Diese wird in der anschließenden Belichtung mittels Laserstrahlung selektiv aufgeschmolzen. Die Belichtung des Pulverbetts erfolgt über einen Laserscanner anhand von festgelegten Scanvektoren in X-Y-Ebene der jeweiligen Schicht. Die Scanvektoren richten sich nach den geometrischen Schichtinformationen der Bauteile [150]. Die aufgeschmolzenen Pulverpartikel verbinden sich miteinander und mit der darunterliegenden Schicht. Nach Erstarrung bildet sich eine feste, zusammenhängende Struktur. Für die Verarbeitung von metallischen Werkstoffen kommen üblicherweise Festkörperlaser, vor allem Faserlaser mit 100 bis 1.000 Watt Laserleistung, zum Einsatz [74]. Das nichtaufgeschmolzene Pulver kann nach einer Wiederaufbereitung, z. B. durch Sieben, in nachfolgenden Baujobs wiederverwendet werden [205]. Nach Fertigstellung des Baujobs wird die Bauplattform entnommen. Die aufgebauten Bauteile werden anschließend, häufig mittels Drahterodieren, von der Bauplattform getrennt und die Supportstrukturen entfernt. In nachgelagerten Prozessschritten ist die Anwendung einer Vielzahl von Fertigungsverfahren zur Nachbearbeitung möglich. Auf eine Auswahl üblicherweise eingesetzter Nachbearbeitungsverfahren wird in Kapitel 2.1.5 eingegangen. Eine Darstellung der Gesamtprozesskette vom Vertrieb bis zur Auslieferung der Teile, welche als Grundlage für diese Arbeit dient, ist in Kapitel 3.3 zu finden.

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.1.4 Selektives Lasersintern Das selektive Lasersintern von Kunststoffen ähnelt sowohl vom grundsätzlichen Ablauf des Verfahrens als auch von der Prozesskette mit Datenvorbereitung und Nachbearbeitung dem selektiven Laserstrahlschmelzen. Bei SLS wird der Bauraum in einer Aufheizphase vorgeheizt. Zusätzlich wird das Pulverbett nach jedem Schichtauftrag mit einem Heizstrahler auf Prozesstemperatur erwärmt [195]. Ein CO2 -Laser schmilzt das Material nach Schichtauftrag selektiv auf. Die Differenz zwischen Schmelztemperatur und Umgebungstemperatur ist dabei wesentlich geringer als bei SLM, sodass auch geringere Laserleistungen im Bereich 30 bis 70 Watt zum Einsatz kommen [29]. Durch die geringeren Temperaturgradienten und die stabilisierende Wirkung des umgebenden Pulverbetts werden bei SLS keine Supportstrukturen benötigt [29]. Somit können Bauteile beliebig übereinander angeordnet werden, ohne dass Supportstrukturen in unterliegende Bauteile laufen (siehe Abbildung 2.2). Nach Prozessende muss der Bauraum zunächst abkühlen, bevor die Teile ausgepackt werden können [196]. Die Abkühlphase kann bis zu zehn Stunden dauern [135]. Die anschließende Nachbearbeitung besteht häufig aus einer Oberflächenbehandlung, wie Sandstrahlen, um zurückgebliebene Pulverreste von den Bauteilen zu entfernen. Im Gegensatz zu SLM kann das Pulver durch mechanische und thermische Belastung im Prozess nicht vollständig wiederverwendet werden [196]. Es wird daher mit Pulvermischungen gearbeitet, welche sich aus maximal 50 bis 70 % Alt- oder Gebrauchtpulver, das aus vorherigen Durchläufen übrig geblieben ist, und mindestens 30 bis 50 % Neupulver zusammensetzen [196]. SLS

SLM 1 Bauraum

1

2 Bauteil 1

3 Bauplattform 4 Supportstrukturen

2

2 3

4

Abbildung 2.2: Anordnung von Bauteilen im Bauraum bei SLS und SLM, schematische Darstellung

2.2 Datenvorbereitung und digitale Prozesskette

13

2.1.5 Nachbearbeitung Die Nachbearbeitung von generativ hergestellten Bauteilen dient vor allem der Erfüllung von qualitätsrelevanten Anforderungen und der Verbesserung der Bauteileigenschaften. Grundsätzlich kann zur Nachbearbeitung mit Ausnahme des Urformens, welches bereits durch die Generierung erfolgt, das breite Spektrum an Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen [57]. Diese sind nach DIN 8580 Fertigungsverfahren der Hauptgruppen: Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Ändern der Stoffeigenschaften [155, 220]. Wärmebehandlungen werden häufig durchgeführt, solange die Bauteile noch an der Bauplattform über Supportstrukturen fixiert sind. So wird Spannungsarmglühen eingesetzt, um durch den SLM-Prozess in das Bauteil eingebrachte Eigenspannungen abzubauen und damit später eintretende Verzüge des Bauteils zu verhindern [97, 220]. Heißisostatisches Pressen (HIP) schließt Poren im Bauteil und erhöht somit dessen relative Dichte [234]. Bauteile, welche den HIP-Prozess durchlaufen haben, weisen signifikant höhere Dauerfestigkeitseigenschaften auf [234]. Durch abrasives und verdichtendes Strahlen mittels Sand- und Kugelstrahlen lässt sich sowohl die Oberflächenrauheit als auch die Dauerfestigkeit erhöhen [232]. In der Oberflächenbehandlung komplexer Geometrien mit schwer zugänglichen Bereichen finden elektrochemische Bearbeitungsverfahren Anwendung [20]. Spanende Fertigungsverfahren, wie Bohren, Drehen und Fräsen, werden insbesondere zur Bearbeitung von Funktionsflächen, welche eine hohe Oberflächengüte und Genauigkeit erfordern, eingesetzt [197].

2.2 Datenvorbereitung und digitale Prozesskette Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz einer cloudbasierten Plattform erweitert die Prozesskette der additiven Fertigung um eine webbasierte Kunden- und Nutzerschnittstelle. Nachfolgend werden die dafür relevanten Aspekte der Datenvorbereitung und digitalen Prozesskette erläutert sowie bestehende Softwarelösungen im Kontext additiver Fertigung vorgestellt.

2.2.1 Geometriedatenformate Die Geometrie eines Bauteils ist einer der wesentlichen Faktoren für die Kostenkalkulation und Potentialbewertung. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

Algorithmen nutzen daher die Bauteilgeometrie für weiterführende Berechnungen. Für die Verarbeitung fundamental ist das Format, in welchem die Daten vorliegen. In der additiven Fertigung hat sich vor allem das STL-Format als bestimmendes Geometriedatenformat durchgesetzt.

2.2.1.1 Standard Tessellation Language Die Standard Tessellation Language oder Standard Triangulation Language (STL) ist ein Geometriedatenformat, welches einen Körper anhand seiner triangulierten Oberfläche beschreibt [101, 140]. Als einheitliche Schnittstelle zu Maschinen und Anwendungsprogrammen hat es sich als de facto Industriestandard in der additiven Fertigung etabliert [41, 74]. Das Format gibt es in Binär- und American Standard Code for Information Interchange (ASCII)-Codierung [74]. Abbildung 2.3 zeigt beispielhaft den Inhalt einer STL-Datei für eine Dreiecksfacette. Ein Körper setzt sich aus einer Menge von Dreiecksfacetten zusammen. Für jede Dreiecksfacette werden die drei Eckpunkte mit X-, Y- und Z-Koordinate und der Normalenvektor gespeichert [101]. Der Normalenvektor zeigt dabei stets nach außen und somit vom beschriebenen Objekt weg.

Abbildung 2.3: Beispielhafter Inhalt einer STL-Datei im ASCII-Format

Das STL-Format, welches die Grundlage bestehender Datenvorbereitungssoftware bildet, zeichnet sich durch einige Vorteile aus. Diese sind unter anderem ein relativ einfacher Aufbau, viele frei verfügbare Programme und Bibliotheken sowie Exportoptionen in nahezu jedem CAD-Programm [187]. Nachteile sind redundante Informationen, welche zu einem vergleichsweise hohen Speicherbedarf führen, Annäherungsprobleme durch die vorgenommene Triangulation, keine Möglichkeit der Speicherung parametrischer Modelle oder zusätzlicher Informationen, wie beispielsweise Featuredefinitionen [41, 101, 187].

2.2 Datenvorbereitung und digitale Prozesskette

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2.2.1.2 Weitere Datenformate Die beschriebenen Nachteile des STL-Formats führten zur Entwicklung weiterer Datenformate für additive Fertigungsverfahren [102]. Beispielhaft sei an dieser Stelle das Additive Manufacturing File Format (AMF) genannt. AMF ist eine Extensible Markup Language (XML)-basierte Weiterentwicklung des STL-Formats. Es ist ein nach ISO standardisiertes Format [4]. Körper werden nach wie vor durch Dreiecksfacetten beschrieben. Allerdings ermöglicht AMF das Einbringen von zusätzlichen Informationen, z. B. Material, Farb- und Texturinformationen, Metadaten und gekrümmten Dreiecksfacetten [74]. Über die Gruppierung von Facetten zur Erzeugung von Volumenelementen, welche wiederum der Beschreibung von Objekten dienen, werden Redundanzen vermieden. Das 3D Manufacturing Format (3MF) wurde von einem Industriekonsortium unter Führung von Microsoft entwickelt und ist mit AMF im Aufbau und Konzept vergleichbar [88]. Das Common Layer Interface (CLI) oder Slice Layer Interface (SLI) ist ein anlagenneutrales Format zum Austausch von Schichtinformationen, welche für die Anlagensteuerung genutzt werden [17, 88, 239]. Als ein mögliches Ergebnis des Slicens enthält es Informationen zur Außen- und Innenkontur der Bauteile auf Schichtebene [74]. In der Konstruktion finden CAD-Systeme Anwendung. Diese basieren auf der Erstellung von Volumenmodellen. Dabei können zwei Arten von Volumenmodellen zum Einsatz kommen. Constructive Solid Geometry (CSG)-Modelle sind körperorientiert und beschreiben ein Objekt durch mengentheoretische Verknüpfung von einfachen Grundkörpern, wie beispielsweise Quadern und Zylindern, über boolesche Operationen [170]. Boundary Representation (B-Rep)-Modelle sind flächenorientierte Volumenmodelle, welche ein Objekt über dessen umschließende Grenzflächen beschreiben [170]. Ein weit verbreiteter Standard zum Austausch von Produktdaten ist der Standard for the Exchange of Product Model Data (STEP) [2]. Das Format findet breite Unterstützung durch CAD und ComputerAided Manufacturing (CAM)-Systeme. Es ermöglicht die Beschreibung parametrischer Modelle und die Speicherung von Zusatzinformationen, wie Materialeigenschaften, Toleranzen und sonstigen Produktdaten [187]. Erste Forschungsansätze streben eine Erweiterung des STEP-Dateiformats um Spezifika der additiven Fertigung an [41]. Über Konverter lassen sich STEP- oder andere CADDaten in STL-Daten übertragen. Somit sind für das STL-Format entwickelte Algorithmen und weiterführende Berechnungen auch auf CAD-Daten ausführbar.

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.2.2 Digitale Prozesskette Entlang der Prozesskette der additiven Fertigung kommen derzeit diverse Softwarewerkzeuge zum Einsatz [121]. Abbildung 2.4 veranschaulicht den Ablauf der digitalen Prozesskette von der Kundenanfrage bis zur Datenvorbereitung des Fertigungsbaujobs. Nachdem eine Kundenanfrage entgegengenommen wurde, muss entschieden werden, ob eine Fertigung unmittelbar erfolgen kann oder Anpassungen an der Konstruktion notwendig sind. Dazu gehören vor allem Anpassungen zur Einhaltung von Konstruktionsrichtlinien für ein fertigungsgerechtes Design (siehe Kapitel 2.4.4). Unter Umständen muss sogar eine Neukonstruktion im CAD-System vorgenommen werden. direkte Herstellung keine Optimierung keine Freiform-Modellierung Anfrage

CAD-Konstruktion

CAD-System: z. B. CATIA, Siemens NX CAD, Pro/ENGINEER, SolidWorks

Optimierung

Finale CAD-Konstruktion

FreiformDesign

CAD-System

Finale FEM

Fertigung

Optimierungssoftware

FreiformDesignwerkzeug: z. B. Geomagic Freeform

Optimierungssoftware: z. B. Altair Hyperworks mit den Unterprogrammen: HyperMesh zum Pre-Processing: Erstellung FEM-Netz, OptiStruct als FEM-Solver, HyperView zum Post-Processing: Darstellung FEM-Ergebnisse

Datenvorbereitung

Datenvorbereitungssoftware: z. B. Materialise Magics, Netfabb Build-Prozessor: z. B. Concept Laser, EOS, SLM Solutions, abhängig vom Maschinenhersteller

Abbildung 2.4: Digitale Prozesskette in der additiven Fertigung einschließlich beispielhaft genutzter Softwareprodukte

Falls eine unmittelbare Fertigung möglich ist, wird das Bauteil in der Datenvorbereitung über ein CAM-System einem Baujob hinzugefügt. Spätestens in diesem Schritt wird die CAD-Konstruktion in ein trianguliertes Oberflächenmodell auf STL-Basis konvertiert (siehe Kapitel 2.2.3). Mittels eines sogenannten BuildProzessors werden die Schichtdaten erzeugt, welche von der Generieranlage verarbeitet werden [144]. In diesem Schritt wird auch die Zuweisung der Belichtungsparameter vorgenommen. Abhängig vom Nachbearbeitungsverfahren, z. B. spanende Fertigung, kann der Einsatz weiterer CAM-Software erfolgen. Aufgrund der hohen geometrischen Freiheitsgrade ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung optimierter Bauteile, die auf konventionelle Art nicht herstellbar wären (siehe auch Kapitel 2.4). Im Fall einer durch den Kunden gewünschten Bauteiloptimierung erfolgt im CAD-System zunächst die Modellierung eines Designbereichs, welcher den Bauteilbereich beschreibt, auf dem

2.2 Datenvorbereitung und digitale Prozesskette

17

die Optimierung ausgeführt wird. Für die anschließende Optimierung wird auf FEM basierende Berechnungs- und Optimierungssoftware eingesetzt [114]. Die Nutzung des Computer-Aided Engineering (CAE)-Systems gliedert sich in die Bestandteile: Netzerstellung und Definition der Randbedingungen, FEMBerechnung (engl. Solver) und Ergebnisdarstellung sowie -auswertung [55]. Details zum Ablauf einer Bauteiloptimierung sind in Kapitel 2.4 zu finden. Nach Interpretation der Optimierungsergebnisse wird die finale Konstruktion im CADSystem angelegt. Zur Ausgestaltung von Freiform-Flächen folgt unter Umständen eine Nachmodellierung in einem Freiform-Designwerkzeug. Eine finale FEM dient der Kontrolle, ob das Bauteil den spezifizierten Anforderungen gerecht wird [55]. Anschließend kann das Bauteil in die Datenvorbereitung überführt werden. Jüngste Entwicklungen streben die Vermeidung einer heterogenen Softwarelandschaft an. Vielmehr sollen sowohl Konstruktion als auch Optimierung und Datenvorbereitung in einem System ausführbar sein. Mit dem System Inspire hat Altair eine Softwarelösung auf den Markt gebracht, welche Designmodellierung mit Topologieoptimierung verbindet [210]. Ziel ist der Einsatz von Strukturoptimierung in einer möglichst frühen Phase des Konstruktionsprozesses. Das CADSystem NX von Siemens enthält seit Version 11 spezifische Funktionalitäten für die additive Fertigung [208]. Dazu gehören eine integrierte Topologieoptimierung, Verarbeitungsmöglichkeiten für triangulierte Oberflächenmodelle und Datenvorbereitungsfunktionalität. Dassault bietet mit 3DExperience ein vergleichbares System an, welches eine direkte Einbeziehung der Topologieoptimierung in die CAD-Konstruktion ermöglicht [43]. Die Firma Materialise verkauft mit Streamics ein auf die additive Fertigung ausgerichtetes Softwaresystem zur Unterstützung der Auftragsabwicklung [148]. Es erlaubt eine Integration der vielfach eingesetzten Datenvorbereitungssoftware Magics [146]. Das System wurde zunächst als Individuallösung für die eigene Fertigung entwickelt und kann als Manufacturing Execution System (MES) eingestuft werden. Ein vergleichbares Werkzeug zur Auftragsabwicklung, insbesondere der Produktionsplanung, bietet der Softwarehersteller Link3D an [127]. Mit der Additive World Platform hat der Maschinenhersteller Additive Industries ein System am Markt, welches über die übliche Maschinensteuerungssoftware hinausgeht und zusätzlich Möglichkeiten der Arbeitsvorbereitung und Planung von Nachbearbeitungsschritten bereitstellt [11].

2.2.3 Datenvorbereitung Die wesentlichen Aufgaben der Datenvorbereitung sind: die Datenaufbereitung, die Anordnung von Bauteilen im Bauraum, die Festlegung der Bauteilorientie-

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

rung bzw. -ausrichtung, das Anbringen von Supportstrukturen und die Erzeugung der Schichtdaten [140, 221]. Die Datenaufbereitung umfasst vor allem die Erstellung des triangulierten Oberflächenmodells. STL-Dateien können fehlerhaft sein. Diese Fehler können wiederum zum fehlerhaften Aufbau im Generierprozess oder sogar zum Prozessabbruch führen und sollten in der Datenvorbereitung daher korrigiert werden. Typische Fehler in STL-Daten sind unter anderem Löcher oder Spalte im Netz, Nicht-Mannigfaltigkeiten, überlappende Facetten und inkorrekte Normalen [101]. Forschungsarbeiten zur Reparatur von fehlerhaften STL-Dateien existieren bereits [141,212]. Algorithmen zur Reparatur bestimmter Fehlertypen sind sowohl in frei verfügbarer Software als auch in kommerziellen Systemen zur Datenvorbereitung implementiert [142, 146]. Neben der Korrektheit der Daten kann sich auch die Auflösung beim STL-Export auf den Bauprozess und die Bauteilqualität auswirken. Eine zu grobe Auflösung kann zu einer ungenauen Wiedergabe der tatsächlichen Geometrie führen [82, 156,221]. Eine zu hohe Auflösung zieht großen Speicherbedarf nach sich, welcher wiederum eine erhöhte Datenvorbereitungszeit und mögliche Prozessstörungen zufolge haben kann [221]. Darüber hinaus kann eine hohe Auflösung aufgrund numerischer Ungenauigkeiten fehlerhafte STL-Daten verursachen. Ein wichtiger Bestandteil der Datenvorbereitung ist die Teilezusammenstellung des Baujobs [196]. Während sich bei SLS eine Anordnung der Bauteile nebenund übereinander unter Verwendung von Verschachtelungs- (engl. Nesting) und Packalgorithmen bewährt hat, ist bei SLM ein Übereinanderstapeln der Bauteile durch die notwendige Fixierung der Bauteile an der Bauplattform über Supportstrukturen nicht üblich [140]. Details zur Notwendigkeit und Funktionsweise von Supportstrukturen, die durch den Arbeitsvorbereiter angebracht werden, sind in Kapitel 2.1.3 zu finden. Ansätze zur Ermittlung einer optimalen Bauteilorientierung sind in der bestehenden Literatur zu finden. So stellen Danjou und Koehler eine Mehrzieloptimierung vor, die basierend auf einem genetischen Algorithmus unter Berücksichtigung von verschiedenen Kriterien, wie Treppenstufeneffekt, Verzug, Supportstrukturen und Kosten, Vorschläge zur optimierten Bauteilausrichtung gibt [42]. Die letztendlich festgelegte Ausrichtung eines Bauteils im Bauraum hängt von zahlreichen Faktoren ab, welche abhängig vom zusammengestellten Baujob sogar variieren können, z. B. bedingt durch die Lage anderer Teile im Baujob. In der Praxis ist für SLM daher neben der Positionierung eines Bauteils auch die Festlegung der Orientierung im Bauraum ein manueller Prozess, der durch das Erfahrungswissen des vorbereitenden Fertigungsingenieurs geprägt ist. Der Ablauf einer Optimierung erfordert zudem hohen Rechenaufwand [42]. Im Rahmen

2.2 Datenvorbereitung und digitale Prozesskette

19

der entwickelten Angebotskalkulation, in welcher die Aufbauhöhe ein entscheidender Parameter ist, wird daher keine Implementierung eines Optimierungsalgorithmus zur Bauteilausrichtung angestrebt. Die voraussichtliche Aufbauhöhe wird hingegen über ein statistisches Modell abgeschätzt (siehe Kapitel 5.5.3.3). Aufgrund der Restriktionen des additiven Fertigungsprozesses, welche auch durch die Orientierung des Bauteils im Bauraum bestimmt werden, kann es sinnvoll sein, die Bauteilorientierung bereits in der frühen Konstruktionsphase zu berücksichtigen [124].

2.2.4 Cloudbasierte Softwaredienste Ein großer Vorteil der additiven Fertigung ist die Möglichkeit des einfachen Fertigungsdatenaustausches, üblicherweise über das STL-Format. Dies hat zur Entwicklung zahlreicher Geschäftsmodelle geführt. Eine Sichtung des OnlineMarktes zeigt, dass sich Softwaredienste im Kontext additiver Fertigung untergliedern lassen in die Kategorien: Auftragsfertigung, Vermittlung, Teileaustausch und Konstruktion. Anhand dieser Kategorien werden im Folgenden am Markt befindliche Systeme vorgestellt. Auf Systeme zur Angebotskalkulation, zur Bauteiloptimierung und zur Potentialbewertung wird im Speziellen in den Kapiteln 2.3.2, 2.4.3 und 2.5 eingegangen. Aufgrund des sich dynamisch entwickelnden Marktes wird kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben. Zahlreiche Fertigungsdienstleister (engl. Service Provider) bieten die Möglichkeit einer webbasierten Auftragsabgabe über ihre Internetpräsenz. Abhängig vom gewünschten Werkstoff und Fertigungsverfahren wird unmittelbar ein Angebot kalkuliert, teilweise einschließlich einer groben Prüfung der Geometrie auf Herstellbarkeit. Für metallische Werkstoffe ist eine Online-Kalkulation nur bei wenigen Anbietern zu finden. Bekannte Anbieter sind unter anderem Kazzata, 3D Systems Quickparts, i.materialise, Shapeways, Sculpteo, Trinckle und Rapidobject [6, 103, 145, 174, 203, 206, 216]. Ähnliche Angebote gibt es auch für die Zerspanung oder den Spritzguss, z. B. Part Factory oder Proto Labs [78, 173]. Vermittlungsdienstleister vermitteln Kunden mit einer Fertigungsanfrage an entsprechende Fertigungsbetriebe. Dabei kann der Kunde zwischen Angeboten verschiedener Fertigungsdienstleister auswählen. Der Vermittler erhält eine Provision. Beispiele sind 3yourmind, 3D Hubs und Additively [5, 7, 12]. Kreatize vermittelt Fertigungsaufträge an Partnerfirmen, bleibt dabei aber der einzige, direkte Ansprechpartner des Kunden [117]. Xometry fungiert als Vermittler von Aufträgen an Lohnfertiger mit integrierter Angebotskalkulation, welcher neben additiven Fertigungsverfahren auch die Herstellung mittels Zerspanung, Blech-

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

fertigung oder Polyurethanguss über eine Webplattform anbietet [235]. Die Angebotskalkulation basiert auf einer Bewertung vergangener Aufträge [48]. Teilebörsen bieten die Möglichkeit, Geometriedaten von Bauteilen auszutauschen oder zu verkaufen. Dabei handelt es sich üblicherweise um STL-Dateien. Teilweise sind die Teilebörsen mit den Seiten der Fertigungsdienstleister verbunden. So ist beispielsweise Thingiverse eine Plattform zum Austausch von frei verfügbaren Konstruktionsdaten [139]. Die Internetseiten sind vor allem für freie Designer ein Vertriebsweg, um ihre Konstruktionen einem breiten Publikum zugänglich zu machen. Senvol ist eine Datenbank, in der Informationen zu Materialien und Maschinen für die additive Fertigung hinterlegt sind, z. B. die maximalen Abmessungen des Bauraums einer Maschine [204]. Über ein Application Programming Interface (Programmierschnittstelle) (API) kann die Datenbank auch von anderen Softwaresystemen genutzt werden. Webbasierte Konstruktionswerkzeuge ermöglichen die Konstruktion von Geometrien im Browser. Hierbei ist in der Regel ein STL-Export möglich, sodass die konstruierten Bauteile potentiell additiv hergestellt werden können. Ein Beispiel ist die Plattform Thinkercad [18]. Darüber hinaus gibt es Angebote zur Geometriedatenanalyse und -reparatur, z. B. die Materialise Cloud oder der Microsoft 3D Model Repair Service [147, 153].

2.3 Angebots- und Vorkalkulation Zwei wesentliche Bestandteile dieser Arbeit sind die Entwicklung einer webbasierten und automatisierten Angebotskalkulation für SLM und ein automatisierter Online-Kostenvergleich dieses additiven Fertigungsverfahrens mit den Konkurrenzverfahren Zerspanung und Guss. Dazu werden zunächst die Grundlagen der Angebots- und Vorkalkulation betrachtet. Darauffolgend wird auf den jeweiligen Stand der Kenntnisse in der Kostenermittlung der drei Fertigungsverfahren eingegangen.

2.3.1 Grundlagen der Angebotskalkulation Eine genaue Kalkulation ist ein entscheidender Faktor im Wettbewerb um Kunden und Aufträge [28]. In diesem Abschnitt werden die grundsätzlichen Formen und Methoden der Kalkulation vorgestellt. Vor allem werden die unterschiedlichen Begrifflichkeiten erklärt und voneinander abgegrenzt.

2.3 Angebots- und Vorkalkulation

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2.3.1.1 Kalkulationsformen Grundsätzlich lassen sich drei Formen der Kalkulation unterscheiden: Vorkalkulation, mitlaufende Kalkulation und Nachkalkulation [30]. Maßgebliches Unterscheidungskriterium ist der Kalkulationszeitpunkt im Wertschöpfungsprozess. Dieses ist in Abbildung 2.5 dargestellt. Mit fortschreitendem Wertschöpfungsprozess steigt auch die Menge der zur Verfügung stehenden Informationen und damit die Genauigkeit und Vollständigkeit der Kalkulationsbasis [202]. Nachkalkulation

Rechnungswesen Erfassung der Ist-Kosten

Anfrage

Angebotserstellung

Angebotskalkulation

Entwicklung

Entwicklungsbegleitende Kalkulation

Arbeitsvorbereitung

Fertigung

Vorkalkulation im Rahmen der Arbeitsvorbereitung

Mitlaufende Kalkulation (Zwischenkalkulation)

Vorkalkulation

Abbildung 2.5: Kalkulationsformen in Abhängigkeit vom Kalkulationszeitpunkt in der Wertschöpfungskette, in Anlehnung an [202]

Die Vorkalkulation hat statistisch betrachtet das Ziel, den Erwartungswert der Nachkalkulation zu bestimmen [228]. Die Vorkalkulation lässt sich untergliedern in: Angebotskalkulation, entwicklungsbegleitende Kalkulation und Kalkulation im Rahmen der Arbeitsvorbereitung [202]. Die Angebotskalkulation dient der Ermittlung eines Preises für den Kunden. Auf die Angebotskalkulation wird in Abschnitt 2.3.1.2 näher eingegangen. In der entwicklungsbegleitenden Kalkulation liegt eine größere Kalkulationsbasis als in der Angebotskalkulation vor, da Kosten, welche sich durch den Konstruktionsvorgang ergeben, berücksichtigt werden können. Zusätzliche Informationen sind vor allem die Gestalt des herzustellenden Produktes und der verwendete Werkstoff. Die Arbeitsvorbereitung bereitet den Fertigungsprozess vor. Somit erweitert sich die Kalkulationsbasis um genauere Informationen über den Fertigungsprozess, vor allem in der Arbeitsvorbereitung festgelegte Plankosten und Vorgabezeiten sowie Kostensätze können berücksichtigt werden.

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

Die mitlaufende Kalkulation wird auch als Zwischenkalkulation bezeichnet. Sie dient dem zwischenzeitlichen Abgleich der anfallenden Ist-Kosten mit den in der Vorkalkulation berechneten Kosten. Die Zwischenkalkulation setzt sich aus bereits realisierten Fertigungskosten und vorkalkulierten Kosten für unbearbeitete Fertigungsschritte zusammen [202]. Die Nachkalkulation erfasst die tatsächlich realisierten Ist-Kosten eines Produktes und stellt gewissermaßen die letzte Stufe einer mitlaufenden Kalkulation dar [172]. Sie dient vor allem der Kontrolle bzw. Abweichungsanalyse, z. B. im Rahmen einer Soll-Ist-Analyse, und kann als Basis für Prognosen über zukünftige Kosten genutzt werden. Unter Umständen werden auch für die Nachkalkulation die durch die Arbeitsplanung festgelegten Werte genutzt, da zu hohe und realistische Fertigungszeitwerte meist im Betrieb verbraucht und zu niedrige Zeitwerte reklamiert und korrigiert werden [30].

2.3.1.2 Angebotskalkulation Die Angebotskalkulation ist eine besondere Form der Vorkalkulation. Ziel der Angebotskalkulation ist die Berechnung des Angebotspreises im Rahmen der Angebotserstellung als erster Schritt in der Wertschöpfungskette nach der Anfrage durch den Kunden. Sie besteht aus zwei wesentlichen Teilen: Kostenermittlung und Preisbildung [30]. Die Kostenermittlung oder Kalkulation dient der Bestimmung der Selbst- oder Herstellkosten [227]. Sie bildet die Basis für die Preisbildung und dient darüber hinaus unternehmensintern der Bereitstellung von Kosteninformationen, welche operative Entscheidungen unterstützen und einen Soll-Ist-Vergleich ermöglichen [115, 202]. Die Preisbildung dient der anschließenden Festlegung des Angebotspreises unter Berücksichtigung der ermittelten Kosten. 1 bis 2 % des Umsatzwertes im deutschen Maschinenbau werden für die Angebotskalkulation aufgewendet. Allerdings führen nur 5 bis 10 % der abgegebenen Angebote zu Aufträgen [30]. Damit ergeben sich zwei wesentlichen Anforderungen an die Angebotskalkulation: zum einen sollte diese möglichst aufwandsarm umzusetzen, zum anderen aber möglichst genau und vollständig sein. Die besondere Herausforderung der Angebotskalkulation ist der frühe Kalkulationszeitpunkt. Entwicklungs- und Fertigungskosten müssen möglichst genau und schnell ermittelt werden. Eine Kalkulationsbasis steht allerdings häufig nur unzureichend zur Verfügung. Weitere Kriterien, welche neben Aufwand und Genauigkeit das Zielsystem der Angebotskalkulation beschreiben, sind Transparenz, Optimierung der technischen Lösung und geeignete Nutzung von Erfahrungswissen [202].

2.3 Angebots- und Vorkalkulation

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2.3.1.3 Methoden der Kalkulation Der folgende Überblick zu Methoden und Begrifflichkeiten der Kalkulation basiert im Wesentlichen auf den Darstellungen von Bronner, Plinke et al., Schürmeyer und Westekemper, in deren Arbeiten detaillierte Ausführungen zu bestehenden Kalkulationsmethoden zu finden sind [30, 172, 202, 227]. Generell lassen sich diese in parametrische, analoge und analytische Verfahren einteilen [202]. Diese Kalkulationsmethoden können in unterschiedlichem Maße Vergangenheitsdaten verwenden und somit statistisch basiert sein. Parametrische Methoden lassen sich auch als Kostenwachstumsgesetze bezeichnen und beschreiben einvariable Kostenzusammenhänge [202]. Analoge Methoden benutzen die Ähnlichkeit zu bereits kalkulierten Produkten, um die Kosten zu ermitteln. Analytische Methoden vollziehen den Prozess der Leistungserstellung nach und berechnen die Kosten mittels statistischer und geometriebasierter Kostenfunktionen. In der Praxis lassen sich Kalkulationsmodelle häufig nicht eindeutig einer der Kategorien zuordnen.

Erfahrungsbasierte Kalkulation und Kilokostenmethode Eine erfahrungsbasierte Kalkulationsmethode ist die Kostenschätzung durch Experten [227]. Diese erfordert die manuelle Sichtung einer Anfrage durch einen erfahrenen Mitarbeiter. Nachteil einer erfahrungsbasierten Methode sind eine subjektive und möglicherweise emotionale Beeinflussung der Kostenermittlung und Preisbildung sowie zahlreiche durchzuführende manuelle Arbeitsschritte. Zudem sollte die Angebotserstellung reproduzierbar sein, auch wenn diese durch einen Mitarbeiter mit wenig Erfahrungswissen vorgenommen wird. Darüber hinaus besteht die Gefahr, Erfahrungswissen, welches nicht dokumentiert ist, zu verlieren, wenn ein Mitarbeiter das Unternehmen verlässt. Bei der Kilokostenmethode werden die Herstellkosten über eine lineare Beziehung aus dem Gewicht des Produktes bestimmt [172]. Auf ähnliche Art und Weise arbeitet die Materialkostenmethode. Bei dieser werden die Herstellkosten allein aus den Materialkosten berechnet. Annahme ist ein proportionales Verhalten der Herstellkosten zu den Materialkosten. Voraussetzung für die Anwendung der Kilokosten- oder Materialkostenmethode ist, dass es sich um ähnliche Erzeugnisse mit ähnlichem strukturellem Aufbau und Herstellungsart handelt und die Kostenstruktur für ähnliche Erzeugnisse nur geringe Schwankungen aufweist [227]. Die Kilokosten- oder Materialkostenmethode sind Spezialfälle einer Kostenwachstumsmethode. Eine Kalkulation nach Kostenwachstumsgesetzen basiert auf dem Vergleich zweier ähnlicher Erzeugnisse und der Ableitung einer mathematischen Funktion, welche das Kostenwachstum beschreibt.

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2 Stand der Wissenschaft und Technik

Divisions- und Detailkalkulation Bei der Divisionskalkulation werden die Kosten pro Leistungseinheit über Division der Summe aller Kosten einer Periode durch die Zahl der Leistungseinheiten berechnet. Die Divisionskalkulation eignet sich nur bei einheitlicher, homogener Massenproduktion [227]. Die Äquivalenzziffernkalkulation ist eine Erweiterung der Divisionskalkulation zur Berücksichtigung von Produktvarianten. Anhand von charakteristischen Merkmalen der Varianten, welche die Kosten maßgeblich beeinflussen, z. B. Abmessungen, werden Äquivalenzziffern gebildet, die als Kostengewichtungsfaktoren in die Kalkulation einfließen. Bei der Detailkalkulation werden die Herstellkosten eines Produktes durch die Kalkulation der Kosten der Einzelteile, z. B. über Stücklisten, ermittelt. Sie eignet sich zur Kalkulation von Baugruppen. Die Kosten einer Baugruppe werden dabei mit Hilfe von Projektzeichnungen und Stücklisten ermittelt. Die Detailkalkulation kann bei einer vollständigen Neukalkulation sehr aufwändig werden. Es ist daher in der Detailkalkulation üblich, von bereits vorhandenen Nachkalkulationen ähnlicher Erzeugnisse auszugehen.

Kalkulation mit Kostenfunktionen Die Kalkulation über leistungsbestimmende Parameter ist eine Methode, die in Abhängigkeit von technischen Bezugsgrößen, welche sich auf Einzelteile oder Baugruppen beziehen, die Herstellkosten eines Erzeugnisses berechnet. Eine ähnliche Methode ist die Kalkulation mit Kostenfunktionen. Die Kostenfunktion beschreibt den mathematischen Zusammenhang zwischen Einflussgrößen und Selbstkosten eines Produktes. Bei dieser Methode wird das Produkt ebenfalls in Baugruppen unterteilt, insbesondere bei heterogenen Produkten. Die Baugruppen werden auf ihre möglichen Kosteneinflussgrößen hin analysiert. Kostenfunktionen sind somit grundsätzlich eine analytische Kalkulationsmethodik, welche den Prozess der Leistungserstellung detailliert nachvollzieht. Es kann zwischen statistischen oder geometriebasierten Kostenfunktionen unterschieden werden. Bei statistischen Kostenfunktionen werden empirisch ermittelte Funktionen zur Beschreibung des Zusammenhanges zwischen Ist-Kosten und kostenbeeinflussenden Merkmalen, welche sich über technische, physikalische oder funktionale Parameter beschreiben, genutzt [202]. Mittels Regressionsanalyse wird ermittelt, welche Größen tatsächlich signifikanten Einfluss auf die Höhe der Herstellkosten haben. Bei geometriebasierten Kostenfunktionen werden technisch-physikalische Gesetzmäßigkeiten oder produktionstechnische Zusammenhänge zur Aufstellung von Kostenfunktionen genutzt [202]. Die Kostenkalkulation für ein Produkt basiert auf Arbeitsplänen, die aus einer groben Konstruktionslösung erstellt werden. Die Arbeitspläne enthalten alle

2.3 Angebots- und Vorkalkulation

25

Operationen der Fertigung, eingesetzte Betriebsmittel und Werkzeuge sowie angestrebte Fertigungsparameter. Dies ermöglicht eine Kalkulation der Fertigungszeiten. Die Fertigungszeiten ergeben multipliziert mit den Stundensätzen für Maschinen und Personal die zu ermittelnden Kosten.

Zuschlagskalkulation und Prozesskostenrechnung In der Zuschlagskalkulation werden die Kostenarten Einzel- und Gemeinkosten voneinander getrennt. Einzelkosten lassen sich dem Kostenträger, also dem hergestellten Erzeugnis, direkt zuordnen. Gemeinkosten sind alle anfallenden Kosten, die sich nicht direkt einem Produkt zuordnen lassen, z. B. Kosten in der Verwaltung. Die Methodik eignet sich daher für die Anwendung bei heterogenen Produkten. Einzelkosten können den Produkten direkt zugerechnet werden und Gemeinkosten über Gemeinkostenzuschlagssätze, auch Kostenverrechnungssätze genannt, aufgeteilt werden. Bei der differenzierenden Zuschlagskalkulation werden die Gemeinkosten nach Kostenstelle, welche den Ort der Kostenentstehung beschreibt, unterschieden. Tabelle 2.1 zeigt ein mögliches Schema für eine differenzierende Zuschlagskalkulation. Tabelle 2.1: Schema einer differenzierenden Zuschlagskalkulation, in Anlehnung an [172, 202] Kostenträgerbezogen

Kostenart Materialeinzelkosten

MEK

+

Materialgemeinkosten

MGK

=

Materialkosten

MK

Kostenstellenbezogen

X

-

-

X

-

-

X

-

Fertigungseinzelkosten

FEK

+

Fertigungsgemeinkosten

FGK

-

X

+

Sondereinzelkosten der Fertigung

SEF

X

-

=

Fertigungskosten

-

-

-

-

=

FK

Herstellkosten

HK

Entwicklungs- und Konstruktionseinzelkosten

EKEK

X

-

+

Entwicklungs- und Konstruktionsgemeinkosten

EKGK

-

X

=

Entwicklungs- und Konstruktionskosten

-

-

-

X

-

X

-

-

-

-

EKK

Verwaltungsgemeinkosten

VWGK

+

Vertriebsgemeinkosten

VTGK

=

Vertriebs- und Verwaltungskosten =

Selbstkosten

VVK SK

26

2 Stand der Wissenschaft und Technik

Das differenzierteste Verfahren der Zuschlagskalkulation ist die Maschinenstundensatzrechnung [202]. Hierbei bildet jede Maschine eine eigene Kostenstelle. Der Maschinenstundensatz ergibt sich aus der Summe aller anfallenden maschinenbezogenen Kosten pro Jahr dividiert durch die jährliche Maschinenlaufzeit. Für ein Produkt ergeben sich die Fertigungskosten aus der Dauer der Inanspruchnahme der Maschine. Bei der Prozesskostenrechnung werden alle im Unternehmen anfallenden Kosten außer den Materialkosten den für die Herstellung eines Produktes durchgeführten Prozessen zugeordnet. Diese Methodik hat das Ziel, die kalkulierten Gemeinkosten transparenter produktbezogen zuordnen zu können.

Weitere Kalkulationsmethoden Die dynamische Kalkulation berücksichtigt Kostensätze, die sich über die Zeit verändern [45]. Die Einbeziehung dynamischer Kostenfaktoren, wie Schwankungen der Material- und Produktionskosten, ermöglicht, die tatsächlich entstehenden Kosten genauer zu bestimmen, und erlaubt eine termin- und auslastungsbedingte Preisargumentation. Im Gegensatz zu einer Vorwärtskalkulation orientiert sich das Target Costing oder auch Zielkostenmanagement an einer Rückwärtskalkulation [44]. Das Target Costing ist ein marktorientierter Ansatz, bei welchem ausgehend von Marktpreisen ein Kostenziel für ein Produkt definiert wird (zu konkurrenzorientierter Preisbildung siehe auch Kapitel 2.3.1.4). Mit diesem soll unter erwartbaren Gegebenheiten des Marktes ein wirtschaftliches Ergebnis erzielt werden [172]. Alternative Methoden der Kalkulation lassen sich untergliedern in neuronale Netze, fuzzybasierte Ansätze, featurebasierte Methoden und Experten- oder wissensbasierte Systeme [227]. Bei neuronalen Netzen wird über die Vernetzung von Übertragungsfunktionen, welche eine Gewichtung von Eingaben vornehmen, eine Ausgabe berechnet. Neuronale Netze lassen sich dem Data Mining zuordnen. Fuzzybasierte Ansätze versuchen Unsicherheiten in den Eingabeparametern in der Kalkulation zu berücksichtigen. Ein Feature ist ein technisches Element, welches einen Zusammenhang zwischen den Geometrieelementen eines Produktes und semantischen, häufig fertigungsbezogenen Informationen herstellt [180,219]. Diese können Angaben zu Funktion, Qualitätseigenschaften, Bearbeitungsregeln und Parametern umfassen. Featurebasierte Kalkulationsmethoden nutzen definierte Features zur Kostenermittlung. Sie können unter anderem in der konstruktionsbegleitenden Kalkulation im Rahmen eines Design to Cost eingesetzt werden. Expertensysteme sind eine spezielle Form wissensbasierter Systeme. Diese erfordern den Aufbau einer Wissensbasis.

2.3 Angebots- und Vorkalkulation

27

2.3.1.4 Preisbildung Die Preisbildung lässt sich untergliedern in die Bereiche: Preisfindung, Preisbestimmung und Preisargumentation [202, 227]. Das sich daraus ergebende Spannungsfeld der Preisbildung ist in Abbildung 2.6 dargestellt. Neben der Kostenorientierung als zentraler Bestandteil sollte ein wettbewerbsfähiger Angebotspreis auch kundennutzen- und konkurrenzorientiert sein [202].

Preisfindung

Kostenorientierte Preisbildung

Konkurrenzorientierte Preisbildung

Kundennutzenorientierte Preisbildung

Preisbestimmung

Entscheidungsorientierte Preisbildung

Preisargumentation

Abbildung 2.6: Spannungsfeld der Preisbildung, in Anlehnung an [227]

Die Preisfindung dient der Bestimmung einer Preisuntergrenze. Diese beschreibt den minimalen Preis, zu dem ein Produkt angeboten werden sollte. Sie wird durch unternehmensinterne Preisvorstellungen bestimmt. Ein Marktpreis ist noch nicht vorgegeben [227]. Grundlage der Preisfindung ist die Kalkulation der Selbstkosten. Die Selbstkosten beschreiben die Summe aller werksinternen Kosten [30]. Unternehmensexterne Einflussgrößen werden in der Preisfindung nicht berücksichtigt. Ein auf der Preisuntergrenze aufbauendes kostenorientiertes Preisbildungsverfahren ist die Kosten-plus-Preisbildung. Bei dieser wird auf die ermittelten Stückkosten ein prozentualer Gewinnzuschlag aufaddiert. Die Zuschlagssätze können branchenüblich, firmenüblich, erfahrungsbasiert oder an Rentabilitätszielen orientiert sein. Die Preisbestimmung dient der Ermittlung einer Preisobergrenze. Diese gibt den maximalen Preis an, zu welchem ein Produkt angeboten werden sollte. In der Preisbestimmung werden nur unternehmensexterne Einflussgrößen berücksichtigt. Diese sind: vorhandene Marktpreise der Konkurrenz, Nutzenvorstellungen des Kunden, Präferenz des Kunden und Preise von Ersatzleistungen [64, 227].

28

2 Stand der Wissenschaft und Technik

Die Preisargumentation soll die Vorteilhaftigkeit eines Angebots für den Kunden darstellen und einen Preis- und Leistungsvergleich ermöglichen. Sie schafft ein Wertbewusstsein für das Angebot sowie die darin enthaltene Leistung und trägt damit zur Akzeptanz eines Preises und Erteilung eines Auftrags durch den Kunden bei.

2.3.2 Kostenmodelle der additiven Fertigung In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Kostenmodelle für verschiedene additive Fertigungsverfahren entwickelt. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die relevanten Kostenmodelle, welche als Grundlage für die Entwicklung einer automatisierten Angebotskalkulation für SLM in dieser Arbeit dienen (siehe Kapitel 5). Obgleich der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit auf SLM liegt, geht das Kapitel auch auf Kostenmodelle anderer additiver Verfahren ein, um einen umfassenden Stand der bestehenden Kenntnisse abzubilden. Alexander et al. entwickelten ein Kostenmodell mit dem Ziel einer kostenminimalen Orientierung [15]. Dabei werden insbesondere die Anzahl an Schichten und Supportstrukturen, welche im Fall von Überhängen bei Unterschreiten eines Winkelschwellwertes benötigt werden, in der Kalkulation berücksichtigt. Das Modell geht von einer Einzelfertigung aus und wurde für Stereolithografie und Fused Deposition Modeling erprobt. Huang et al. stellen in ihrem Artikel einen Entwurf für ein webbasiertes Servicesystem im Rapid Prototyping vor [95]. Dieses beinhaltet ein Kalkulationsmodul für Stereolithografie. Grundlage der Kalkulation ist ein Slicen der gegebenen STL-Datei. Basierend auf den im Slicen ermittelten Scanpfaden und der Anzahl an Schichten werden Herstellzeit und -kosten berechnet. Die Orientierung des Bauteils wird durch den Nutzer bzw. Kunden festgelegt. Kosten für Supportstrukturen werden mit Hilfe von Vergangenheitsdaten statistisch basiert abgeschätzt. Luo et al. beschreiben ebenfalls ein webbasiertes System [132]. Die Kostenkalkulation basiert allerdings nicht auf einem Slicen der Daten, sondern auf einer analytischen Berechnung basierend auf der Anzahl an erforderlichen Schichten und dem aufzubauenden Materialvolumen. Die Aufbauorientierung bestimmt ebenfalls der Nutzer. Lan et al. präsentieren in ihrem Artikel ein webbasiertes Angebotskalkulationssystem für Stereolithografie [120]. In dem Rahmen wird eine grobe Preisberechnung, die den Preis rein über das Bauteilgewicht ermittelt, und eine präzisere Kalkulation mittels Maschinenstundensatzrechnung, welche die Belichtungszeit für Kontur und Schraffur sowie die Beschichtungszeit berücksichtigt, vorgestellt.

2.3 Angebots- und Vorkalkulation

29

Für Letztere ist Kenntnis über die Aufbauorientierung notwendig. Diese wird durch den Nutzer bestimmt. Supportstrukturen werden über einen statistischen Wert in die Rechnung einbezogen. Während die zuvor genannten Arbeiten sich schwerpunktmäßig mit Kostenmodellen für das Rapid Prototyping befassen, betrachten Hopkinson und Dickens vor allem das Rapid Manufacturing. Die Autoren vergleichen in ihrer Arbeit beispielhaft die Kosten von Kunststoffspritzguss mit Stereolithografie, Fused Deposition Modeling und SLS [92]. Für zwei Beispielteile werden Maschinen-, Arbeitsund Materialkosten angegeben. Dabei wird von einer Massenproduktion der Bauteile ausgegangen, bei welcher in einem Baujob nur gleichartige Bauteile hergestellt werden. Ruffo und Hague stellen drei mögliche Kostenmodelle zur Berechnung der Bauteilkosten bei simultaner Fertigung mittels SLS vor [190]. Alle drei Modelle verlangen Kenntnis über die Zusammensetzung des zu berechnenden Baujobs. Das erste Modell schlägt eine anteilige Umlegung der Baujobkosten über das Volumen vor [190]: VBT K BT = · K BJ (2.1) VAL,BJ mit

K BT VBT VAL,BJ K BJ

Kosten eines Bauteils in e Volumen des Bauteils in mm3 Gesamtvolumen der im Baujob enthaltenen Teile in mm3 Kosten des gesamten Baujobs e

Da eine Kalkulation rein über das Volumen die Orientierung eines Bauteils im Bauraum und damit die Anzahl an notwendigen Schichten nicht berücksichtigt, werden zwei weitere Modelle dargestellt. Das zweite Modell basiert auf einer Einzelstückproduktion. Das dritte Modell geht von einer Massenproduktion des gleichen Bauteils aus. In einer weiteren Veröffentlichung schlüsseln Ruffo et al. die Gesamtkosten für SLS auf [191]. Neben Maschinen-, Arbeits- und Materialkosten werden administrative Gemeinkosten als weitere Kostenkomponente genannt. Grund stellt in ihrer Arbeit ein Kostenmodell für den SLM-Generierprozess basierend auf einer analytischen Betrachtung der Verfahrensschritte vor [79]. Dabei wird von einer Simultanfertigung verschiedener Bauteile im Baujob ausgegangen und das Modell von Ruffo und Hague, detailliert, indem eine aufbauhöhenabhängige Komponente in die Rechnung einbezogen wird. Die Kosten eines Bauteils berechnen sich aus Stundensatz multipliziert mit der anteiligen Prozessdauer am Baujob. Die Prozessdauer eines Baujobs setzt sich zusammen aus der Zeit für Belichtung und Beschichtung. Die Belichtungszeit verteilt sich über das Bauteilvolumen anteilig auf die Bauteile. Die Beschichtungszeit wird über die Aufbauhöhe der Bauteile verrechnet. Zur Anwendung des Kostenmodells ist genaues Wissen über die Zusammenstellung des Baujobs notwendig.

30

2 Stand der Wissenschaft und Technik

Des Weiteren definiert Grund die Auslastung einer Maschine für einen Baujob als die Summe des durch Bauteile eingenommenen Volumens dividiert durch das theoretisch mögliche Volumen eines Baujobs [79]: M= mit

M n VBT,i h Max GFBR

∑in=1 VBT,i h Max · GFBR

(2.2)

Auslastung einer Maschine für einen Baujob Anzahl der im Baujob enthaltenen Bauteile Volumen des Bauteils i einschließlich benötigter Supportstrukturen in mm3 maximale Aufbauhöhe im Bauraum in mm Grundfläche des Bauraums in mm2

Die Definition der Maschinenauslastung für einen Baujob sei an dieser Stelle erwähnt, da die Auslastung einen maßgeblichen Einflussfaktor in der entwickelten Angebotskalkulation darstellt. In Kapitel 5.5.3 werden verschiedene Modelle zur Abschätzung der Kapazitätsauslastung vorgestellt und zur Kalkulation genutzt. Das Modell von Schmidt beinhaltet ebenfalls eine analytische Betrachtung der Verfahrensschritte [197]. Belichtung und Beschichtung werden separat betrachtet. Dabei geht Schmidt davon aus, dass nur gleichartige Teile zusammen in einem Baujob gefertigt werden. Die Teileanzahl pro Baujob wird grob über die eingenommene Grundfläche abgeschätzt. Dies wird erweitert um eine Kostenbetrachtung der vor- und nachgelagerten Prozessschritte, z. B. Drahterodieren oder Wärmebehandlung, welche allerdings von bekannten Bearbeitungszeiten ausgeht. Der Ansatz von Kranz zur Kostenbetrachtung in der laseradditiven Fertigung ist mit dem Modell von Schmidt vergleichbar [114]. Munguia et al. stellen in ihrem Artikel eine Methode zur Abschätzung der Aufbauzeit für SLS basierend auf künstlichen neuronalen Netzen vor [158]. Eingabeparameter für das neuronale Netz sind die Höhe in Z-Richtung bzw. die Aufbauhöhe, das Bauteilvolumen und das Volumen der Bounding Box. In ihren Schlussbetrachtungen heben die Autoren hervor, dass neuronale Netze nicht transparent sind und das ermittelte Ergebnis nicht immer explizit erklärbar ist. Di Angelo und Di Stefano beschreiben ebenfalls eine Abschätzung der Aufbauzeit mittels künstlicher neuronaler Netze [50]. Die Methode soll für verschiedene additive Fertigungsverfahren, darunter SLS und SLM, anwendbar sein. Dabei werden zahlreiche Eingabeparameter, die teilweise über Funktionen zusammengeführt werden, verwendet. Diese sind unter anderem Bauteilvolumen, Z-Höhe, Schichtdicke, Materialauftragrate bzw. Verfestigungsrate, Aufbaurichtung, Verzögerungszeit zwischen zwei Schichtaufträgen, Bauteiloberfläche und Angaben zu eventuell benötigten Supportstrukturen. In einer weiteren Veröffentlichung entwickeln Di Angelo und Di Stefano auch ein analytisches Kostenmodell am

2.3 Angebots- und Vorkalkulation

31

Beispiel des Fused Deposition Modeling, welches die Kosten über eine Abschätzung des zurückzulegenden Werkzeugwegs berechnet [49]. Bei beiden Ansätzen muss eine Vielzahl von Eingabeparametern, wie beispielsweise die Aufbauhöhe, vorliegen. Dies erfordert in der Anwendung genaues Wissen über den Prozessablauf. Rickenbacher et al. entwickeln einen auf einer Regressionsanalyse basierenden statistischen Ansatz zur Ermittlung der Generierzeit eines kompletten Baujobs bei Simultanfertigung von unterschiedlichen Bauteilen [176]. Die Regressionskoeffizienten werden auf Basis von Vergangenheitsdaten ermittelt. Um die Kosten eines Einzelteils zu ermitteln, muss die Aufbauzeit des kalkulierten Baujobs auf die enthaltenen Einzelteile verrechnet werden. Die Gesamtbelichtungszeit wird dazu vor allem über das jeweilige Bauteilvolumen und die Bauteiloberfläche aufgeteilt. Die Gesamtbeschichtungszeit wird entsprechend der Aufbauhöhe der Teile schichtweise gleichmäßig auf die Einzelteile verteilt. Dazu wird der Baujob, beginnend beim Bauteil mit der kleinsten Aufbauhöhe, von unten nach oben analysiert. Diese Art der Aufteilung der Beschichtungszeit auf die einzelnen Bauteile ist vergleichbar mit dem von Krauss et al. vorgeschlagenen Modell [116]. Die Kostenberechnung ist ergänzt um eine Betrachtung vor- und nachgelagerter Prozessschritte, insbesondere Datenvorbereitung sowie Auf- und Abrüsten der Maschine. Wie bereits in Kapitel 2.2.4 beschrieben, finden sich neben wissenschaftlichen Ansätzen auch kommerzielle Kalkulationssysteme am Markt. Beispielhaft seien an dieser Stelle DigiFabster, RP Platform und Thrinno genannt [19, 51, 214]. Die webbasierten Systeme bieten Auftragsfertigern ausgehend von einer gegebenen Teilegeometrie die Möglichkeit, Angebote zum Teil automatisiert für diverse additive Fertigungsverfahren zu kalkulieren und die anschließende Bestellabwicklung zu unterstützen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bereits zahlreiche Kostenmodelle für additive Fertigungsverfahren entwickelt wurden. Für eine automatisierte Kalkulation im Rahmen einer webbasierten Plattformlösung sind die bisherigen Ansätze allerdings nicht oder nur bedingt geeignet. Dafür gibt es zwei wesentliche Hauptgründe. Einerseits setzen bestehende Modelle Wissen über die Fertigung voraus, welches zum Zeitpunkt der Online-Kalkulation nicht zur Verfügung steht, unter anderem Baujobzusammenstellung und Aufbauhöhe der Bauteile. Anderseits sind diese teilweise zu ungenau, da die Kosten nur für ganze Baujobs und nicht differenziert für die enthaltenen Bauteile berechnet werden, von einer reinen Einzelfertigung oder einer Fertigung nur gleichartiger Bauteile im Baujob ausgegangen wird. Das in dieser Arbeit entwickelte Kostenmodell löst diese Problematik über einen statistisch basierten Ansatz (siehe Kapitel 5). Die Entwicklung orientiert sich in Teilen an den beschriebenen Kostenmodellen für SLM.

32

2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.3.3 Kostenmodelle der Zerspanung Die Zerspanung umfasst spanende Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter oder unbestimmter Schneide [89]. Diese sind nach DIN 8580 der Hauptgruppe Trennen zugeordnet [1]. Die entwickelte Vergleichskalkulation fokussiert sich auf das Fräsen als spanendes Fertigungsverfahren (siehe Kapitel 7.2). Im Folgenden wird der für diese Arbeit relevante Stand der Kenntnisse diskutiert. Bouaziz et al. beschreiben ein System zur Kostenberechnung von Werkzeugformen [28]. Das System basiert auf einer Aufteilung der Form in Bearbeitungsfeatures. Für jedes dieser Feature wird die Fertigungszeit berechnet. Die Gesamtzeit ergibt sich aus der Summe der berechneten Einzelzeiten. Die Fertigungszeit für ein Feature setzt sich unter anderem zusammen aus den Zeiten für das Schruppen und Schlichten. Die Bearbeitungszeit für das Schruppen wird über das zu zerspanende Volumen kalkuliert. Die Zeit für das Schlichten wird über die zu bearbeitende Oberfläche bestimmt. Ähnliche featurebasierte Kalkulationsmethoden sind in weiterführender Literatur zu finden [100]. Schürmeyer entwickelt in seiner Arbeit ein Angebotskalkulationssystem für die spanende Herstellung von Druckgussformen [202]. Basierend auf der Erzeugung eines virtuellen Modells der Form werden regelbasiert Stücklisten und Arbeitspläne abgeleitet. Über festgelegte Arbeitsvorgangsfolgen können Fertigungszeiten und -kosten bestimmt werden. Schmidt stellt in seiner Arbeit einen analytischen Kostenberechnungsansatz für Frästeile auf Basis durchschnittlicher Abtragraten vor [197]. Das Modell zur Bestimmung der Fertigungszeit gliedert sich in drei Phasen mit Schruppen, Schlichten und Endbearbeitung. Hällgren et al. vergleichen kostenmäßig additive Fertigung mit Hochgeschwindigkeitszerspanung [83]. Die Zerspanzeiten berechnen sich auf Basis von Zerspanvolumina und Materialabtragraten. Die Kosten der spanenden Nachbearbeitung additiv hergestellter Bauteile werden kalkuliert über das zu zerspanende Volumen, welches über das Bauteilvolumen multipliziert mit einem Zuschlagsfaktor beschrieben wird. CustomPartNet bietet über eine webbasierte Schnittstelle die Kalkulation von Dreh- und Frästeilen an [40]. Allerdings erfordert die Kostenrechnung eine featurebasierte Definition von Arbeitsvorgangsfolgen durch den Nutzer. Weitere kommerzielle Kalkulationssysteme arbeiten auf ähnliche Weise mit einer Zuordnung von Fertigungsfeatures, teilweise mit einer unterstützenden Featureerkennung [35]. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur automatischen Bestimmung der Fräskosten eines Bauteils basierend auf dessen STL-Daten (siehe Kapitel 7.2.2) orien-

2.3 Angebots- und Vorkalkulation

33

tiert sich an den Kostenmodellen von Bouaziz et al. und Schmidt [28, 197]. Da in den STL-Daten keine Zusatzinformationen hinterlegt sind (siehe auch Kapitel 2.2.1.1) und die Nutzereingabe möglichst schlank gehalten werden soll, eignen sich Kalkulationsansätze, welche auf der Definition von Fertigungsfeatures basieren, für eine automatisierte Kostenberechnung nicht.

2.3.4 Kostenmodelle für Gussteile Das Gießen ist nach DIN 8580 den urformenden Fertigungsverfahren zuzuordnen [1]. Im Rahmen der Vergleichskalkulation wird neben dem Fräsen der Feinguss als Konkurrenzverfahren zu SLM betrachtet (siehe Kapitel 7.2). Bestehende Kalkulationsansätze, welche für diese Arbeit von Bedeutung sind, werden nachfolgend erläutert. Chougule und Ravi beschreiben in ihrem Artikel ein Kostenmodell für Gussverfahren [37]. Die Kosten berechnen sich basierend auf einer rechnerunterstützten Prozessplanung, die unter anderem der Festlegung benötigter Prozessschritte und Bearbeitungszeiten dient. Darüber hinaus entwickeln Chougule und Ravi einen regressionsbasierten Ansatz zur Abschätzung der Kosten für die Werkzeugherstellung. Das Werkzeug wird abhängig vom Gussverfahren z. B. für die Modellherstellung eingesetzt. Die entwickelte Regressionsformel stützt sich auf eine Sammlung von Datensätzen aus Betrieben des Werkzeugbaus. König erarbeitet in seiner Dissertation ein Assistenzsystem zur Ähnlichteilsuche [111]. Ziel ist eine effiziente Zeitkalkulation im Rahmen der Angebotserstellung von Gussteilen. Anhand bestimmter Merkmale des zu kalkulierenden Bauteils sucht das Assistenzsystem ein Ähnlichteil, für welches bereits Daten zum technologischen Ablauf im System hinterlegt sind. Wenn ein Ähnlichteil gefunden wird, kann dieses als Basis für die Kalkulation dienen. Voraussetzung für die Anwendung ist eine entsprechend große Datenbasis von in der Vergangenheit bereits bearbeiteten Bauteilen. Schmidt berechnet in seiner Arbeit die Kosten für den Feinguss basierend auf einer analytischen Betrachtung der Prozesskette [197]. Die Kosten pro Prozessschritt kalkulieren sich aus der Multiplikation von gegebener Fertigungszeit mit dem jeweiligen Stundensatz. Zur Berechnung der Werkzeugkosten für die Herstellung der Wachsmodelle benutzt Schmidt das von Chougule und Ravi entwickelte Modell [37]. Das in dieser Arbeit vorgestellte Kalkulationsmodell nutzt zur Abschätzung der Werkzeugkosten ebenfalls das Modell von Chougule und Ravi [37]. Zur automatisierten Berechnung der Kosten für den eigentlichen Gussvorgang eignen sich die bestehenden Ansätze allerdings nicht, da diese auf analytischen Betrachtun-

34

2 Stand der Wissenschaft und Technik

gen der Prozesskette beruhen, welche eine manuelle Eingabe und Expertenwissen über den Gussvorgang erfordern. In dieser Arbeit wird daher ein statistisch basierter Lösungsansatz zur Ermittlung der Fertigungseinzelkosten entwickelt (siehe Kapitel 7.2.3).

2.4 Bauteil- und Produktoptimierung Durch die hohen geometrischen Freiheitsgrade eignen sich additive Fertigungsverfahren für die Herstellung von funktions- und gewichtsoptimierten Bauteilen und Produkten. In diesem Kapitel wird auf die Grundlagen der in dieser Arbeit entwickelten webbasierten Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen eingegangen. Der Fokus liegt dabei auf der Optimierung von Bauteilstrukturen mit dem Ziel des Leichtbaus.

2.4.1 Bauteiloptimierung im Kontext additiver Fertigung Formen der Bauteiloptimierung, welche im Kontext additiver Fertigung Anwendung finden und das Potential der Fertigungstechnologie ausschöpfen, sind vor allem: Funktionsoptimierung, Leichtbau und Integralbauweise [105, 197]. Funktionsoptimierung umfasst die Verbesserung der Funktion eines Bauteils, wie beispielsweise dessen mechanische Eigenschaften. Weiterführende Ansätze befassen sich mit der additiven Herstellung strömungsmechanisch oder thermodynamisch optimierter Bauteilstrukturen [57]. Leichtbau beschreibt die Konstruktion eines Bauteils mit dem Ziel der Gewichtsreduktion. Additive Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung von Leichtbaustrukturen, da Material nur an den Stellen eingebracht werden kann, wo dieses zur Funktion des Bauteils benötigt wird [105]. Bei der Integralbauweise, auch Funktionsintegration genannt, werden mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinigt und damit die Teileanzahl verringert. Häufig treten die verschiedenen Formen der Bauteiloptimierung in Kombination miteinander auf. So ermöglicht die Funktionsoptimierung der Bauteilgestalt oft auch eine Reduzierung des benötigten Materials. Ein vielfach im Konstruktionsprozess eingesetztes Werkzeug zur Funktions- und Gewichtsoptimierung von Bauteilen unter mechanischer Belastung ist die Topologieoptimierung (siehe folgender Abschnitt 2.4.2). Sie stellt die Basis für die Anfertigung einer optimierten Bauteilgestalt. Durch die Designfreiheit additiver Verfahren ist es in diesem Zusammenhang möglich, bionische Strukturen, welche Prinzipien der Natur auf technische Systeme übertragen, in der Konstruktion zu nutzen [55, 160]. Abbildung 2.7 zeigt die konventionelle Geometrie eines

2.4 Bauteil- und Produktoptimierung

35

Sekundärstrukturelements aus dem Flugzeugbau im Vergleich zur gewichtsoptimierten, additiv gefertigten Variante.

Konventionelle Geometrie

Optimierte, additiv gefertigte Geometrie

Abbildung 2.7: Konventionelle und optimierte Konstruktion eines Sekundärstrukturelements aus dem Flugzeugbau, CAD-Dateien entstammen [137]

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen fokussiert sich auf die Abschätzung von potentiellen Gewichtsreduktionen (siehe Kapitel 6). Diese führen durch geringere Material- und Prozesskosten unmittelbar zu einer Senkung der Herstellkosten [57]. Darüber hinaus kann durch Funktionsoptimierung und Leichtbau eine Reduzierung der Gesamtbetriebskosten eines Produktes (engl. Total Cost of Ownership) und geringere CO2 Emissionen erreicht werden, wie es beispielsweise für die Luftfahrtindustrie von Interesse ist [75, 125].

2.4.2 Topologieoptimierung Topologieoptimierung ist eine Form der Strukturoptimierung [54, 201]. Ziel der Topologieoptimierung ist die Bestimmung der optimalen Struktur eines Bauteils unter mechanischer Belastung in Form einer bestmöglichen Verteilung von strukturrelevantem Material. Eine gebräuchliche Methode der Topologieoptimierung, welche sich in der Implementierung zahlreicher CAE-Systeme wiederfindet, ist das Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)-Verfahren (siehe Abbildung 2.8) [87]. Ausgangspunkt dieses iterativen Verfahrens ist die Modellierung des Bauraums. In einer Diskretisierung wird dieser in finite Elemente aufgeteilt. Dies wird auch als Vernetzung (engl. Meshing) bezeichnet. Anschließend sind die geltenden Randbedingungen, wie wirkende Kräfte, Lagerungen und geometrische Restriktionen, sowie die Zielfunktion zu definieren. Die Zielfunktion beschreibt Struktureigenschaften des Bauteils, die zu minimieren oder maximieren sind. Beispiel für eine Zielfunktion ist die Maximierung der Steifigkeit eines Bauteils bei gleichzeitiger Reduzierung von dessen Gewicht um einen festgelegten prozentualen Anteil.

36

2 Stand der Wissenschaft und Technik F

Initialisierung (diskretisierter Bauraum)

F

Finite-ElementeMethode

Optimierungsalgorithmus F

Anpassung der Elementdichten

Nein

Konvergenzkriterium Ja

Nachbereitung

Abbildung 2.8: Ablauf des Optimierungsprozesses nach SIMP-Verfahren, in Anlehnung an [23, 114]

Nach der Initialisierung wird eine FEM-Analyse durchgeführt. Mittels der Methode der finiten Elemente können die auftretenden Verschiebungen, Dehnungen und Spannungen im Bauteil bzw. Bauraum numerisch berechnet werden [192]. Basierend auf der ermittelten Spannungsverteilung wird ein Optimierungsalgorithmus durchgeführt. Dieser weist jedem Element eine fiktive, normierte Elementdichte zu, welche sich nach der ermittelten Spannungsverteilung richtet [54]. Über die Elementdichte wird der Elastizitätsmodul angepasst [87]. So weisen Elemente mit geringer struktureller Relevanz ein weicheres Materialverhalten auf als Elemente mit hoher struktureller Bedeutung. Auf Basis der zugewiesenen Elementeigenschaften wird anschließend eine erneute FEM-Analyse durchgeführt. Wenn eine maximale Anzahl an Iterationen oder in Bezug auf die Zielfunktion ein definiertes Konvergenzkriterium erreicht ist, wird der Optimie-

2.4 Bauteil- und Produktoptimierung

37

rungsprozess abgebrochen. In einer abschließenden Nachbereitung werden die Ergebnisse der Topologieoptimierung weiterverarbeitet. Abbildung 2.8 stellt den Ablauf einer Topologieoptimierung für einen Lastfall dar. Ein Lastfall beschreibt einen auf das Bauteil wirkenden Belastungszustand. Dieser kann mehrere gleichzeitig anliegende Kräfte umfassen. In der Praxis wird eine Topologieoptimierung für jeden relevanten Lastfall, der im Einsatzszenario des Bauteils auftreten kann, durchgeführt. Anschließend führt der Konstrukteur die Ergebnisse nach Interpretation zu einer finalen, belastungsgerechten Bauteilkonstruktion zusammen [55].

2.4.3 Cloudbasiertes Computer-Aided Engineering Chen und Lin stellen einen ersten Ansatz für eine serverbasierte FEM vor [36]. Dieser ermöglicht die Durchführung einer FEM-Berechnung über das Internet mittels eines entwickelten Clientprogramms. Gracia und Bayo beschreiben in ihrem Artikel eine Webapplikation zur Strukturanalyse unter Nutzung von dreidimensionalen Gitterträgern [77]. Diese ist in WebGL implementiert und erlaubt somit eine Ausführung im Webbrowser. Kurt et al. entwickeln eine vergleichbare cloudbasierte Systemarchitektur zur Vorbereitung von FiniteElemente-Analysen [118]. Yodo et al. stellen in ihrer Arbeit das Konzept eines CAE-Systems dar, das clientseitig auf Basis der Hypertext Markup Language (HTML) und WebGL implementiert ist [237]. Nobel-Jørgensen et al. präsentieren in ihrem Artikel eine Applikation zur interaktiven Topologieoptimierung, welche für die Ausführung auf mobilen Endgeräten ausgelegt ist [163]. Die Software erlaubt die Modellierung des Bauraums mit Hilfe vordefinierter Formen, unter anderem Würfel, Kugel und Ebene. Darauffolgend können Lagerungen und wirkende Lasten aufgebracht werden. Das Ergebnis der Topologieoptimierung wird abschließend in geglätteter Form dargestellt. Suresh beschreibt ein ähnliches Konzept einer schnell und benutzerfreundlich zu bedienenden Topologieoptimierung auf Basis einer cloudbasierten Lösung mit Client-Server-Architektur [211]. Clientseitig wird WebGL und HTML zur Modellierung und Visualisierung eingesetzt. Frustum ist eine kommerzielle Webapplikation zur Topologieoptimierung mit Fokus auf die Konstruktion additiv herzustellender Bauteile [71]. Des Weiteren sei an dieser Stelle beispielhaft für kommerzielle, cloudbasierte CAE-Software die Plattform SimScale genannt [209]. Neben statischen und dynamischen Analysen ermöglicht die Plattform die Durchführung von strömungsmechanischen und thermodynamischen Berechnungen. Nach Hochladen eines Bauteils und Konfiguration der Randbedingungen kann die Berechnung initiiert werden. Diese läuft anschließend auf dem Server und kann mehrere Stunden in

38

2 Stand der Wissenschaft und Technik

Anspruch nehmen [80]. Das Ergebnis kann nach Abschluss der Berechnungen durch den Benutzer im Browser eingesehen werden. In dieser Arbeit wird eine webbasierte FEM mit dem Ziel einer schnellen Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen entwickelt. Diese ermöglicht eine Bedienung über den Webbrowser und integriert sich in die Gesamtarchitektur einer cloudbasierten Plattform zur Potentialerschließung in der additiven Fertigung. Zur Vernetzung und Spannungsberechnung werden serverseitig frei verfügbare Vernetzer und Berechnungsprogramme verwendet (siehe Kapitel 6). Eine Lösung zur Potentialbewertung auf Basis einer vollständigen Topologieoptimierung wird aufgrund des hohen Aufwands, z. B. zur Bauraummodellierung und Durchführung mehrerer Iterationen, sowie des erfahrungsbasierten und manuell geprägten Prozesses in dieser Arbeit nicht angestrebt.

2.4.4 Konstruktionsrichtlinien Additive Fertigungsverfahren bieten ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Dennoch sind auch bei diesen verfahrensbedingte Einschränkungen gegeben [222]. In der jüngsten Vergangenheit wurden daher Richtlinienkataloge entwickelt, welche insbesondere in den Phasen Konstruktion und Arbeitsvorbereitung unterstützen, die Vorteile der additiven Fertigung auszuschöpfen sowie Restriktionen zu berücksichtigen. Konstruktionsrichtlinien existieren für SLS und SLM und wurden bereits für verschiedene Werkstoffe erarbeitet [9, 10, 62, 112, 222, 225]. Die Richtlinien umfassen vor allem Empfehlungen für eine robuste Bauteilgestaltung einschließlich der Berücksichtigung von Supportstrukturen [114]. Teilweise werden auch Hinweise für eine finale Nachbearbeitung und Positionierung des Bauteils im Bauraum gegeben [112]. Erste Ansätze zu einer automatisierten Überprüfung von Konstruktionsrichtlinien finden sich in Entwicklungen der Industrie. Diese fokussieren sich auf eine Analyse von Wanddicken. Exemplarisch sei an dieser Stelle die Materialise Cloud genannt. Diese bietet mit dem Wall Thickness Analyzer ein webbasiertes Werkzeug am Markt an, welches 3D-Modelle nach kritischen Wandstärken analysiert. In dieser Arbeit wird auf Basis bestehender wissenschaftlicher Veröffentlichungen eine automatisierte Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien für additiv herzustellende Bauteile entwickelt (siehe Kapitel 4). Diese umfasst eine Analyse von Bauteilgröße, Wanddicken, Spaltbreiten, Zylinder- und Bohrlochdurchmessern.

2.4 Bauteil- und Produktoptimierung

39

2.4.5 Leichtbaupotential Ziel des Leichtbaus ist die Reduzierung des Eigengewichts einer Struktur [106]. Strategien zur Umsetzung einer Leichtbauweise lassen sich gliedern in Stoffleichtbau, Formleichtbau und Fertigungsleichtbau [106, 197]. Im Stoffleichtbau werden Gewichtseinsparpotentiale über Werkstoffsubstitutionen erschlossen. Dabei kommen Werkstoffe mit hoher Güte, vor allem der mechanischen Eigenschaften, aber geringen Dichten zum Einsatz. Der Formleichtbau umfasst Methoden und Konstruktionslösungen der Gestaltoptimierung zur Reduzierung von Gewicht. Der Fertigungsleichtbau ist bestrebt, eine möglichst hohe Funktionsintegration zu erreichen. Grundlegende Leichtbaukennzahlen, welche auf vereinfachten Geometrie- und Randbedingungsannahmen basieren, eignen sich zur Anwendung auf komplexen Strukturen und für eine präzise Bewertung in nicht ausreichendem Maße [197]. Daher wurden in der Vergangenheit bereits weiterführende Ansätze zur Abschätzung des Leichtbaupotentials laseradditiv hergestellter Bauteile entwickelt. Kranz schlägt im Rahmen seiner Arbeit ein Punktesystem zur Bewertung des Leichtbaupotentials vor [114]. Die Bewertung gliedert sich in die Betrachtung einer möglichen Werkstoffsubstitution und der ausgenutzten Gestaltungsfreiheit. Um zur Beurteilung der Werkstoffsubstitution verschiedene Werkstoffe miteinander vergleichbar zu machen, werden die für den Belastungs- oder Auslegungsfall relevanten Werkstoffkennwerte durch die Dichte des Werkstoffs dividiert. Die Gestaltungsfreiheit beschreibt inwieweit sich bereits Konstruktionsprinzipien des Leichtbaus, z. B. Hohl- oder Gitterstrukturen, in der Struktur des betrachteten Bauteils finden lassen. Je weniger Leichtbauelemente bereits in der Ausgangsstruktur vorhanden sind, desto größer ist das Leichtbaupotential. Schmidt definiert in seiner Arbeit zwei Leichtbaukennzahlen: Auslastungsfaktor und Minimalgewicht [197]. Der Auslastungsfaktor ist ein Maß für die Dimensionierung eines Bauteils und ermöglicht eine Bewertung der Materialauslastung. Er ergibt sich aus dem Verhältnis der mittleren vorherrschenden Spannung in einem Bauteil zur maximal zulässigen Spannung des Materials: AF = mit

AF σ¯ σMax

σ¯ σMax

(2.3)

Auslastungsfaktor mittlere Spannung in einem Bauteil in Pa maximal zulässige Spannung des Materials in Pa

Die Spannungen werden über eine FEM-Berechnung ermittelt. Zur Bestimmung der Materialauslastung des Designbereichs eines Bauteils wird dieser in finite

40

2 Stand der Wissenschaft und Technik

Elemente zerlegt. Über eine Aufsummierung der Elementspannungen kann der Auslastungsfaktor für den Designbereich berechnet werden. Das Minimalgewicht ist nach Schmidt ein Maß für die Formgebung eines Bauteils. Es beschreibt das theoretische Gewicht eines Bauteils bei idealer Materialauslastung, also einem Auslastungsfaktor von 100 %: MG = AF · m mit

MG AF m

(2.4)

Minimalgewicht in kg Auslastungsfaktor Masse der Bauteilgeometrie in kg

Vor allem der Auslastungsfaktor eignet sich für einen Vergleich des Leichtbaupotentials von Bauteilen. Für konventionell gefertigte Bauteile konnte im Durchschnitt ein Auslastungsfaktor von 9 % festgestellt werden. Für additiv gefertigte, strukturoptimierte Bauteile konnte bezogen auf den zu optimierenden Designbereich im Mittel ein Auslastungsfaktor von 23 % ermittelt werden. Die Anwendung der Methode von Schmidt durch einen in Konstruktion und Optimierung erfahrenen Ingenieur benötigt mit gängigen Softwareprogrammen, wie CADSystem und Optimierungssoftware, etwa drei bis vier Stunden [138]. Die vorliegende Arbeit entwickelt eine webbasierte Methodik zur Abschätzung des Leichtbaupotentials von Bauteilen. Diese nutzt den von Schmidt definierten Auslastungsfaktor. Die Anwendung über eine webbasierte Schnittstelle mit hohem Automatisierungsgrad ermöglicht eine aufwandsarme Abschätzung des Leichtbaupotentials. Weitere Details zur entwickelten Methodik werden in Kapitel 6 beschrieben.

2.5 Potentialbewertung, Bauteilauswahl und Entscheidungsunterstützung Konzepte, Vorgehensmodelle und Systeme zur Potentialbewertung, Bauteilauswahl und Entscheidungsunterstützung in der additiven Fertigung lassen sich, in Orientierung an allgemeine Methoden der Technologiebewertung, grundsätzlich in quantitative und qualitative Ansätze unterteilen [81]. Während qualitative Methoden häufig auf Expertenbefragungen oder -einschätzungen beruhen, versuchen quantitative Methoden über Modelle miteinander vergleichbare Kennzahlen zu ermitteln. In den nachfolgend vorgestellten Ansätzen sind Methoden zu finden, welche sowohl quantitative als auch qualitative Aspekte beinhalten. Deppe und Koch stellen in ihrem Artikel ein System zur Entscheidungsunterstützung mit Fokus auf die Ersatzteilversorgung in der Luftfahrtindustrie vor [47].

2.5 Potentialbewertung, Bauteilauswahl und Entscheidungsunterstützung

41

Unter Einbeziehung der Lieferkette und Berücksichtigung von Kosten, Zeit und Qualität soll der Nutzer in der Entscheidung unterstützt werden, ob eine Reparatur mittels additiver Verfahren, die Fertigung eines Frästeils oder der Einkauf eines Neuteils wirtschaftlich sinnvoll sind. Klahn et al. präsentieren eine Methode zur Bauteilauswahl für die additive Fertigung [105]. Ziel ist die Selektion von Bauteilen, welche für ein Redesign geeignet wären. Dabei kommen vier Selektionskriterien zum Einsatz: Funktionsintegration, Individualisierung, Leichtbau und mögliche Effizienzsteigerung durch bessere Konstruktion. Anhand von vier Fallbeispielen wird aufgezeigt, wie sich die Selektionskriterien in der Realisierung widerspiegeln. Kranz et al. stellen eine Selektionsmethode für Bauteile vor, welche sich insbesondere an Nutzer richtet, die mit der Technologie nicht vertraut sind [113]. Dazu wurden zunächst die Hauptanforderungen identifiziert. Diese sind: schnelle Ausführung, einfache Handhabung, Transparenz und Anpassungsfähigkeit. Basierend auf einer Vielzahl von Eingabeparametern werden grob Eignung des Verfahrens, Leichtbaupotential, Herstellkosten und -zeit abgeschätzt. Das Leichtbaupotential wird näherungsweise über die Materialauslastung eines das Bauteil umgebenden Quaders bestimmt [26]. Darüber hinaus beschreibt Kranz in seiner Dissertation die Nutzung eines Punktesystems zur Potentialbewertung von Bauteilen [114]. Dieses gliedert sich in eine Bewertung des Leichtbaupotentials und der Fertigungseignung. Für das Leichtbaupotential wird eine Bewertung von Werkstoffsubstitution und Gestaltungsfreiheit vorgenommen (siehe dazu auch Abschnitt 2.4.5). Die Fertigungseignung setzt sich zusammen aus der Punktzahl des Aufwandes für eine konventionelle Fertigung und der Punktzahl für die Eignung der angestrebten Losgröße. Kushnarenko beschreibt in ihrer Arbeit eine Entscheidungsmethodik zur Anwendung generativer Fertigungsverfahren [119]. Diese beinhaltet unter anderem die geometrische und technische Bauteilkomplexität, mögliche Vor- und Nachbearbeitungsschritte sowie eine Auswahl der Prozesskette, welche sich aus Qualitätsund Materialanforderungen ergibt. Eine Betrachtung der Fertigungskosten von SLM und Fräsen wird angeschnitten, aber nicht detailliert ausgeführt. Designpotentiale, welche sich aus der Bauteilgeometrie ergeben, sind nicht Teil der Arbeit. Lindemann et al. stellen in ihrem Artikel eine Vorgehensmethodik zur Durchfindung einer Bauteilselektion vor [126]. Diese hat das Ziel, auch technologieunerfahrene Unternehmen in die Lage zu versetzen für die additive Fertigung geeignete Bauteile zu identifizieren. Die Methodik basiert auf einem mehrstufigen manuellen Sichtungsprozess. Eine im Zuge der Sichtung erstellte Trade-Off Matrix ermöglicht einen Vergleich der Bauteile, die sich in der engeren Auswahl befinden.

42

2 Stand der Wissenschaft und Technik

Schmidt stellt in seiner Arbeit einen Ansatz zur Wirtschaftlichkeitsbewertung additiver Fertigungsverfahren dar [197]. Diese setzt sich zusammen aus einer Betrachtung der Herstellkosten von SLM, Fräsen und Feinguss sowie Funktionsund Leichtbaupotential. Zur Berechnung der Herstellkosten werden analytische Kostenmodelle verwendet. Zur Einschätzung von Funktionspotentialen schlägt Schmidt einen Katalog vor, nach welchem Bauteile durch Sichtung bewertet werden können. Zur Ermittlung des Leichtbaupotentials wird ein Auslastungsfaktor definiert, der unter Nutzung eines in der Arbeit ermittelten Referenzwertes für topologieoptimierte Bauteile Prognosen über mögliche Gewichtseinsparungen erlaubt (siehe Kapitel 2.4.5). Schröder et al. beschreiben einen Ansatz zur Entscheidungsunterstützung für Investitionsentscheidungen in verschiedene additive Fertigungstechnologien [199]. Basis ist eine Sensitivitätsanalyse von Kostenstrukturen entlang der Prozesskette der additiven Fertigung. Diese soll vor allem die Hauptkostentreiber und Potentiale zur zukünftigen Optimierung der Prozesskette aufzeigen. Zur Bedienung des Systems sind zahlreiche Eingabewerte erforderlich. Fideli et al. entwickelten ein auf einer Wissensbasis aufbauendes Entscheidungsunterstützungssystem für die Prozessplanung in der additiven Fertigung [65,66]. Anhand der technischen Anforderungen, welcher der Kunde an das herzustellende Produkt stellt, soll die geeignetste Kombination aus additiver Fertigungstechnologie, Prozessparametern und dem zu verwendenden Werkstoff gefunden werden. Basierend auf den Arbeiten von Fideli et al. ist die Internetseite Willit3DPrint entstanden [53, 86]. Diese kann als Ansatz einer webbasierten Potentialbewertung eingeordnet werden. Für ein hochgeladenes Bauteil werden bei einer Auswahl von sechs Maschinen und je ein bis zwei Materialien Angaben zu Rauheit, benötigten Supportstrukturen, Herstellzeit und -kosten grob ermittelt. Ein Vergleich verschiedener Fertigungsverfahren sowie eine Betrachtung von Potentialen, die sich aus dem Design, z. B. über eine Strukturoptimierung, ergeben, sind nicht Bestandteil der Bewertung. 3DPrintbarometer von Materialise ist eine Webanwendung zur schnellen Prüfung, ob sich eine additive Fertigung rentieren könnte [143]. Ohne Dateiupload müssen fünf Angaben mit jeweils drei bis fünf Selektionsmöglichkeiten zum Projektvorhaben spezifiziert werden. Diese sind: die grobe Größe des zu fertigenden Bauteils über die Einordnung in vier Größenklassen, die Bauteilkomplexität, welche sich nach vorhandenen Hinterschneidungen bemisst, das finanzielle Projektvolumen, die Stückzahl und die Angabe, ob das herzustellende Bauteil einen funktionalen oder visuellen Einsatzzweck erfüllen soll. Ergebnis der Auswertung ist eine Bewertung auf der einer Skala von 0 bis 100 %.

2.5 Potentialbewertung, Bauteilauswahl und Entscheidungsunterstützung

43

Die Firma 3yourmind, welche ebenfalls als Vermittlungsdienstleister aktiv ist (siehe auch Kapitel 2.2.4), bietet ein Softwarewerkzeug zur Identifizierung von Bauteilen für die additive Fertigung am Markt an [8]. Die Software ermöglicht die Analyse von Bestandsdaten zu Bauteilen, wie sie beispielsweise in einem Enterprise-Resource-Planning (ERP)-System hinterlegt sein können. Die Bewertung der Bauteile erfolgt anhand von wirtschaftlichen und technischen Kriterien. Dazu gehören unter anderem Stückzahl, Kosten, Durchlaufzeit sowie Bauteilgröße und Verwendungszweck. Details zur Funktionsweise der Algorithmen sind nicht veröffentlicht. Ein automatischer Kostenvergleich zwischen verschiedenen Fertigungsverfahren sowie eine Einbeziehung von Optimierungspotentialen ist nicht Bestandteil des angebotenen Softwarewerkzeugs. Die VDI-Richtlinie 2225 zum technisch-wirtschaftlichen Konstruieren beschreibt zur vergleichenden Beurteilung von Konstruktionsentwürfen zu einem Produkt ein Vorgehen zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung [218]. Die technische Bewertung erfolgt anhand einer Punktbewertung der Entwürfe durch Mitarbeiter aus Konstruktion, Fertigung und möglicherweise weiteren Unternehmensbereichen. Die Punktbewertung richtet sich nach der Erfüllung von Bewertungsmerkmalen, welche Anforderungen und Wünsche an das Produkt sowie technische Eigenschaften umfassen. Sie werden in Absprache mit dem Auftraggeber festgelegt. Die wirtschaftliche Bewertung erfolgt anhand einer Ermittlung der Herstellkosten. Die Herstellkosten sind nach VDI-Richtlinie 2225 Blatt 3 für die wirtschaftliche Bewertung wesentlich und können dafür als alleiniges Kriterium benutzt werden. Die Betrachtung bestehender Ansätze zur Potentialbewertung, Bauteilauswahl und Entscheidungsunterstützung zeigt, dass deren Anwendung hohen Aufwand und vielfach Expertenwissen über additive Fertigungsverfahren erfordert. In dieser Arbeit wird daher eine über eine webbasierte Schnittstelle zugängliche und möglichst automatisierte Methodik zur Potentialbewertung im Rahmen einer Bauteilsichtung und -selektion entwickelt (siehe Kapitel 7).

3 Aufgabenstellung Ausgehend vom Stand der Technik und Wissenschaft wird der Forschungsbedarf aufgezeigt, auf welchem sich die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit gründet. Aus dem Forschungsbedarf leiten sich Zielsetzung und Vorgehensweise ab. Das Kapitel schließt mit einer Übersicht und Einordnung der Arbeit in die Prozesskette der additiven Fertigung.

3.1 Forschungsbedarf Zunächst werden die wesentlichen Anforderungen an eine Methodik zur Potentialerschließung erarbeitet. Darauf basierend werden zur Ermittlung des Forschungsbedarfs bestehende wissenschaftliche Arbeiten und kommerzielle Systeme analysiert.

3.1.1 Anforderungen Nach DIN EN ISO 9241 definiert sich die Gebrauchstauglichkeit (engl. Usability) eines Produktes oder Systems als Ausmaß, in welchem dieses in einem Nutzungskontext zur Erreichung bestimmter Ziele effektiv, effizient und zufriedenstellend genutzt werden kann [3]. Effektivität beschreibt die Genauigkeit und Vollständigkeit, mit welcher der Benutzer ein bestimmtes Ziel erreicht. Effizienz umfasst den notwendigen Aufwand, um ein Ziel zu erreichen. Zufriedenstellung meint die Freiheit von Beeinträchtigung und eine positive Einstellung gegenüber der Nutzung des Produktes. Eine Analyse bestehender Arbeiten zur Angebotskalkulation zeigt, dass sich die Anforderungen an Kalkulationssystemen vor allem aus dem Bedarf nach einer genauen, aufwandsarmen und transparenten Angebotserstellung ergeben [16,30,46,67,202]. Eine Kalkulation sollte möglichst genau sein, da zum einen sichergestellt werden muss, dass die tatsächlich anfallenden Kosten gedeckt werden, und zum anderen keine zu hohen Preise die Wettbewerbsfähigkeit gefährden. Die Forderung nach einer aufwandsarmen Kalkulation ergibt sich aus oftmals kurzfristig zu beantwortenden Kundenanfragen und der hohen Quote von Angeboten, welche nicht zu Aufträgen führen [67]. Darüber hinaus sollten Angebote zur Preisargumentation gegenüber dem Kunden möglichst transparent, also nachvollziehbar, sein [202].

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_3

46

3 Aufgabenstellung

Diese Anforderungen lassen sich auf Methoden der Potentialbewertung übertragen (siehe dazu auch Kapitel 1). Diese sollten in der Anwendung ebenfalls möglichst aufwandsarm, aber dennoch genau und für den Nutzer nachvollziehbar sein. Im Rahmen einer Bauteilsichtung und -selektion muss häufig eine große Menge an Bauteilen in kurzer Zeit verarbeitet werden. Die Ergebnisse sollten dabei hinreichend genau sein, um die Bauteile zu identifizieren, für welche eine additive Fertigung geeignet und wirtschaftlich ist. Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik ist mit dem prototypisch implementierten Softwaresystem Bestandteil der Bionic Smart Factory 4.0, einem Fabrikkonzept zur zukunftsgerechten Produktion additiv hergestellter Produkte. Daher ist eine weitere wesentliche Anforderung an das System die Fähigkeit in vernetzten Industrie 4.0-Umgebungen eingebunden werden zu können. In dieser Arbeit wird dazu die Lösung einer cloudbasierten Plattform angestrebt. Diese macht die implementierten Dienste über das Internet zugänglich und bietet die Möglichkeit, weitere Services, z. B. zur Bauteiloptimierung oder Datenvorbereitung, zu integrieren oder anzubinden.

3.1.2 Wissenschaftliche Arbeiten Eines der ausschlaggebenden Argumente für die Einführung einer neuen Fertigungstechnologie sind wirtschaftliche Vorteile gegenüber bisherigen Fertigungsverfahren [126]. Additive Fertigungsverfahren eröffnen hohe geometrische Freiheiten in der Gestaltung von Bauteilen. Dies ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung komplexer Produktgeometrien und optimierter Bauteilstrukturen, z. B. zum Leichtbau [93, 126]. Trotzdem sind bestimmte Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien bei additiver Fertigung zu beachten. Werkstoffspezifische Konstruktionsrichtlinien wurden bereits für verschiedene additive Fertigungsverfahren entwickelt (siehe Kapitel 2.4.4). Eine automatisierte Überprüfung von Konstruktionsrichtlinien und Fertigungsrestriktionen auf Basis des STL-Formats, welches sich als Industriestandard in der additiven Fertigung etabliert hat, ist bisher nicht in Veröffentlichungen zu finden. Erste sehr eingeschränkte Ansätze finden sich in kommerziellen Systemen, allerdings ohne entsprechende Publikationen zur Funktionsweise (siehe Kapitel 3.1.3). Für additive Fertigungsverfahren wurden in der Vergangenheit bereits zahlreiche Kostenmodelle entwickelt (siehe Kapitel 2.3.2). Die Anwendung hinreichend genauer Kostenmodelle setzt allerdings Wissen über die Fertigung voraus, welches zum Zeitpunkt der Angebotserstellung nicht vollständig vorhanden ist. So werden beispielsweise die endgültige Aufbauorientierung im Bauraum, die Zusammenstellung des Baujobs sowie erforderliche Supportstrukturen erst in der Datenvorbereitung festgelegt. Bei Webanwendungen liegt das Limit zur Auf-

3.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

47

rechterhaltung der Aufmerksamkeit des Benutzers bei ca. 10 Sekunden [161]. Somit sind bisherige Kostenmodelle, welche eine nahezu vollständige Datenvorbereitung erfordern, nicht für eine automatische Angebotskalkulation innerhalb einer Webapplikation geeignet. Methoden zur Potentialbewertung und Bauteilauswahl sind Teil bestehender Literatur (siehe Kapitel 2.5). Vereinzelte Arbeiten beinhalten einen Kostenvergleich zu den Konkurrenzverfahren Zerspanung und Guss sowie eine Bewertung des Leichtbaupotentials. Allerdings erfordert die Anwendung der Methoden hohen und häufig manuellen Aufwand unter Verwendung zahlreicher Softwareprogramme und häufig Expertenwissen. Dies ist insbesondere bei einer großen Menge an gegebenen Bauteilen und der Forderung nach einer schnellen Selektion der für eine additive Fertigung wirtschaftlich und technisch geeigneten Bauteile ein Problem. Eine integrierte, weitestgehend automatisierte Methodik zur Bauteilbewertung, welche über eine webbasierte Schnittstelle bedient werden kann und ausgehend von einer konventionellen Bauteilgeometrie im STL-Format sowohl Kosten, Optimierungspotentiale und Fertigungsrestriktionen berücksichtigt sowie eine unmittelbare Beauftragung der Fertigung ermöglicht, ist nicht Teil bisheriger Publikationen.

3.1.3 Kommerzielle Systeme Eine Analyse bestehender kommerzieller Systeme (siehe Kapitel 2.2.4, 2.3.2, 2.4.4, 2.5) zeigt, dass die Entwicklung cloudbasierter Plattformen in der additiven Fertigung, insbesondere zur Auftragsannahme, Teil aktueller Bestrebungen der Industrie ist. Erste Systeme beinhalten eine automatisierte Angebotskalkulation und eine Überprüfung der Bauteilgeometrie auf Herstellbarkeit. Die Überprüfung beschränkt sich üblicherweise auf die Größe des Bauteils und Wandstärken. Wissenschaftliche Arbeiten zur Funktionsweise der Algorithmen sind nicht veröffentlicht. Eine integrierte Bewertung des Potentials, welches durch ein Redesign mit Optimierung der Bauteilgeometrie erreicht werden kann, ist nicht Bestandteil bestehender Systeme. Dies bestätigt den identifizierten Forschungsbedarf nach einer Methodik zur Potentialerschließung, welche neben Kosten und Fertigungsrestriktionen auch Optimierungspotentiale berücksichtigt und in einem Gesamtsystem integriert.

3.2 Zielsetzung und Vorgehensweise Aus den Defiziten bisheriger wissenschaftlicher Publikationen und kommerzieller Systeme leitet sich die Zielsetzung der Arbeit einer effizienten, effektiven, nachvollziehbaren und cloudbasierten Methodik zur Potentialerschließung in der

48

3 Aufgabenstellung

additiven Fertigung ab. Auf Grundlage von technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten beinhaltet diese eine Kalkulation von Herstellkosten bei Berücksichtigung von Potentialen einer Bauteiloptimierung und fertigungstechnischen Restriktionen. Weiterhin sollte eine integrierte Einbindung der Auftragsabwicklung vorhanden sein, um für Bauteile mit hohen Potentialen die Fertigung einleiten zu können. Die Zielsetzung lässt sich in folgende Teilziele gliedern, die zugleich die Vorgehensweise der Arbeit bilden: • Eine automatisierte Überprüfung von Bauteilen analysiert diese auf Konstruktionsrichtlinien und Fertigungsrestriktionen in der additiven Fertigung basierend auf STL-Daten ohne weitere Zusatzinformationen (Kapitel 4). Dazu ist zunächst eine Auswahl an geeigneten Restriktionen und Richtlinien zu treffen. Die Überprüfung auf Herstellbarkeit findet sowohl in der Auftragsannahme als auch in der Bauteilselektion Anwendung. • Eine geometriebasierte Vorkalkulation für SLM, welche sowohl zur Kostenermittlung als auch zur Angebotserstellung genutzt werden kann, berechnet möglichst schnell und genau die Kosten, bevor die eigentliche Arbeits- und Datenvorbereitung vorgenommen wird (Kapitel 5). Fertigungsparameter, wie beispielsweise Aufbauorientierung und -höhe sowie Zusammenstellung der Baujobs, sind zum Kalkulationszeitpunkt nicht vollständig bekannt. Diese müssen daher im Rahmen der Kalkulation möglichst genau abgeschätzt werden. • Eine webbasierte Bewertungsmethodik von Optimierungspotentialen verfolgt einen analytischen Ansatz und basiert auf der integrierten Durchführung einer FEM-Berechnung (Kapitel 6). So soll eine effiziente, effektive und nachvollziehbare Anwendung gewährleistet werden. Diese fokussiert sich auf die Abschätzung von potentiellen Gewichtsreduktionen durch Leichtbau und Funktionsoptimierung. • Eine integrierte Bauteilsichtung und -selektion, welche eine Vergleichskalkulation zu den Konkurrenzverfahren Zerspanung und Guss ermöglicht und gleichzeitig Potentiale und Restriktionen der additiven Fertigung berücksichtigt, führt die oben genannten Entwicklungen zu einer umfassenden Methodik zusammen (Kapitel 7). Die Kostenkalkulation findet dabei zu einem Zeitpunkt statt, zu welchem der exakte fertigungstechnische Ablauf mit allen Einflussgrößen nicht vollständig bekannt ist. Ähnlich zur Angebotskalkulation muss daher eine möglichst genaue Prognose erfolgen. • Die Umsetzung als cloudbasierter Dienst (Kapitel 8) erlaubt die Integration in eine vernetzte Produktion im Sinne der Industrie 4.0 und legt somit die Basis für eine selbststeuernde Auftragsabwicklung (siehe auch BSF 4.0 in Kapitel 1.2). Die prototypische Implementierung unterstützt die direkte Auftragsabwicklung über eine webbasierte Auftragsannahme, eine Verwal-

3.3 Einordnung in die Prozesskette der additiven Fertigung

49

tung von Fertigungsanfragen und Bestellungen, kundenindividuelle Teilekataloge sowie ein Nachrichtensystem. Abbildung 3.1 fasst die Aufgabenstellung der Arbeit schematisch zusammen. Die entwickelten Ansätze werden im Rahmen der Arbeit anhand der Anforderungen Effizienz, Effektivität und Transparenz evaluiert (siehe Kapitel 3.1.1). Die Ergebnisse der Evaluierung sind in den jeweiligen Kapiteln aufgeführt. Zur Evaluierung werden in der Arbeit drei Teilefamilien genutzt: Versuchskörper, reale Bauteile aus der Produktion eines Fertigungsdienstleisters und Strukturbauteile aus dem Flugzeugbau. Cloudbasierte Plattform CAD-Dateiupload

Arbeitsund Datenvorbereitung

Additive Fertigung

Automatisierte Analyse und Auswertung der Geometriedaten „ Prüfung auf Ferti-

gungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien „ Angebotskalkulation

Nachbearbeitung

Auslieferung

Cloudbasierte Auftragsabwicklung

„ Auftragsannahme „ Verwaltung von

Fertigungsanfragen und Bestellungen

„ Potentialbewertung

„ Kundeneigener

„ Bauteilsichtung und

OnlineTeilekatalog

-selektion

„ Nachrichten-

system

Abbildung 3.1: Einordnung und Übersicht der Aufgabenstellung

3.3 Einordnung in die Prozesskette der additiven Fertigung Zunächst werden die Prozesskette der additiven Teilefertigung zur industriellen Herstellung von Bauteilen mit Endfunktionalität und die im Unternehmen benötigten Ressourcen am Beispiel von SLM analysiert. Dies dient der Einordnung der Arbeit in die Gesamtprozesskette und als Grundlage für die entwickelte Kalkulation mit einer möglichst vollständigen Kostenermittlung (siehe Kapitel 5). Nach Wiendahl lässt sich ein Produktionsunternehmen gliedern in die Funktionen: Beschaffung, Produktion mit Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Montage sowie Vertrieb [229]. Diese werden begleitet und beeinflusst von Unternehmensführung, Rechnungswesen und Qualitätssicherung.

50

3 Aufgabenstellung

Abbildung 3.2 geht von dieser Grobeinteilung der Unternehmensfunktionen aus. Da in dieser Arbeit der Fokus auf der Teilefertigung liegt, wird eine mögliche Montage nicht weiter betrachtet. Zu Beginn der Auftragsabwicklung steht der Vertrieb, welcher auf Basis einer Kundenanfrage eine Prüfung des zu fertigenden Bauteils oder Auftrags vornimmt und ein Angebot kalkuliert. Bei der Einführung additiver Fertigungsverfahren geht dem häufig eine Auswahl geeigneter Bauteile im Rahmen einer Bauteilsichtung und -selektion voraus. Die Beschaffung untergliedert sich in Einkauf und Wareneingangslager. Der Einkauf ist vor allem für die Versorgung mit Rohmaterial, Betriebsstoffen und Betriebsmitteln zuständig. In Konstruktion und Entwicklung wird das Bauteil den Kundenanforderungen entsprechend neu konstruiert oder ein gegebenes Bauteil unter Berücksichtigung der additiven Fertigung umgestaltet. Durch die hohe Gestaltungsfreiheit, welche additive Fertigungsverfahren ermöglichen, findet im Rahmen der Konstruktion in der Regel eine Strukturoptimierung statt [55, 197]. Die sich ergebenden Designvarianten des Bauteils werden in eine finale Konstruktion unter Berücksichtigung von Konstruktionsrichtlinien überführt. Die Arbeitsvorbereitung übernimmt die Aufgaben der Arbeitsplanung und -steuerung. Die Arbeitsplanung umfasst alle einmaligen Planungsmaßnahmen, welche zur Fertigung eines Erzeugnisses notwendig sind [229]. Dazu gehört vor allem die Erstellung des Arbeitsplans, welcher die zur Fertigung erforderlichen Vorgangsfolgen beschreibt. Dabei werden die auszuführenden Nachbearbeitungsschritte festgelegt. Weiterhin beinhaltet die Arbeitsplanung die Erstellung von Steuerprogrammen und die Konstruktion von Vorrichtungen. Im Fall einer additiven Fertigung umfasst dies insbesondere die Datenvorbereitung für den Generierprozess und die NC-Programmierung für Maschinen in der Vorbereitung und Nachbearbeitung, z. B. zum Fräsen von Bauplattformen und Funktionsflächen oder zum Drahterodieren. Die Arbeitssteuerung, welche häufig auch unter dem Begriff Produktionsplanung und -steuerung geführt wird, umfasst alle Maßnahmen zur termin- und kapazitätsgerechten Abwicklung der Aufträge gemäß den in der Arbeitsplanung festgelegten Abläufen [229]. Die Fertigung lässt sich grundsätzlich zweiteilig gliedern: in den Generierprozess, der eine Vor- und Nachbereitung erfordert, und die Nachbearbeitung. Abhängig vom Produkt ist eine Vielzahl von Nachbearbeitungsverfahren möglich. Dazu sei an dieser Stelle auf die VDI-Richtlinie 3405 und weiterführende Literatur verwiesen [155, 220]. Im Rahmen dieser Arbeit wird sich auf die üblichen in Abbildung 3.2 genannten Nachbearbeitungsverfahren bezogen (siehe auch Kapitel 2.1.5). Am Ende der Prozesskette steht die Auslieferung an den Kunden. Eine Zwischenlagerung im Warenausgangslager ist möglich. Die Prozesskette für SLS unterscheidet sich von der für SLM vor allem durch die Vermeidung von Supportstrukturen und dadurch bedingte geringe Aufwände in der Vorbereitung und Nachbearbeitung.

3.3 Einordnung in die Prozesskette der additiven Fertigung

51

Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Methodik zur Potentialerschließung ordnet sich vor allem in der Unternehmensfunktion des Vertriebs ein. Sie unterstützt den Vertrieb durch eine automatisierte Geometrieprüfung, Angebotskalkulation, Potentialbewertung und Teileauswahl auf Basis einer Vergleichskalkulation. Die entwickelte cloudbasierte Plattform ermöglicht eine unmittelbare Beauftragung durch den Kunden und unterstützt die weitere Auftragsabwicklung entlang der Prozesskette durch diverse Verwaltungs- und Nachrichtenfunktionen.

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3 Aufgabenstellung Bauteilauswahl

Vertrieb

Prüfung Angebotskalkulation

• Prüfung auf Herstellbarkeit und technische Lösungsfindung • Kalkulation und Preisbildung

Einkauf

• Pulver, Betriebsstoffe und Betriebsmittel bestellen

Eingangslager

• Pulver, Betriebsstoffe und Betriebsmittel einlagern

Beschaffung

Vorbereitung

Konstruktion und Entwicklung

• Bauteilsichtung und –selektion mit Potentialbewertung und Vorkalkulation

Optimierung

Unternehmensführung, Rechnungswesen, Qualitätssicherung

Konstruktion

Arbeitsplanung

SLM-Datenvorbereitung

Arbeitsvorbereitung Vorbereitung der Nachbearbeitung Arbeitssteuerung

• Anforderungen aufnehmen • Zielfunktion und Randbedingungen, wie Kräfte, Lagerungen und Bauraum, festlegen • Bauteiloptimierung durchführen • Interpretation der Optimierungsergebnisse • Finite-Elemente-Analyse • Finale Konstruktion unter Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien • Arbeitsplan erstellen mit Vorgangsfolgen und Vorgabezeiten • Bauraumszene laden • Teile im Bauraum anordnen:  STL-Import mit Triangulation  STL-Daten überprüfen und reparieren  Ausrichtung festlegen  Supports setzen • Belichtungsparameter zuweisen und Schichtdaten erzeugen • NC-Programmierung der Steuerungsprogramme für Maschinen zur Nachbearbeitung • Konstruktion und Fertigung von Fertigungseinrichtungen und Prüfmitteln • Produktionsplanung und -steuerung mit Terminund Kapazitätsplanung zur Abwicklung der Arbeitsplanung

SLM-Vorbereitung

• Bauplattform planfräsen und sandstrahlen • Pulver sieben • Maschineneinstellungen festlegen • Bauplattform einsetzen • Vorwärmen • Justieren • Fluten mit Schutzgas

SLM-Generierung

• Bauplattform absenken • Beschichtung • Belichtung

Fertigung SLM-Nachbereitung

Nachbearbeitung

Ausgangslager

• Pulver entfernen • Bauplattform mit Bauteilen entnehmen • Maschine reinigen • Wärmebehandlung, z. B. Spannungsarmglühen • Drahterodieren zum Trennen der Bauteile von der Bauplattform • Supportstrukturen entfernen • Sand- oder Glasperlenstrahlen • Funktionsflächen bearbeiten, z. B. Fräsen • Bauteile ins Ausgangslager geben

Auslieferung Versand

• Bauteile versenden

Abbildung 3.2: Prozesskette zur Teilefertigung mittels SLM entlang der Unternehmensfunktionen und deren Untergliederung in Subprozesse

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien Die additive Fertigung ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren hohe Freiheitsgrade in der Konstruktion und bei der Gestaltung von Bauteilen. Trotzdem müssen bestimmte Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien eingehalten werden, um einen stabilen und fehlerfreien Produktionsablauf zu gewährleisten. Sowohl im Rahmen einer automatisierten Auftragsannahme als auch zur Bauteilsichtung ist daher eine integrierte Analyse und Prüfung eines Bauteils auf bestehende Restriktionen und Richtlinien ein notwendiger Schritt. Basierend auf einer Vorauswahl von bestehenden Konstruktionsrichtlinien für SLM und SLS werden in diesem Kapitel verschiedene Algorithmen für eine automatisierte Überprüfung der Bauteilgeometrie entwickelt und evaluiert. Die Bauteilgeometrie wird durch den Kunden oder Nutzer über ein Webformular als STL- oder CAD-Datei zur Verfügung gestellt (siehe Abbildung 4.1). In diesem Zusammenhang soll eine automatisierte Überprüfung auf grundlegende Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien vorgenommen werden, um Aussagen über die potentielle Herstellbarkeit des Bauteils zu treffen. Durch diese Automatisierung der Auftragsannahme können Aufträge für Bauteile, welche mit der vorliegenden Geometrie nicht oder nur fehlerhaft herstellbar wären, direkt herausgefiltert werden. Neben der Auftragsannahme werden die implementierten Überprüfungsalgorithmen auch in der Sichtung und Selektion von Bauteilen genutzt (siehe Kapitel 7). Dort wird entschieden, ob eine Umgestaltung der Konstruktion erforderlich ist oder das Bauteil in seiner gegebenen konventionellen Geometrie additiv hergestellt werden kann. Ziele der beschriebenen Entwicklungen sind eine möglichst hohe Effizienz, Genauigkeit und Transparenz. Durch Automatisierung soll der zeitliche Aufwand für die Durchführung einer Überprüfung, welche bisher üblicherweise durch manuelle Sichtung eines Experten vorgenommen wird, erheblich reduziert werden. Zudem erfordert die Integration in eine Webapplikation einen schnellen Durchlauf der Algorithmen. Dabei sollen möglichst alle im Rahmen der überprüften Restriktionen und Richtlinien als kritisch einzustufenden Bauteilstrukturen erkannt werden. Die Ergebnisse der Prüfung können nach Durchlauf durch den Nutzer eingesehen werden, um die Konstruktion entsprechend korrigieren und fertigungsgerecht umgestalten zu können. Bei Umgestaltung des Bauteils durch den anbietenden Fertigungsdienstleister erleichtert eine transparente Darstellung die Kommunikation zum Kunden.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_4

54

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

Abbildung 4.1: Formular zum Hochladen eines Bauteils im Rahmen der Auftragsannahme über die Cloud-Plattform

4.1 Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien Zum einheitlichen Verständnis werden die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Begriffe Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien wie folgt definiert: Definition 4.1: Fertigungsrestriktionen

Fertigungsrestriktionen beschreiben Restriktionen eines Fertigungsprozesses oder einer Fertigungstechnologie, die verhindern, dass ein Bauteil mit seiner gegebenen Geometrie gefertigt werden kann. Ein typisches Beispiel für eine Fertigungsrestriktion von SLM ist die Größe des Bauraums. Damit ein Bauteil mittels SLM hergestellt werden kann, muss es räumlich in den Bauraum einer Generieranlage passen.

4.1 Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

55

Definition 4.2: Konstruktionsrichtlinien

Konstruktionsrichtlinien sind Empfehlungen für den Konstrukteur, welche in der Konstruktions- und Arbeitsvorbereitungsphase berücksichtigt werden sollten, um einen möglichst fehlerfreien und stabilen Produktionsprozess zu gewährleisten und die gewünschten Qualitäten, z. B. Form- und Lagetoleranzen, zu erreichen. Typische Beispiele für Konstruktionsrichtlinien für SLM sind Wandstärken und Spaltmaße, die für einen fehlerfreien Prozessdurchlauf nicht unter bestimmte Grenzwerte fallen sollten. Konstruktionsrichtlinien können auch Hinweise für eine wirtschaftliche Fertigung beinhalten. Wie bereits beschrieben, sind trotz der hohen Gestaltungsfreiheit, welche die additive Fertigung ermöglicht, bestimmte Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien zu berücksichtigen, um einen stabilen Prozessdurchlauf zu gewährleisten und geforderte Qualitäten einzuhalten (siehe Abbildung 4.2 von fehlerhaft aufgebauten Versuchskörpern). In der jüngsten Forschung wurden daher verfahrens- und materialspezifische Richtlinienkataloge entwickelt [9, 10, 62, 112, 222,225]. Basisangaben, wie beispielsweise minimale Wandstärken, sind teilweise auch in Materialdatenblättern, welche von den Maschinenherstellern veröffentlicht werden, zu finden [59, 60, 61].

Wandungen

Spalte

Bohrlöcher

Zylinder

Abbildung 4.2: Fehlerhaft aufgebaute Versuchskörper aus TiAl6V4, ausschnittsweise Darstellung

Um diejenigen Konstruktionsrichtlinien auszuwählen, für welche eine automatisierte Überprüfung auf Basis von STL-Daten möglich wäre, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit bisherige Richtlinienkataloge für SLM und SLS analysiert. Kriterien zur Auswahl geeigneter Richtlinien für eine Automatisierung sind die zur Überprüfung notwendigen und zur Verfügung stehenden Informationen sowie die Komplexität einer möglichen Umsetzung. So werden Konstruktionsrichtlinien, die auf einer festgelegten Ausrichtung des Bauteils im Bauraum basieren, nicht berücksichtigt, da zum Zeitpunkt der Prüfung die tatsächliche Ausrichtung nicht bekannt ist. Richtlinien, welche aufgrund ihrer Komplexität eine manuelle Prüfung erfordern, werden ebenfalls nicht weiter für eine Automatisierung vorgesehen. Tabelle 4.1 zeigt in der Übersicht die im Ergebnis ausgewählten Richtlinien. Für diese wird eine automatisierte Analyse und Prüfung entwickelt.

56

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

Tabelle 4.1: Übersicht der ausgewählten Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien zur automatisierten Überprüfung, schematische Darstellungen aus [112] Richtlinie

Darstellung

Beschreibung

Abmessungen Abmessungen

Das Bauteil muss in den Bauraum der Generiermaschine passen. Möglicherweise muss dieses passend ausgerichtet werden.

Wanddicken und Zylinderdurchmesser

Wanddicken

Wanddicken sollten einen bestimmten Grenzwert nicht unterschreiten, um einen sicheren und fehlerfreien Aufbau zu gewährleisten. Der Grenzwert kann von der Ausrichtung bzw. dem Winkel zur Bauplattform abhängen.

Zylinderdurchmesser

Der Durchmesser von zylindrischen Strukturen sollte für einen fehlerfreien Aufbau einen Grenzwert nicht unterschreiten.

Löcher und Spaltmaße

Löcher bzw. Bohrungen

Um Pulveranhaftungen zu vermeiden, sollten Löcher einen bestimmten Durchmesser nicht unterschreiten. Ab einem Grenzwert sollten die Löcher durch Supports gestützt werden.

Spaltmaße

Um Verschmelzungen innerhalb des Bauteils und Pulveranhaftungen zu vermeiden sowie die spätere Entfernung von Pulver zu erleichtern, sollten Spaltmaße bestimmte Grenzwerte nicht unterschreiten.

Die Grenz- bzw. Schwellenwerte, welche ein Bauteil als nicht aufbaubar einstufen, sind materialabhängig. Es bietet sich daher an, diese als Parameter der Überprüfungsroutinen zu implementieren und somit frei konfigurierbar zu halten. Die Algorithmen sind so für verschiedene Materialien und Verfahren anwendbar. Beispielhaft für die Materialien Polyamid PA12 mit Verarbeitung durch SLS und Titan TiAl6V4 mit Verarbeitung durch SLM sind die in der Literatur zu findenden Grenzwerte in Tabelle 4.2 dargestellt. Der Aufbau eines Bauteils kann fehlerhaft verlaufen, wenn die angegebenen Grenzwerte nicht durch die Geometrie des Bauteils eingehalten werden. Für den Fall, dass ein aus der Bauteilgeometrie ermittelter Wert also unter einen angegebenen Grenzwert fällt, ist die Herstellbarkeit des Bauteils als kritisch einzuordnen. Die Algorithmen arbeiten zur Überprüfung bzw. Analyse auf den STL-Daten eines Bauteils. Dies ermöglicht, dass die Algorithmen auch auf CAD-Daten, wie beispielsweise STEP, angewendet werden können, indem diese zuvor in STL konvertiert werden. Voraussetzung für eine korrekte Funktionsweise der Algorithmen ist eine möglichst fehlerfreie STL-Datei. Das bedeutet, dass das Netz möglichst keine Löcher oder Überlappungen aufweisen sollte und die Normalen

4.2 Größenüberprüfung

57

Tabelle 4.2: Grenzwerte der Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien für PA12 und TiAl6V4, Werte entnommen aus [112, 225] Richtlinie

Polyamid (PA12)

Titan (TiAl6V4)

abhängig vom Bauraum der Maschine

abhängig vom Bauraum der Maschine

Abmessungen

Abmessungen

Wanddicken und Zylinderdurchmesser Wanddicken

0,5 bis 0,7 mm

0,3 bis 0,4 mm

Zylinderdurchmesser

1,4 mm

0,5 mm

Löcher bzw. Bohrungen

1,2 bis 1,4 mm

2 mm

Spaltmaße

0,4 bis 0,9 mm

0,2 mm

Löcher und Spaltmaße

nach außen zeigen sowie senkrecht zur Dreiecksebene stehen. Eine Reparatur von STL-Dateien ermöglicht z. B. das frei verfügbare Kommandozeilenprogramm ADMesh [141, 142]. Die Implementierung der Überprüfungsalgorithmen erfolgte in Java, unter Nutzung von Java3D und der Bibliothek j3d.org zum Einlesen der STL-Dateien [38]. Die Visualisierung der Bauteile und der erkannten kritischen Strukturen wurde in JavaScript und WebGL implementiert. Im Folgenden werden die entwickelten Überprüfungsalgorithmen im Detail erläutert.

4.2 Größenüberprüfung Eine Fertigungsrestriktion, welche grundlegend darüber entscheidet, ob sich ein Bauteil additiv herstellen lässt, ist dessen Größe. Bauteilabhängig ist es unter Umständen möglich, ein Bauteil in kleinere Teile zu zerlegen, die Teile einzeln additiv zu fertigen und diese später zu fügen. Allerdings würde dies eine mit Aufwand verbundene Anpassung der Konstruktion erfordern, die mit dem Auftraggeber abzuklären wäre. Zur Überprüfung, ob ein Bauteil räumlich in den Bauraum einer Generiermaschine passt und somit anhand der Abmessungen grundsätzlich herstellbar wäre, werden mehrere Ansätze vorgestellt. Der erste Ansatz nutzt die exakte Bauteilgeometrie mittels der durch das STL gegebenen Punktwolke. Der zweite Ansatz arbeitet auf der Bounding Box eines Bauteils und kann als Approximation eingeordnet werden. Der dritte Ansatz nutzt zur Größenprüfung eine Kugel, welche den garantiert aufbaubaren Bereich beschreibt. Basierend auf diesen drei Grundalgorithmen können durch Kombination und Hintereinanderausführung erweiterte Ansätze entwickelt werden.

58

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

4.2.1 Komplette Punktwolke In diesem Ansatz wird zur Überprüfung, ob ein Bauteil in einen vorgegebenen Bauraum passt, die komplette STL-Datei eines Bauteils genutzt. Dazu wird die durch das STL gegebene Punktwolke systematisch rotiert bis eine in den Bauraum passende Ausrichtung gefunden wird, sodass die räumlichen Grenzen des Bauraums nicht überschritten werden. Der Algorithmus folgt dabei dem in Abbildung 4.3 dargestellten Ablauf. Das Pre-Processing im zweiten Schritt schließt dabei Duplikate, also doppelt oder sogar mehrfach vorkommende Punkte, von der durchzuführenden Überprüfung aus, um unnötige doppelte Berechnungen zu vermeiden und so Rechenzeit einzusparen. Punktduplikate können durch Redundanzen im STL-Format auftreten (siehe Kapitel 2.2.1.1). Aufgrund der Zentrierung des Bauteils und der Spiegelsymmetrie des Bauraums ist eine Rotation im Bereich von 0◦ bis 90◦ ausreichend. Die Genauigkeit der Lösung hängt von der konfigurierbaren Winkelschrittweite ab. 1. Zentrierung des Bauteils anhand dessen Bounding Box und des Bauraums im Ursprung (0,0,0). 2. Berechnung oder Selektion der zu überprüfenden Punkte (Pre-Processing).

3. Bildung einer Rotationskombination (Dx,Dy,Dz) um die X-, Y- und Z-Achse mit einer festgelegten Winkelschrittweite D: Dx = Dx + D, solange 0 ≤ Dx ≤ S/2 Dy = Dy + D, solange 0 ≤ Dy ≤ S/2 Dz = Dz + D, solange 0 ≤ Dz ≤ S/2 4. Durchführung der Rotation um die in 3. festgelegte Winkelkombination und Überprüfung, ob alle Punkte im Bauraum liegen. Falls ein Punkt außerhalb des Bauraums liegt, gehe zu 3. und prüfe eine weitere Rotation. Falls alle Punkte im Bauraum liegen, wurde eine passende Ausrichtung gefunden und der Algorithmus kann abgebrochen werden. 5. Abbruch des Algorithmus, da keine in den Bauraum passende Ausrichtung gefunden wurde.

Abbildung 4.3: Routine zur Größenüberprüfung

Die Laufzeit des Algorithmus ist hauptsächlich abhängig von der Anzahl an durchzuführenden Rotationen und der Anzahl an zu überprüfenden Punkten pro Rotation. Im Worst Case werden alle konfigurierten Rotationskombinationen durchlaufen und pro Rotation alle Dreieckspunkte geprüft. Die Komplexität ist in der Informatik ein Maß für das Verhalten von Algorithmen in Bezug auf deren Ressourcenbedarf, unter anderem Zeit- oder Speicherbedarf [27]. Sie beschreibt den maximalen Ressourcenverbrauch eines Algorithmus in Abhängigkeit von der Eingabelänge. Nachfolgend wird vor allem die Zeitkomplexität der entwickelten Algorithmen betrachtet.

4.2 Größenüberprüfung

59

Der ausschlaggebende Faktor für die Komplexität des beschriebenen Algorithmus ist die Anzahl der Eingabepunkte in der gegebenen STL-Datei. Bei Verdopplung der Eingabepunkte, verdoppelt sich im schlechtesten Fall auch die Anzahl an auszuführenden Rechenschritten. Das bedeutet, dass der Algorithmus linear wächst. Die Komplexität ist damit O(n). Der Ansatz kann als triviale Lösung für das Problem eingeordnet werden mit der im Worst Case höchsten Laufzeit. Die nachfolgenden Ansätze versuchen die Laufzeit vor allem durch eine Verkleinerung der Menge an zu überprüfenden Punkten zu reduzieren.

4.2.2 Bounding Box Basierend auf dem in Abschnitt 4.2.1 vorgestellten Algorithmus wird in diesem Ansatz die Menge an zu prüfenden Punkten zur Effizienzsteigerung im PreProcessing eingeschränkt. Anstatt alle Punkte, die durch die STL-Datei gegeben sind, durchzuprüfen, wird die Bounding Box des Bauteils genutzt und nur die acht Eckpunkte der Bounding Box gemäß der in Abbildung 4.3 dargestellten Routine geprüft. Die zu testenden Rotationskombinationen werden also nur für die acht Eckpunkte durchgeführt. Dazu kann die Bounding Box verwendet werden, die bereits für die Zentrierung des Bauteils im Ursprung berechnet wurde. Details zur Berechnung der Bounding Box sind in Kapitel 5.2.3.1 beschrieben. Die Verwendung der Bounding Box kann zwar zu einer deutlichen Verkürzung der Ausführungsdauer führen. Da die Bounding Box allerdings nur eine Approximation der eigentlichen Bauteilgestalt darstellt und somit auch leeren Raum umfassen kann, werden möglicherweise existierende Lösungen nicht gefunden. Das bedeutet, dass eigentlich in den Bauraum passende Bauteilgeometrien und damit akzeptable Lösungen zur Bauteilausrichtung abgelehnt werden könnten. Der Algorithmus kann allerdings zur Vorselektion genutzt werden. Abgelehnte Bauteile werden nochmals mit einer genaueren Methode geprüft (siehe dazu auch Abschnitt 4.2.4). Trotz Einschränkung der Überprüfung auf die acht Punkte der Bounding Box liegt die Komplexität des Algorithmus bei O(n), da sich die Berechnung der Bounding Box linear zur Anzahl der Eingabepunkte in der gegebenen STL-Datei verhält.

4.2.3 Umgebende Kugel Während zur Größenüberprüfung die Verwendung der kompletten Punktwolke sehr rechenintensiv ist, kann die Verwendung der Bounding Box ohne eine zusätzliche Nachprüfung zu fehlerhaften Ergebnissen führen (siehe die vorangegangenen Abschnitte 4.2.1 und 4.2.2). Der hier vorgestellte Ansatz löst die

60

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

Nachteile der beiden anderen Verfahren auf, um die Größenüberprüfung sowohl effizient als auch effektiv durchzuführen. Ähnlich zum Ansatz der Bounding Box wird dazu die Menge an zu überprüfenden Punkten im Pre-Processing eingeschränkt. Es werden nur diejenigen Punkte geprüft, welche außerhalb eines minimal aufbaubaren Raums liegen. Der minimal aufbaubare Raum ist ein zu Überprüfungszwecken eingeführter, fiktiver Raum, der durch eine Kugel beschrieben wird, welche im Ursprung zentriert ist. Der Durchmesser der Kugel entspricht der Länge der kürzesten Seite des Bauraums (siehe Abbildung 4.4). Nur Punkte, welche sich außerhalb dieser fiktiv aufgespannten Kugel befinden, können auch außerhalb des eigentlichen Bauraums liegen. Alle anderen Punkte, die innerhalb der Kugel liegen, können von der Prüfung ausgenommen werden, da sie sich auf jeden Fall innerhalb des Bauraums befinden und auch bei Rotation der Bauteilgeometrie nicht in eine Position außerhalb des Bauraums fallen können. 1 Bauraum

2 Ursprung (0,0,0) 1

3 Kugelradius r = k/2 4 Kürzeste Kante des Bauraums k

3 2

4

Abbildung 4.4: Kugel zur Beschreibung des minimal aufbaubaren Raums

Im Pre-Processing wird also zunächst die kürzeste Seite des Bauraums bestimmt. Daraufhin werden aus den STL-Daten alle Punkte selektiert, deren Distanz zum Ursprung größer als der beschriebene Kugelradius ist. Dieser entspricht der Hälfte der Länge der kürzesten Seite des Bauraums. Diese Punkte sind gemäß der in Abbildung 4.3 dargestellten Routine zu prüfen. Falls im Pre-Processing festgestellt wird, dass alle Punkte innerhalb des minimal aufbaubaren Raums liegen und somit nicht geprüft werden müssen, kann der Algorithmus sofort abgebrochen werden, da das Bauteil auf jeden Fall in den Bauraum passt. Die Komplexität des Algorithmus beträgt wie bei den beiden anderen Ansätzen O(n), da im Pre-Processing alle Punkte der STL-Eingabedatei durchlaufen werden.

4.3 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien

61

4.2.4 Mehrstufige Verfahren Aufgrund der Einschränkungen der verschiedenen Ansätze zur Größenüberprüfung bieten sich zwei Möglichkeiten an, welche die drei vorgestellten Algorithmen durch Kombination zu erweiterten Verfahren ausbauen. Wie bereits beschrieben, kann die Verwendung der Bounding Box alleine zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Allerdings kann diese zur Vorselektion genutzt werden. Bauteile, welche nach der Prüfung mittels Bounding Box akzeptiert wurden, passen auf jeden Fall in den Bauraum und werden nicht weiter geprüft. Abgelehnte Bauteile werden nochmals detaillierter mit einem der anderen beiden Ansätze geprüft. Dies stellt sicher, dass ein Bauteil nicht aufgrund der Ungenauigkeit der Bounding Box abgelehnt wird. Ein weiteres mehrstufiges Verfahren ist eine Prüfung mit sich verfeinernder Winkelschrittweite. In der ersten Stufe wird mit einer festgelegten Winkelschrittweite gestartet, z. B. 30◦ . Wenn der Algorithmus feststellt, dass das Bauteil in den Bauraum passt, kann abgebrochen werden. Falls keine passende Ausrichtung gefunden werden kann, folgt ein Durchlauf mit kleinerer Winkelschrittweite, z. B. 15◦ . Dabei müssen die bereits geprüften Ausrichtungen nicht mehr durchlaufen werden. In der dritten Stufe würde eine noch kleinere Winkelschrittweite durchlaufen, z. B. 7,5◦ . Dies kann so lange durchlaufen werden, bis die Winkelschrittweite ein bestimmtes Abbruchkriterium unterschreitet. Wenn auch beim letzten Durchlauf keine in den Bauraum passende Ausrichtung gefunden wurde, wird das Bauteil als nicht herstellbar deklariert.

4.3 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien Neben den Abmessungen eines Bauteils gibt es noch eine Reihe weiterer Konstruktionsrichtlinien, welche für einen sicheren Prozessdurchlauf eingehalten werden sollten. Wie bereits in Kapitel 4.1 vorgestellt, wird sich für die automatisierte Überprüfung auf Wanddicken, Spaltmaße, Bohrloch- und Zylinderdurchmesser fokussiert. In Abschnitt 4.3.1 wird zunächst beschrieben, wie einzelne kritische Strukturen in den in Form einer STL-Datei gegebenen Geometriedaten eines Bauteils identifiziert werden. Zum Gesamtablauf der Überprüfung werden zwei Ansätze entwickelt. Beide arbeiten mit den STL-Daten des Bauteils und werden in den Abschnitten 4.3.2 und 4.3.3 im Detail vorgestellt. Während der erste Algorithmus einem Brute-Force-Ansatz folgt, schränkt die zweite Methode den Überprüfungsraum zur Effizienzsteigerung ein.

62

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

4.3.1 Erkennung kritischer Strukturen Da im STL keine Zusatzinformationen hinterlegt sind, nutzen die entwickelten Algorithmen Dreiecksabstände und Richtungen der Normalenvektoren, um kritische Strukturen zu detektieren und zu unterscheiden. Damit wird eine Art implizite Featureerkennung auf der gegebenen STL-Datei durchgeführt. Zunächst werden Algorithmen zur Erkennung von kritischen Wandungen und Spalten entwickelt. Darauf aufbauend wird auf die Identifizierung von Bohrlöchern und Zylinderstrukturen eingegangen.

4.3.1.1 Wanddicken und Spaltmaße Sowohl zur Ermittlung von Wandstärken als auch von Spaltmaßen wird der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Dreiecksfacetten berechnet. Falls der Abstand über den werkstoffspezifischen Grenzwerten (siehe Tabelle 4.2) liegt, ist der Bereich als kritisch einzuordnen. Zwei Facetten gelten als gegenüberliegend, wenn der Winkel zwischen ihren Normalen größer als ein bestimmter Grenzwert α ggb ist. Dies wird in Abbildung 4.5 für einen Winkelschwellenwert von 90◦ veranschaulicht. Der Schwellenwert ist als ein Parameter der Algorithmen frei konfigurierbar. Für eine restriktive Auftragsannahme eignet sich ein Schwellenwert von 90◦ . Weniger restriktiv mit tendenziell weniger geprüften und als kritisch eingeordneten Bereichen ist ein Winkel von annähernd 180◦ . Dabei werden nur exakt parallel gegenüberliegende Wände geprüft. Wie sich unterschiedliche Einstellungen auf die Erkennung von kritischen Bereichen auswirken, wird in Kapitel 4.4.2.2 genauer untersucht. Im STL-Format ist definiert, dass die Normale eines Dreiecks immer nach außen zeigt. Somit lässt sich bestimmen, welche Seite eines Dreiecks dem Inneren und welche dem Äußeren eines Körpers zugewandt ist. Daher erfolgt die Unterscheidung zwischen Wanddicken und Spaltmaßen anhand der Richtung der Dreiecksnormalen. Falls die Normalen der gegenüberliegenden Facetten voneinander weg zeigen, kann es sich um eine potentiell zu überprüfende Wandung handeln. Wenn die Normalen aufeinander zeigen, handelt es sich um einen potentiell zu überprüfenden Spalt. Dies wird in Abbildung 4.6 veranschaulicht. Wenn zwischen zwei gegenüberliegenden Dreiecksfacetten, deren Abstand zueinander kleiner als die minimal erlaubte Größe für Wanddicken und Spaltmaße ist, noch weitere Facetten liegen, werden diese ebenfalls in die Prüfung einbezogen und möglicherweise entsprechend als kritisch markiert. Zur Überprüfung, ob zwei gegenüberliegende Dreiecke die Grenzwerte für Wanddicken und Spaltmaße einhalten, muss der Abstand der Dreiecke zueinander ermittelt werden. Dazu wird eine von Ericson beschriebene Methode genutzt [63]. Diese ermittelt den Abstand zwischen den beiden am nächsten liegen-

63

4.3 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien

Facette2

Facette1

Facette2 Facette1

N2

N2

N1

N1 N2

D

N1 Winkel zwischen den Normalen D > 90° (Facetten liegen gegenüber)

D

N2

N1 Winkel zwischen den Normalen D ≤ 90° (Facetten liegen nicht gegenüber)

Abbildung 4.5: Veranschaulichung der Definition zweier gegenüberliegender Dreiecksfacetten

Wandung

Spalt

Abbildung 4.6: Erkennung von Wandungen und Spalten

den Punkten zweier Dreiecke. Der minimale Abstand zwischen zwei Dreiecken liegt entweder zwischen deren Kanten oder zwischen einem Eckpunkt und einem Punkt innerhalb des anderen Dreiecks. Die Methode basiert auf sechs EckpunktDreieck und neun Kante-Kante Abstandsberechnungen zwischen den zwei Dreiecken [52, 98]. Das Minimum der 15 Berechnungen bildet den kleinsten Abstand zwischen den Dreiecken. Der ermittelte Abstand wird als Überprüfungswert für die Einhaltung von Wanddicken, Spaltmaßen, Zylinder- und Bohrlochdurchmessern genutzt. Im Fall von fehlerhaften STL-Daten, z. B. mit falsch ausgerichteten oder sich schneidenden Dreiecksfacetten, wird die STL-Datei samt dieser fehlerhaften Stellen geprüft. Für die Herstellung kritische Bauteilstrukturen können also möglicherweise nicht erkannt oder fälschlicherweise als solche identifiziert werden. Wie bereits in Kapitel 4.1 beschrieben, empfiehlt sich daher eine Reparatur der STL-Datei vor der Durchführung der Konstruktionsprüfung.

64

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

4.3.1.2 Zylinder und Bohrlöcher Da sich die Grenzwerte für Zylinder und Bohrungen teilweise erheblich von denen für Wanddicken und Spaltmaße unterscheiden, z. B. bei Titan 2 mm für Bohrungen im Vergleich zu 0,2 mm für Spaltmaße (siehe Tabelle 4.2), wird die Abstandsprüfung für Zylinder und Bohrungen gesondert betrachtet. Die Überprüfung auf Zylinderdurchmesser stellt dabei einen Spezialfall der Wanddickenprüfung und die Überprüfung auf Bohrungen einen Spezialfall der Spaltmaßprüfung dar. Die Erkennung, ob es sich um eine rundliche bzw. gekrümmte Struktur handelt, erfolgt anhand der Richtungen, in welche die Normalen der umgebenden Dreiecke zeigen. Umgebende Dreiecke einer Facette sind diejenigen, welche direkt an die Facette grenzen, also mindestens ein gemeinsamer Punkt existiert. Abbildung 4.7 veranschaulicht die drei unterschiedlichen Grundfälle: gerade, konvexe und konkave Strukturen. Bei konvexen Strukturen laufen die Normalen auseinander. Bei konkaven Strukturen laufen die Normalen aufeinander zu. Damit diese rundlichen Strukturen im STL noch als solche erkannt werden, sollte der Winkel zwischen den Normalen nicht zu groß sein. Als größtmöglicher Winkel zwischen den Normalen wird in der Implementierung der Algorithmen ein Wert größer 0◦ und kleiner-gleich 11,25◦ angesetzt. Eine Facette gilt als konvex, wenn sie mit mindestens einer direkten Nachbarfacette eine konvexe Umgebung bildet und mit keiner anderen Nachbarfacette eine konkave Umgebung bilden könnte. Auf analoge Weise definieren sich konkave Umgebungen. Facette1

Facette2

Facette3 Gerade Struktur: Normalen stehen nahezu parallel zueinander Konvexe Struktur: Normalen laufen auseinander Konkave Struktur: Normalen laufen aufeinander zu

Abbildung 4.7: Unterscheidung zwischen geraden und gekrümmten Strukturen

In einem Pre-Processing wird für jede Facette anhand der oben beschriebenen Erkennung von konvexen und konkaven Strukturen berechnet, ob diese durch ihre Nachbarfacetten eine konvexe oder konkave Umgebung definiert. Dies wird nun zur Identifizierung von Zylindern und Bohrungen genutzt. Wenn zwei zu überprüfende, gegenüberliegende Facetten jeweils in einer konvexen Umgebung

4.3 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien

65

liegen und die Normalen in nahezu entgegengesetzter Richtung mit einem Winkel zwischen den Normalen von ∼ 180◦ voneinander weg verlaufen, handelt es sich um eine zylindrische Struktur. Dies veranschaulicht Abbildung 4.8. Der festgestellte Abstand wird dann mit dem minimal erlaubten Zylinderdurchmesser verglichen. In jedem anderen Fall, in dem die Normalen voneinander weg zeigen, gilt der Grenzwert für die minimale Wanddicke. Im Fall eines Bohrlochs liegen die zu überprüfenden Facetten jeweils in einer konkaven Umgebung und die Normalen verlaufen in entgegengesetzter Richtung aufeinander zu. Der festgestellte Abstand wird dann mit dem minimal erlaubten Bohrlochdurchmesser verglichen. Ansonsten gilt, wenn die Normalen aufeinander zeigen, das minimal erlaubte Spaltmaß.

Zylinder

Bohrloch

Abbildung 4.8: Erkennung von Zylindern und Bohrlöchern

4.3.2 Vollständige Überprüfung Neben der Beschreibung der Oberfläche eines Körpers über Dreiecksfacetten enthält eine STL-Datei keine weiteren Informationen oder Features, welche eine Zuordnung der Dreiecksfacetten erleichtern würde. Zur Überprüfung der Bauteilgeometrie folgt die erste Methode daher einem Brute-Force-Ansatz. Dieser überprüft die Position jeder Dreiecksfacette zu jeder anderen Facette. In jeder Einzelüberprüfung wird der Abstand und die Lage der Dreiecke zueinander über Winkel und Richtung der Normalen ermittelt. Der Ansatz kann als triviale Lösung der Konstruktionsprüfung eingeordnet werden. Die Komplexität beträgt O(n2 ), wobei n für die Anzahl an Dreiecksfacetten in der Eingabe steht. Wenn die Distanz zwischen zwei Facetten überprüft wurde, muss die Gegenrichtung nicht mehr geprüft werden. Daher liegt die Anzahl an Überprüfungsoperationen für eine Eingabelänge n bei (n·(n−1))/2.

66

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

4.3.3 Teilweise Überprüfung Jede Dreiecksfacette mit jeder anderen zu prüfen ist sehr zeit- und ressourcenintensiv. Daher wird in diesem weiterentwickelten Ansatz die Anzahl an durchzuführenden Überprüfungen reduziert. Dazu wird in einem Pre-Processing der Überprüfungsraum, welcher durch die Bounding Box (siehe 5.2.3.1) eines Bauteils beschrieben werden kann, rekursiv in kleinere, gleich große Teilräume, welche sich als Quader bzw. Boxen darstellen, unterteilt. Jeder Teilraum speichert die in ihm liegenden oder an ihn grenzenden Facetten, die durch die STL-Datei des Bauteils gegeben sind. Die rekursive Unterteilung des Überprüfungsraums ist exemplarisch für einen Teilraum in Abbildung 4.9 dargestellt.

1

1 Überprüfungsraum (Bounding Box eines Bauteils)

2 Teil- oder Unterraum

2

Abbildung 4.9: Rekursive Unterteilung des Überprüfungsraums exemplarisch für einen Teilraum

Zur Feststellung, ob eine Facette einen Teilraum schneidet und diesem damit zugeordnet werden muss, bietet sich die Nutzung des Algorithmus von AkenineMöller für Kollisionstests an [14]. Dieser beschreibt ein effizientes algorithmisches Vorgehen basierend auf dem Separating Axis Theorem, um zu ermitteln, ob sich ein Dreieck und eine Box im dreidimensionalen Raum schneiden. Das Separating Axis Theorem besagt, dass zwei konvexe Polyeder disjunkt sind, wenn es eine Trennachse gibt. Die Trennachse steht orthogonal zu einer der Seitenflächen der Polyeder oder zu einer der Flächen, die durch eine Kante des einen Polyeders und eine Kante des zweiten Polyeders aufgespannt werden. Wenn eine solche Trennachse nicht gefunden werden kann, überlappen sich Dreieck und Box. Nach diesem Pre-Processing wird in der eigentlichen Überprüfung der Bauteilgeometrie nun für jede Facette nicht mehr der Abstand und die Ausrichtung zu jeder anderen Facette berechnet, sondern zur Überprüfung einer Facette werden nur bestimmte Teilräume genutzt. Die zu überprüfenden Teilräume einer Facette werden mittels einer Kugel ausgewählt. Die Kugel beschreibt im Dreidimensionalen einen definierten Umkreis um die zu prüfende Facette. Der Mittelpunkt

67

4.3 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien

der Kugel entspricht dem Mittelpunkt der zu prüfenden Dreiecksfacette. Die Abstands- und Lageberechnung wird nun nur für diejenigen Facetten durchgeführt, welche einem der Teilräume zugeordnet sind, die innerhalb der Kugel liegen oder von dieser geschnitten werden. Abbildung 4.10 veranschaulicht das Prinzip in einer vereinfachten zweidimensionalen Darstellung. 1 Überprüfungsraum (Bounding Box eines Bauteils)

1

2

2 Zu überprüfende Teilräume

3

3 Umkreis der Überprüfung 4 Dreiecksfacette

4

Abbildung 4.10: Unterteilung des Überprüfungsraums und Auswahl der zu überprüfenden Teilräume für eine Facette, zweidimensionale Darstellung

Der Kugelradius kann für jede Facette unterschiedlich sein und hängt von der Lage der Eckpunkte der Dreiecksfacette ab. Er wird daher für jede Dreiecksfacette individuell berechnet. Der Kugelradius ermittelt sich aus dem Abstand des Dreiecksmittelpunktes zum am weitesten entfernten Eckpunkt der Dreiecksfacette und dem Maximum der durch Richtlinien festgelegten Grenzwerte: r Pr f g = dmaxEck + gmax mit

r Pr f g dmaxEck gmax

(4.1)

Radius zur Ermittlung der zu prüfenden Teilräume für eine Facette in mm Abstand des Dreiecksmittelpunktes zum am weitesten entfernten Eckpunkt der Dreiecksfacette in mm Maximum der durch Richtlinien festgelegten Grenzwerte in mm, z. B. Bohrlochdurchmesser, werkstoffabhängig (siehe Tabelle 4.2)

In Abhängigkeit vom festgelegten Kugelradius reduziert die Methode die Anzahl an Überprüfungen im Vergleich zum Brute-Force-Ansatz erheblich. Allerdings liegt die Komplexität im Worst Case nach wie vor bei O(n2 ), z. B. bei groß gewähltem Kugelradius oder einer nur groben Unterteilung des Bauraums.

68

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

4.4 Evaluierung Die vorgenommene Evaluierung bewertet und vergleicht die vorgestellten Algorithmen zur automatisierten Konstruktionsprüfung miteinander. In Orientierung an die in Kapitel 3 definierten Anforderungen sind die Bewertungskriterien dabei vor allem die Effizienz, Effektivität und Transparenz der Algorithmen. Die Effizienz beschreibt die Wirtschaftlichkeit der Algorithmen, welche durch das Laufzeitverhalten in Abhängigkeit von der Eingabegröße ausgedrückt werden kann. Die Effektivität beschreibt die Wirksamkeit der Algorithmen, also inwieweit kritische Bereiche als solche erkannt werden oder nicht-kritische Bereiche fälschlicherweise als kritisch eingeordnet werden. Transparenz bezieht sich vor allem auf die Darstellung des Ergebnisses für den Nutzer. Die Experimente zur Laufzeitermittlung wurden auf handelsüblicher Hard- und Software ausgeführt: Windows 7 Professional (64-Bit-Betriebssystem) mit Intel Core i5-2430M (2,40 GHz) und 4 GB RAM. Die verwendete Java Laufzeitumgebung ist JRE1.8.0_91.

4.4.1 Größenüberprüfung Im Rahmen der Evaluierung der Größenüberprüfung soll vor allem die Effizienz der verschiedenen Ansätze durch Experimente untersucht werden. Die drei entwickelten und hier untersuchten Ansätze sind: die komplette Punktwolke, die Bounding Box und die umgebende Kugel. Dazu wurden vier Testfälle erstellt, welche in der Realität auftretende Szenarien nachempfinden. Diese sind in Abbildung 4.11 dargestellt. Diese Teile werden in den Experimenten genutzt, die in den folgenden Abschnitten im Detail beschrieben und ausgewertet werden. Zur Variation der Facettenanzahl wurden die Testgeometrien mit unterschiedlichen Genauigkeitsfaktoren tesseliert. Die STL-Testdateien sind im Binärformat kodiert. Die Winkelschrittweite für die Rotation wurde auf 1◦ eingestellt. Abbildung 4.12 zeigt das Ergebnis der Laufzeituntersuchung für die vier Szenarien. 5.000 Facetten im STL-Binärformat entsprechen einer Datenmenge von 250 Kilobyte. Abbildung 4.13 zeigt die durchschnittliche Anzahl der dabei geprüften Punkte pro Rotation. Abbildung 4.14 stellt den Anteil des Pre-Processings an der Laufzeit dar. Abbildung 4.15 zeigt die theoretisch im schlechtesten Fall zu prüfende Anzahl an Punkten pro Rotation. Entscheidend für die tatsächliche Anzahl an geprüften Punkten pro Rotation ist die Reihenfolge, in welcher die Punkte im STL stehen. Sobald ein Punkt außerhalb des Bauraums liegt, kann die Überprüfung abgebrochen und mit der nächsten Iteration fortgefahren werden.

4.4 Evaluierung

Szenario 1: Bauteil passt in jeder Ausrichtung in den Bauraum.

69

Szenario 2: Bauteil passt in bestimmter Ausrichtung in den Bauraum.

Szenario 3: Bauteil passt nicht in den Bauraum. Ein Großteil der Punkte liegt außerhalb des Bauraums.

Szenario 4: Bauteil passt nicht in den Bauraum. Nur wenige Punkte liegen außerhalb des Bauraums.

Abbildung 4.11: Szenarien zur Evaluierung der Größenüberprüfung

4.4.1.1 Szenario 1: Bauteil passt in jeder Ausrichtung in den Bauraum. Im ersten Testszenario passt das Bauteil in jeder Ausrichtung in den Bauraum. Es ist also keine Rotation durchzuführen, da das Bauteil bereits in der ersten Ausrichtung in den Bauraum passt. Für diese Ausrichtung werden bei Verwendung der kompletten Punktwolke alle Punkte geprüft, bei der Bounding Box acht Punkte und im Fall der umgebenden Kugel kein Punkt, da alle Punkte bereits im Pre-Processing ausgeschlossen werden. Wie Abbildung 4.12 für das erste Szenario zeigt, ist die Bounding Box mit Abstand die schnellste Methode und ca. 180-mal schneller als die Methode der umgebenden Kugel. Die Prüfung aller Punkte und die Methode der umgebenden Kugel verhalten sich in etwa gleich. Dies liegt am Pre-Processing, welches bei beiden Ansätzen durchgeführt wird. Dieses entfernt beim ersten Ansatz alle Duplikate und beim zweiten Ansatz zusätzlich die Punkte außerhalb der Kugel. Der Anteil des Pre-Processing liegt bei beiden Ansätzen bei annähernd 100 % (siehe Abbildung 4.14). Da nur eine Rotationsausrichtung getestet wird, ist die Anzahl an zu testenden Punkten pro Rotation (siehe Abbildung 4.13) in diesem Szenario nicht der entscheidende Einflussfaktor.

4.4.1.2 Szenario 2: Bauteil passt in bestimmter Ausrichtung in den Bauraum. In Szenario 2 passt das Bauteil in den Bauraum. Im Gegensatz zu Szenario 1 allerdings nicht in jeder beliebigen Position. In dem Testfall werden bei Punktwolke und umgebender Kugel im Durchschnitt 3.231 Rotationen durchlaufen bis

70

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

eine passende Position gefunden wird. Die Bounding Box führt in diesem Fall zu falschen Ergebnissen und findet keine passende Ausrichtung. Abbildung 4.12 zeigt, dass im Fall der kompletten Punktwolke der Haupttreiber für die Laufzeit nicht mehr das Pre-Processing ist, sondern die tatsächliche Überprüfung der Ausrichtung. Die Methode der Punktwolke benötigt ab einer Eingabemenge von ca. 300.000 Facetten deutlich mehr Zeit als die umgebende Kugel. Abbildung 4.13 verdeutlicht, dass der ausschlaggebende Faktor dabei die durchschnittliche Anzahl an geprüften Punkten pro Rotation ist. Der Kurvenverlauf entspricht nahezu dem der Laufzeit. Der unstete Verlauf ergibt sich durch die Reihenfolge, in welcher die Punkte in einer Rotation durchlaufen werden. Beim ersten Punkt, der außerhalb des Bauraums liegt, bricht die Überprüfung der Ausrichtung ab und die Überprüfung einer neuen Ausrichtung wird begonnen. Die Laufzeit der umgebenden Kugel bleibt für alle geprüften Facettenzahlen unter einer Sekunde. Die durchschnittliche Anzahl an geprüften Facetten pro Rotation beträgt dabei konstant eins. Eine Detailanalyse zeigte, dass das PreProcessing bei der umgebenden Kugel nach wie vor den Großteil der Laufzeit einnimmt (siehe Abbildung 4.14). Über alle Messpunkte ist die umgebende Kugel im Schnitt 4,7-mal schneller als die Punktwolke. Das Ergebnis, also die erste gefundene passende Position, ist bei beiden Ansätzen gleich. Die umgebende Kugel ist in diesem Szenario also der deutlich zu präferierende Ansatz.

4.4.1.3 Szenario 3: Bauteil passt nicht in den Bauraum. Ein Großteil der Punkte liegt außerhalb des Bauraums. In Szenario 3 passt das Bauteil in keiner Ausrichtung in den Bauraum und ein Großteil der Punkte liegt außerhalb des Bauraums. Dies bedeutet, dass alle 729.000 Rotationen durchlaufen werden. Der Ansatz der umgebenden Kugel kann in diesem Szenario seine Vorteile nicht ausspielen, da im Pre-Processing praktisch keine Punkte aussortiert werden. Dies zeigen auch die Laufzeitergebnisse in Abbildung 4.12. Punktwolke und umgebende Kugel verlaufen nahezu gleich. Eine nähere Betrachtung der Laufzeit zeigt darüber hinaus, dass das Durchlaufen der verschiedenen Rotationen nicht der signifikante Treiber ist, sondern das Pre-Processing mit steigender Facettenanzahl den Großteil der Laufzeit von bis zu über 80 % in Anspruch nimmt (siehe Abbildung 4.14).

4.4 Evaluierung

71

Laufzeit 0,8 [s] 0,6 0,4

Szenario 1

0,2 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Laufzeit 30 [s] 25 20 15 10

Szenario 2

5 0 0

300.000

Komplette Punktwolke Laufzeit [s]

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

1 0,8 0,6 0,4

Szenario 3

0,2 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

Laufzeit [s]

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

1 0,8 0,6 0,4

Szenario 4

0,2 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Abbildung 4.12: Laufzeiten der Größenüberprüfung für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl

72

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien Anzahl 800.000 der Punkte 600.000 400.000

Szenario 1

200.000 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anzahl 200.000 der Punkte 150.000 100.000

Szenario 2

50.000 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anzahl 5 der Punkte 4 3 2

Szenario 3

1 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anzahl 6 der 5 Punkte 4 3

Szenario 4

2 1 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Abbildung 4.13: Durchschnittliche Anzahl an geprüften Punkten pro Rotation für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl

4.4 Evaluierung

73

Anteil 120% 100% 80% 60%

Szenario 1

40% 20% 0% 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anteil 120% 100% 80% 60%

Szenario 2

40% 20% 0%

0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anteil 100% 80% 60% 40%

Szenario 3

20% 0% 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anteil 100%

80% 60% 40%

Szenario 4

20% 0% 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Abbildung 4.14: Anteil des Pre-Processings an der Gesamtlaufzeit für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl

74

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien Anzahl 800.000 der Punkte 600.000

400.000

Szenario 1

200.000 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anzahl 800.000 der Punkte 600.000 400.000

Szenario 2

200.000 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anzahl 800.000 der Punkte 600.000 400.000

Szenario 3

200.000 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Anzahl 800.000 der Punkte 600.000 400.000

Szenario 4

200.000 0 0

300.000

Komplette Punktwolke

600.000 900.000 Anzahl der Facetten Bounding Box

1.200.000

1.500.000

Umgebende Kugel

Abbildung 4.15: Anzahl der im Worst Case zu prüfenden Punkte pro Rotation für die vier Szenarien mit variierender Facettenanzahl

4.4 Evaluierung

75

4.4.1.4 Szenario 4: Bauteil passt nicht in den Bauraum. Nur wenige Punkte liegen außerhalb des Bauraums. Wie in Szenario 3 passt das Bauteil auch in diesem Szenario in keiner Ausrichtung in den Bauraum. Ein Großteil der Punkte liegt allerdings innerhalb des Bauraums. Das Laufzeitverhalten unterscheidet sich kaum von Szenario 3. Im Schnitt werden bei der Punktwolke etwas mehr Punkte pro Rotation geprüft als bei Szenario 3 (siehe Abbildung 4.13). Dies wirkt sich auf die Laufzeit allerdings nicht signifikant aus. Abbildung 4.15 verdeutlicht allerdings, dass im schlechtesten Fall, wenn alle außerhalb liegenden Punkte durchlaufen werden müssen, die Methode der Punktwolke deutlich schlechter abschneiden kann als die der umgebenden Kugel, da diese im Pre-Processing die Menge an Punkten deutlich reduziert.

4.4.1.5 Zusammenfassung Die Experimente bestätigen die Einordnung in die Komplexitätsklasse O(n). In den Experimenten verhalten sich alle Algorithmen maximal linear, sowohl im Pre-Processing als auch in der eigentlichen Überprüfung bzw. dem Durchlaufen der Rotationen. Darüber hinaus konnte in den Experimenten gezeigt werden, dass die Methode der umgebenden Kugel deutliche Laufzeitvorteile gegenüber der kompletten Punktwolke hat. Diese ist häufig das schnellere Verfahren oder in einem für die Laufzeit ungünstigen Fall immer noch genauso schnell. Dies verdeutlicht ebenfalls die Betrachtung des Worst Case in Abbildung 4.15. Die Bounding Box ist von ihrem Laufzeitverhalten zwar eine der schnellsten Methoden, kann allerdings zu falschen Ergebnissen führen (siehe Szenario 2). Eigentlich in den Bauraum passende Bauteile können fälschlicherweise als nichtpassend eingestuft werden. Eine alleinige Nutzung der Bounding Box als Prüfmethode ist somit nicht sinnvoll. Wie allerdings in Kapitel 4.2.4 vorgeschlagen, kann die Bounding Box zur Vorselektion genutzt werden. Bauteile werden zunächst mittels des Bounding Box Verfahrens geprüft und diejenigen, welche als nicht-passend eingestuft wurden, werden nochmals mittels des Verfahrens der umgebenden Kugel geprüft.

4.4.2 Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien Zunächst wird die Effizienz der beiden vorgestellten Algorithmen, also der vollständigen Überprüfung und der teilweisen Überprüfung, zur automatisierten

76

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

Analyse einer Bauteilgeometrie auf Wandungen, Spalte, Zylinder und Bohrlöcher untersucht. Im Anschluss wird auf die Effektivität eingegangen. Für die Experimente wurden die CAD-Daten von drei Testkörpern genutzt, welche in Abbildung 4.16 dargestellt sind. Diese dienen normalerweise zur empirischen Untersuchung von werkstoffabhängigen Konstruktionsrichtlinien für das SLMVerfahren [136]. Mit den Testkörpern wurden die in Tabelle 4.1 dargestellten Konstruktionsrichtlinien entwickelt.

Wandungen und Spalte

Bohrlöcher

Zylinder

Abbildung 4.16: Testkörper zur Evaluierung der Überprüfung von Bauteilen auf Wanddicken, Spaltmaße, Zylinder- und Bohrlochdurchmesser, CADDateien entstammen [136]

4.4.2.1 Effizienz Zur Evaluierung der Effizienz wurden die drei Testgeometrien (siehe Abbildung 4.16) mit unterschiedlichen Genauigkeiten tesseliert. Die Ergebnisse der Laufzeitmessung sind in Abbildung 4.17 dargestellt. Es wird deutlich, dass sich die Laufzeit für beide Algorithmen quadratisch zur Facettenanzahl verhält. Dies bestätigt die analysierte Komplexität von O(n2 ). Der Ansatz der teilweisen Überprüfung verhält sich dabei deutlich schneller als die vollständige Überprüfung. Für Wandungen und Spalte verhält sich dieser im Durchschnitt 2,3-mal, für Bohrlöcher 1,7-mal und für Zylinder 3-mal schneller.

4.4.2.2 Effektivität Zur Untersuchung der Effektivität wurden beispielhaft die Grenzwerte von TiAl6V4 herangezogen (siehe Tabelle 4.2). Eine implementierte Visualisierung färbt die als kritisch erkannten Facetten rot ein. Für die Testfälle erkennen beide Überprüfungsansätze bei gleicher Konfiguration alle kritischen Bereiche. Dies ist in Abbildung 4.18 dargestellt. Die Anzahl an erkannten kritischen Facetten ist ebenfalls bei beiden Methoden gleich. Ausschlaggebend für die Anzahl an markierten Facetten ist der bereits in Kapitel 4.3.1.1 beschriebene Schwellenwert α ggb , welcher definiert, ob zwei Facet-

4.4 Evaluierung

77

Laufzeit 300 [s] 250 200 150

Wandungen und Spalte

100 50 0 0

5.000

10.000

15.000 20.000 25.000 Anzahl der Facetten

Vollständige Überprüfung

30.000

35.000

Teilweise Überprüfung

Laufzeit 600 [s] 500 400 300

Bohrlöcher

200 100 0 0

10.000

20.000 30.000 Anzahl der Facetten

Vollständige Überprüfung

40.000

50.000

Teilweise Überprüfung

Laufzeit 700 [s] 600 500 400 300

Zylinder

200 100 0 0

10.000

20.000 30.000 Anzahl der Facetten

Vollständige Überprüfung

40.000

50.000

Teilweise Überprüfung

Abbildung 4.17: Laufzeiten der Überprüfung auf Konstruktionsrichtlinien für die ausgewählten Testkörper mit variierender Facettenanzahl

78

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

ten gegenüberliegen. Dies verdeutlicht Abbildung 4.19 anhand des Versuchskörpers für Zylinderstrukturen. Für die restriktive Konfiguration (links) wurde ein Schwellenwert von 92◦ angesetzt, für die weniger restriktive Konfiguration (rechts) 160◦ . Zwischen denen mit einem Pfeil markierten Zylindern kann es aufgrund des geringen Abstands zu Pulveranhaftungen im unteren Bereich kommen. Es liegt nun in der Entscheidung bzw. Auslegung des Nutzers, ob eine solche Stelle am Bauteil für die Fertigung als akzeptabel oder kritisch einzuordnen ist und ein Auftrag aufgrund dessen abgelehnt werden soll. Wie Abbildung 4.19 zeigt, wird die entsprechende Stelle bei einer restriktiven Konfiguration als kritisch markiert. Bei einer weniger restriktiven Einstellung wird die Stelle nicht markiert. Der Dienstanbieter kann das Verhalten über den Parameter α ggb steuern.

4.4.2.3 Transparenz Die Überprüfungsalgorithmen wurden im Rahmen einer Webapplikation implementiert. Die Benutzer- und Darstellungsoberfläche ist mittels HTML, JavaScript und WebGL umgesetzt. Dies ermöglicht eine dreidimensionale Darstellung der hochgeladenen Bauteile im Webbrowser. Das Bauteil kann durch den Nutzer über Rotations-, Translations- und Zoomfunktionen frei betrachtet werden. Zur Markierung erkannter kritischer Bauteilstrukturen werden die entsprechenden Dreiecksfacetten rot eingefärbt. Abbildung 4.18 veranschaulicht dies anhand verschiedener Testkörper. Abbildung 4.20 zeigt die Ergebnisse einer Überprüfung von Wanddicken anhand eines Realbauteils, welches ein Flugzeugstrukturbauteil mit für das Beispiel restriktiv gewählten Überprüfungsgrenzwerten ist. Als kritisch markiert wird dabei die mittlere Ausfräsung des Strukturbauteils, welche die Wandung mit der geringsten Dicke bei dem gegebenen Bauteil ist. Über die Darstellung wird dem Nutzer aufgezeigt, an welchen Stellen sich mögliche Probleme in der Fertigung des Bauteils ergeben könnten. Diese können durch Umgestaltung der Konstruktion fertigungsgerecht korrigiert werden.

4.4.2.4 Zusammenfassung Der erweiterte Ansatz mit Unterteilung des Überprüfungsraums und teilweiser Überprüfung zeigt deutliche Laufzeitvorteile im Vergleich zur vollständigen Überprüfung. Für die Testgeometrien erkennen beide Ansätze alle kritischen Bereiche und markieren die gleiche Anzahl an Facetten als kritisch. Die teilweise Überprüfung sollte daher als Überprüfungsalgorithmus im Rahmen einer Webapplikation, in der die Ausführungsdauer sowohl für die Auftragsabwicklung als auch die Bedienbarkeit ein entscheidender Faktor ist, verwendet werden.

4.4 Evaluierung

79

Wandungen

Spalte

Bohrlöcher

Zylinder

Abbildung 4.18: Erkannte kritische Bereiche in der Prüfung von TiAl6V4 auf Wanddicken, Spaltmaße, Bohrloch- und Zylinderdurchmesser

Restriktive Konfiguration

Weniger restriktive Konfiguration

Abbildung 4.19: Erkannte kritische Bereiche bei restriktiver und weniger restriktiver Konfiguration der Überprüfungsroutine

Abbildung 4.20: Ergebnisse der Überprüfung eines Strukturbauteils aus dem Flugzeugbau auf Wandstärken

80

4 Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

Da die finale Orientierung des Bauteils im Bauraum zum Zeitpunkt der webbasierten Auftragsannahme nicht bekannt ist, wird die Bauteilorientierung in den vorgestellten Prüfungsalgorithmen nicht explizit berücksichtigt und in der Prüfung werden die einzuhaltenden Mindestgrenzwerte genutzt. Ein Thema für zukünftige Entwicklungen ist daher eine möglichst genaue Abschätzung der Aufbauorientierung eines Bauteils und dessen Integration die Konstruktionsprüfung. Forschungspotential birgt ebenfalls die Parallelisierung der Algorithmen zur weiteren Effizienzsteigerung. Zudem fokussiert sich diese Arbeit auf die grundlegende Prüfung von Bauteilgröße, Wandstärken, Spaltmaße, Bohrlöchern und Zylindern. Die Entwicklung von Algorithmen zur Überprüfung von zusätzlichen Konstruktionsrichtlinien kann ein Thema für zukünftige Forschungsarbeiten sein. Für einen weiteren Ausblick im Kontext der Gesamtarbeit sei auf Kapitel 9 verwiesen.

5 Angebots- und Vorkalkulation Der Bedarf nach einer webbasierten Angebotskalkulation für additiv gefertigte Bauteile stellt besondere Herausforderungen an das Kalkulationsmodell. In diesem Kapitel werden zunächst die Herausforderungen einer webbasierten Kalkulation betrachtet. Darauffolgend wird die entwickelte Kalkulationsmethodik mit Kosten- und Preisermittlung dargestellt. Der Fokus liegt dabei auf der Einzeloder Kleinserienfertigung mittels SLM. Das Kapitel schließt mit einer Evaluierung und Betrachtung von Übertragungsmöglichkeiten auf das selektive Lasersintern. Zur Angebotskalkulation lädt der Kunde die Geometrie eines Bauteils online hoch (siehe Abbildungen 4.1 und 5.1). Zusätzlich spezifiziert er das verwendete Material, die gewünschte Stückzahl und eine Auswahl an optionalen Nachbearbeitungsverfahren. Die Bauteilgeometrie wird entweder durch ein CAD-Modell im STEP-Format oder über ein trianguliertes Oberflächenmodell im STL-Format beschrieben. Ziel der entwickelten Angebotskalkulation ist eine automatisierte Berechnung des Angebotspreises. Unmittelbar nachdem das Bauteil durch den Kunden hochgeladen wurde, wird ein Angebotspreis kalkuliert und ausgegeben. Für die Serienfertigung großer Mengen gleichartiger Bauteile wird im Rahmen der Bauteilsichtung und -selektion in Kapitel 7 eine weiterführende Kalkulationsvariante basierend auf der folgenden Methodik erarbeitet. Die besondere Schwierigkeit der Vorkalkulation liegt darin, dass die genauen Fertigungszeiten nicht bekannt sind, insbesondere wenn Bauteile zum ersten Mal gefertigt werden. Trotzdem muss die Kalkulation hinreichend genau sein. Eine bisherige manuelle Berechnung des Angebotspreises durch Sichtung eines Experten mit Kommunikation über Telefon, Post oder E-Mail entfällt. Sofort nachdem das Bauteil vom Kunden hochgeladen wurde, wird automatisch ein Preis berechnet es kann prinzipiell eine Bestellung ausgelöst werden. Der Preis soll sowohl für den Kunden, aber vor allem auch für den Vertriebsmitarbeiter nachvollziehbar sein. Abbildung 5.1 zeigt die Online-Bestellansicht des entwickelten Prototyps, über welche die zu bestellenden Bauteile verwaltet werden können.

5.1 Herausforderungen einer webbasierten Kalkulation Die Herausforderung in der Kalkulation eines Angebotspreises im Rahmen einer webbasierten Plattformlösung besteht vor allem in dem frühen Kalkulationszeitpunkt. Genaue Fertigungsinformationen sind zum Zeitpunkt der Kalkulation nicht vorhanden. Für die pulverbettbasierten Verfahren SLM und SLS betrifft dies © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_5

82

5 Angebots- und Vorkalkulation

Abbildung 5.1: Bestell- und Bauteildetailansicht der Cloud-Plattform

vor allem die Zusammenstellung der Baujobs. In einem Baujob können mehrere Teile parallel gefertigt werden. Die Generierzeit und damit auch die Kosten dieser Baujobs sind maßgeblich von der Zusammenstellung dieser Baujobs abhängig. Zum Zeitpunkt der Angebotskalkulation ist die genaue Zusammenstellung des Baujobs und die Ausrichtung bzw. Orientierung des Bauteils im Bauraum allerdings nicht bekannt. Diese wird erst in der Arbeits- und Datenvorbereitung festgelegt (siehe Abbildung 3.2). Abbildung 5.2 zeigt beispielhaft, wie sich die Zusammenstellung eines Baujobs auf die Stückkosten auswirkt. Je mehr Bauteile in einem Job gefertigt werden, desto höher ist die Auslastung und desto geringer ist der Einzelstückpreis. Dies liegt an der Verteilung der, bei gleicher Aufbauhöhe der Bauteile, konstanten Beschichtungszeit. Die Ausrichtung eines Bauteils bestimmt vor allem die Aufbauhöhe und damit die Beschichtungszeit eines Baujobs. Darüber hinaus beinhaltet das STL-Format, welches in der vorgestellten Kalkulation als Ausgangsformat zur Kostenberechnung genutzt wird, keine Zusatzinformationen zur Fertigung, beispielsweise über mögliche technische Elemente oder Features.

5.2 Kalkulationsmethodik

83 Titan TiAl6V4

Stückkosten [€] 400

Werkzeugstahl 1.2709

312,5 300 216,5

207,5

200 134

184

127,5

100

0 1 Bauteil (Einzelfertigung)

10 Bauteile (Teilauslastung)

21 Bauteile (Maximale Auslastung)

Abbildung 5.2: Abhängigkeit der Stückkosten je Bauteil von der Baujobauslastung, Durchschnittswerte aus [79]

5.2 Kalkulationsmethodik Die Angebotskalkulation gliedert sich grundsätzlich in Kostenermittlung und Preisbildung. Für die Preisbildung wird ein kostenorientierter Ansatz gewählt (siehe Kapitel 5.7). Für die Kostenermittlung wird ein geometriebasierter Kalkulationsansatz genutzt, welcher mittels analytischer und statistisch basierter Kostenfunktionen über eine Analyse der Bauteilgeometrie automatisch die Kosten berechnet. Der Ansatz soll vor allem die Anforderungen einer effizienten, effektiven und transparenten Kalkulation erfüllen. Bevor die eigentliche Kalkulation durchgeführt wird, werden die vom Nutzer im STL-Format hochgeladenen Geometriedaten ausgewertet, um das Bauteil beschreibende und für die Kalkulation notwendige Kostentreiber zu ermitteln. Basis für die Kostenberechnung ist eine differenzierende Zuschlagskalkulation mittels Maschinenstundensatzrechnung. Als Grundschema für die Kalkulation wird das in Kapitel 2.3.1.3 vorgestellte Schema der Zuschlagskalkulation gewählt (siehe Tabelle 2.1). Da die Angebotskalkulation für bereits bestehende Bauteilgeometrien erfolgt, welche durch den Kunden über eine Webschnittstelle hochgeladen werden, werden zunächst keine Entwicklungskosten in die Kalkulation einbezogen. Die Selbstkosten ergeben sich demnach aus der Summe von Materialkosten (Kapitel 5.3), Fertigungskosten (Kapitel 5.4 und 5.5) und Vertriebs- und Verwaltungskosten (Kapitel 5.6): SK = HK + VVK = MK + FK + VVK

(5.1)

84 mit

5 Angebots- und Vorkalkulation SK HK MK FK VVK

Selbstkosten in e Herstellkosten in e Materialkosten in e Fertigungskosten in e Vertriebs- und Verwaltungskosten in e

Zur Ermittlung der Einzel- und Gemeinkosten der Fertigung werden die erforderlichen Unternehmensfunktionen und wesentlichen Schritte der Prozesskette im Sinne einer Prozesskostenrechnung betrachtet und entsprechenden Kostenstellen zugeordnet (siehe dazu Abbildung 3.2). Die Einzelkosten werden maßgeblich über automatisch bestimmte Vorgabezeiten und Maschinen- und Personenstundensätze berechnet. Die Vorgabezeiten werden über geometrieabhängige Hauptkostentreiber ermittelt. Die Gemeinkosten werden zuschlagsbasiert pro Kostenstelle auf den Kostenträger verrechnet. Der Kostenträger ist dabei das hergestellte Produkt. In den folgenden Abschnitten wird vorgestellt, wie sich die verwendeten Zuschlagssätze, Vorgabezeiten, Maschinen- und Personenstundensätze grundsätzlich zusammensetzen. Eine Übersicht der Kalkulationsparameter ist in Tabelle 5.1 dargestellt. Die Parameterwerte bestimmen sich aus der Auswertung vergangener Produktionsdaten, Maschinendaten, Experteninterviews und empirischen Zeiterfassungen. Die Werte können unternehmensabhängig variieren.

5.2.1 Struktur der Kostenkalkulation Das Schema zur Kalkulation der Herstellkosten ist in Abbildung 5.3 dargestellt. Es dient sowohl als Ausgangsbasis für die in diesem Kapitel entwickelte Angebotskalkulation als auch für die in Kapitel 7.2 vorgestellte Vergleichskalkulation zu konkurrierenden Fertigungsverfahren. Die Vertriebs- und Verwaltungskosten berechnen sich zuschlagsbasiert über die Herstellkosten (siehe Kapitel 5.6). Die Herstellkosten gliedern sich in Material- und Fertigungskosten. Die Fertigungskosten setzen sich aus Sondereinzelkosten der Fertigung, Fertigungseinzelkosten und Restfertigungsgemeinkosten zusammen. Die Sondereinzelkosten der Fertigung fallen pro Auftrag oder Produkt an und lassen sich nicht direkt einer Kostenträgereinheit zuordnen. Im Rahmen der vorliegenden Kalkulation sind dies vor allem Tätigkeiten der Arbeitsvorbereitung. Diese umfassen unter anderem die Datenvorbereitung für den Generierprozess und vorbereitende Arbeiten für die Nachbearbeitung, beispielsweise zur spanenden Endbearbeitung der Bauteile. Die Fertigungseinzelkosten lassen sich direkt dem zu produzierenden Bauteil als Kostenträger zuordnen. Sie ergeben sich aus der Ergebnissumme von analytischen und statistischen Kostenfunktionen entlang der Prozessschritte der additiven Fertigungskette. Diese beinhaltet den Generierprozess und Nachbearbei-

5.2 Kalkulationsmethodik

85

Tabelle 5.1: Übersicht der Kalkulationsparameter Parameter

Beschreibung

Einheit

Kunden- oder Nutzereingabe BT

Geometrie des Bauteils als STL- oder CAD-Datei

-

nBT

Stückzahl des Bauteils

-

Mat

verwendeter Werkstoff

-

FNach

Auswahl der Nachbearbeitungsverfahren, z. B. Wärmebehandlung, Supportentfernung, Sandstrahlen

-

Automatisierte Auswertung der Geometriedaten VBT

Volumen des Bauteils

mm3

VSup

Volumen der Supportstrukturen

mm3

hGen

Aufbauhöhe des Bauteils

mm

ABT

Oberfläche des Bauteils

mm2

ASup

Supportfläche, welche die durch Supportstrukturen belegte Bauteiloberfläche beschreibt

mm2

ABT,BP

Anbindungsfläche des Bauteils an die Bauplattform

mm2

dimBT

Abmessungen mit Länge, Breite und Höhe des Bauteils

mm

Parameter und Konstanten aSup,V

durchschnittlicher Anteil des Supportvolumens am Bauteilvolumen

-

aSup,A

durchschnittlicher Anteil der Supportfläche an der Bauteiloberfläche

-

aBP,A

durchschnittlicher Anteil der auf der Bauplattform belegten Fläche zur Bauteiloberfläche

kWB

volumenbezogener Kostensatz für die Wärmebehandlung

vDE

durchschnittliche Trenngeschwindigkeit beim Drahterodieren

mm2/min

vSE

durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit für manuelle Supportentfernung

mm2/min

vStr

durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit für das Sandstrahlen bei manueller Durchführung

mm2/min

dBJ

durchschnittliche Auslastung eines Baujobs

dBSR

durchschnittliche Auslastung des Beschichtungsraums, abhängig von der Aufbauhöhe des Bauteils

-

aSchw

durchschnittlicher Anteil für Pulverschwund

-

UMat

Dichte des verwendeten Werkstoffs

kPlv

Pulverpreis, werkstoffabhängig

vAR,BL

durchschnittliche Aufbaurate für Belichtung, werkstoff- und maschinenabhängig

hS

Schichtdicke, werkstoffabhängig

tS

Zeit für einen Pulverschichtauftrag, maschinenabhängig

lBR

Länge des Bauraums, maschinenabhängig

mm

bBR

Breite des Bauraums, maschinenabhängig

mm

hBR

Höhe des Bauraums, machinenabhängig

mm

€/mm3

-

g/cm3 €/kg cm3/h Pm s

Zuschlagssätze zv, zer

Zuschlagssatz für Verteil- und Erholungszeit, Zuschlagsbasis: Grundzeit tg

-

zMGK

Zuschlagssatz für Materialgemeinkosten, Zuschlagsbasis: MEK

-

zDV

Zuschlagssatz für Datenvorbereitung, Zuschlagsbasis: FEKGen

-

zGen,R

Zuschlagssatz für das Rüsten der Generieranlage, Zuschlagsbasis: FEKGen

-

zRFGK

Zuschlagssatz für Restfertigungsgemeinkosten, Zuschlagsbasis: FEK

-

zVVK

Zuschlagssatz für Vertriebs- und Verwaltungskosten, Zuschlagsbasis: HK

-

zG

Gewinnzuschlagssatz, Zuschlagsbasis: SK

-

Stundensätze kMh

Maschinenstundensatz, maschinenabhängig

€/h

kPh

Personenstundensatz, abhängig von der für den Arbeitsvorgang notwendigen Lohngruppe

€/h

86

5 Angebots- und Vorkalkulation

Additive Fertigung (SLM) Materialkosten (MK) „ Materialeinzelkosten (MEK) „ Materialgemeinkosten (MGK)

Fertigungskosten (FK) Sondereinzelkosten der Fertigung (SEF) „ Datenvorbereitung „ NC-Programmierung (Endbearbeitung) „ Einspannvorrichtung (Endbearbeitung)

Fertigungseinzelkosten (FEK) „ Rüsten der Generieranlage (pro Baujob) „ Generierprozess „ Wärmebehandlung

„ Drahterodieren „ Supportentfernung „ Oberflächenbehandlung (Sandstrahlen) „ Spanende Endbearbeitung „ Restfertigungsgemeinkosten (RFGK)

Abbildung 5.3: Struktur zur Berechnung der Herstellkosten für die additive Fertigung

tungsverfahren. Als Nachbearbeitungsverfahren werden in dieser Arbeit Wärmebehandlung, Drahterodieren, Supportentfernung, Oberflächenbehandlung durch Sandstrahlen und Fräsen als spanendes Fertigungsverfahren betrachtet. Die Restfertigungsgemeinkosten umfassen alle nicht direkt zuteilbaren und zuvor abgebildeten Kosten der Fertigung. Sie werden als Zuschlag verrechnet.

5.2.2 Grundlagen der Kalkulation Das entwickelte Vorkalkulationsmodell benutzt und erweitert existierende Methoden der Kostenrechnung. Das folgende Kapitel stellt die in dieser Arbeit genutzten Definitionen von Zuschlagssätzen, Vorgabezeiten, Maschinen- und Personenstundensätzen vor, ergänzt um eine allgemeine Betrachtung der Kosten von Arbeitsvorgängen.

5.2 Kalkulationsmethodik

87

5.2.2.1 Zuschlagssätze Die Zuschlagssätze, auch Gemeinkostenzuschlagsfaktoren genannt, dienen der Verrechnung der Gemeinkosten auf die hergestellten Produkte. In der differenzierenden Zuschlagskalkulation werden die Gemeinkosten nicht pauschal verrechnet, sondern pro Kostenstelle auf den Kostenträger verteilt [172]. Der Zuschlagssatz definiert sich für eine Kostenstelle somit als: zKS = mit

zKS GKKS,Per ZKS,Per

GKKS,Per ZKS,Per

(5.2)

Zuschlagssatz für die Gemeinkosten der Kostenstelle Gemeinkosten der Kostenstelle im Laufe einer Periode in e Zuschlagsbasis in e, z. B. kumulierte Einzelkosten einer Kostenstelle im Laufe einer Periode

Die für einen Auftrag anfallenden Kosten in einer Kostenstelle können aus Einzelkosten und Zuschlagssatz wie folgt berechnet werden: KKS = EKKS + GKKS = EKKS · (1 + zKS ) mit

KKS EKKS GKKS zKS

(5.3)

Kosten eines Auftrags in einer Kostenstelle in e Einzelkosten eines Auftrags in einer Kostenstelle in e Gemeinkosten eines Auftrags in einer Kostenstelle in e Zuschlagssatz der Kostenstelle

5.2.2.2 Vorgabezeiten Nach Wiendahl definieren sich Vorgabezeiten in Anlehnung an den Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebsorganisation und Unternehmensentwicklung (REFA) als Sollzeiten für Arbeitsabläufe [229]. Neben der Kapazitäts- und Terminplanung dienen Vorgabezeiten der Kostenermittlung auf Basis der Personen- und Maschinenstundensätze. Vorgabezeiten richten sich häufig nach der Normalleistung. Normalleistung beschreibt die Leistung, welche von einem voll eingearbeiteten Arbeiter auf die Dauer der Schichtzeit geleistet werden kann. Die Normalleistung kann synthetisch über Systeme vorbestimmter Zeiten oder analytisch über Zeitberechnungen und -messungen ermittelt werden. Wenn sich die Vorgabezeit auf den arbeitenden Menschen bezieht, wird diese auch als Auftragszeit bezeichnet und untergliedert sich in Grundzeit, Verteilzeit und Erholungszeit. Wenn sich die Vorgabezeit auf Betriebsmittel, wie Maschinen, bezieht, wird diese auch als Belegungszeit bezeichnet und untergliedert sich in Grund- und Verteilzeit. Die Grundzeit lässt sich unterscheiden in Haupt- und Nebenzeit. Die Vorgabezeit für einen Auftrag oder Arbeitsvorgang ergibt sich aus der Summe der Rüstzeit und der Ausführungszeit.

88

5 Angebots- und Vorkalkulation

Die Rüstzeit enthält alle Zeiten zur mengenunabhängigen Vorbereitung der Durchführung eines Auftrags. Die Rüstzeit definiert sich damit als: tr = trg + trv + trer mit

tr trg trv trer

(5.4)

Rüstzeit in min Rüstgrundzeit zur Vorbereitung der Betriebsmittel in min Rüstverteilzeit für unregelmäßig auftretende Zeiten während des Rüstprozesses in min Rüsterholungszeit für eine Erholungszeit des Menschen während des Rüstprozesses in min

Die Ausführungszeit für einen Auftrag ist mengenabhängig und ergibt sich als Produkt aus Stückzahl und Ausführungszeit je Einheit. Die Ausführungszeit je Einheit setzt sich folgendermaßen zusammen [110]: t a = t g + tv + ter = th + tn + tv + ter mit

ta tg tv ter th tn

(5.5)

Ausführungszeit für ein Stück in min Grundzeit als Summe von Haupt- und Nebenzeit in min Verteilzeit für unregelmäßig auftretende Zeiten in min, z. B. Störungen oder kleinere Reparaturen Erholungszeit des Menschen in min Hauptzeit, welche unmittelbar zum Arbeitsfortschritt beiträgt, in min Nebenzeit, welche mittelbar zum Arbeitsfortschritt beiträgt, in min, z. B. Werkzeugwechsel oder Verfahrwege ohne Werkzeugeingriff

Die Erholungs- und Verteilzeiten werden über Zuschlagssätze ermittelt. Als Zuschlagsbasis dient die Grundzeit, beim Rüsten die Rüstgrundzeit. Die Zuschlagssätze sind unternehmens- und arbeitsplatzspezifisch, liegen aber üblicherweise im Bereich von 5 bis 15 %.

5.2.2.3 Maschinenstundensatz Der Maschinenstundensatz definiert sich als Summe aller maschinenbezogenen Kosten pro Jahr dividiert durch die jährliche Nutzungszeit der Maschine, welche sich als Summe der Rüst- und Ausführungszeiten beschreibt [94,99]. Er berechnet sich somit wie folgt: k Mh =

AK J + ZK J + RK J + EK J + IK J + BSK J + WK J TMJ

(5.6)

5.2 Kalkulationsmethodik mit

k Mh AK J ZK J RK J EK J IK J BSK J WK J TMJ

89

Maschinenstundensatz in e/h jährliche kalkulatorische Abschreibungen in e jährliche kalkulatorische Zinsen in e jährliche Raumkosten in e jährliche Energiekosten in e jährliche Instandhaltungs- und Reparaturkosten in e jährliche Kosten für Betriebsstoffe in e, z. B. Kühlmittel, Schutzgas, Filter etc. jährliche Werkzeugkosten in e jährliche geplante Nutzungszeit der Maschine in h

Bei linearer Abschreibung errechnen sich die jährlichen Abschreibungskosten aus Wiederbeschaffungswert abzüglich Schrottwert dividiert durch Nutzungsdauer [172].

5.2.2.4 Personenstundensatz Der Personenstundensatz oder Lohnstundensatz definiert sich als Summe aller personalbezogenen Kosten pro Jahr dividiert durch die jährliche NettoArbeitszeit [44]: PK J k Ph = (5.7) TPJ mit

k Ph PK J TPJ

Personenstundensatz in e/h jährliche Personalkosten in e jährliche Netto-Arbeitszeit in h

Die Personalkosten setzen sich zusammen aus dem Bruttolohn, Aufwendungen für Vorsorgeeinrichtungen, wie Sozialversicherung, und sonstigen Kosten, z. B. für Fortbildungen [94]. Der Bruttolohn richtet sich nach der Lohngruppe, welche die notwendige Qualifizierung für die vorgesehenen Arbeitsvorgänge beschreibt [229]. Die Netto-Arbeitszeit ergibt sich aus der Gesamtarbeitszeit eines Mitarbeiters abzüglich der durchschnittlichen Zeit für Urlaub, Weiterbildung und Krankheit [44].

5.2.2.5 Kosten der Arbeitsvorgänge Die Kosten für einen Arbeitsvorgang, welche Rüst- oder Ausführungsvorgänge sein können, setzen sich grundsätzlich zusammen aus Stundensatz multipliziert mit der notwendigen Ausführungszeit. Beim Stundensatz kann es sich abhängig vom Arbeitsvorgang um einen Maschinen- oder Personenstundensatz handeln.

90

5 Angebots- und Vorkalkulation

Die Ausführungszeit setzt sich aus Grund- und Verteilzeit sowie einer zusätzlichen Erholungszeit bei Personaleinsatz zusammen. Beispielsweise lassen sich die Kosten für einen Arbeitsvorgang unter Personaleinsatz wie folgt berechnen: FEK AVO = k Ph · t g · (1 + zv + zer ) mit

FEK AVO k Ph tg zv zer

(5.8)

Fertigungseinzelkosten für den Arbeitsvorgang in e Personenstundensatz in e/h Grundzeit in h Zuschlagssatz für Verteilzeit, z. B. 5 % Zuschlagssatz für Erholungszeit, z. B. 10 %

Die Zuschläge für Verteil- und Erholungszeiten werden in den folgenden Formeln, welche die Kostenfunktionen für die Arbeitsvorgänge darstellen, nicht gesondert aufgeführt. Sie sind auf die angegebenen Grundzeiten aufzuschlagen.

5.2.3 Auswertung der Geometriedaten Die Geometrie eines Bauteils ist einer der maßgeblichen Faktoren für die Kostenkalkulation. In diesem Kapitel wird vorgestellt, wie die Geometriedaten eines Bauteils ausgewertet und somit wesentliche Einflussgrößen der Kalkulation automatisiert bestimmt werden. Die Auswertung der Geometriedaten erfolgt basierend auf den STL-Daten eines Bauteils. Um auch CAD-Dateien auswerten zu können, werden diese nach Dateiupload in das STL-Format konvertiert. Dies wurde im Rahmen der Implementierung beispielhaft für STEP als CAD-Format umgesetzt (siehe Kapitel 8).

5.2.3.1 Bounding Box eines Bauteils Die Minimum Bounding Box bzw. kleinste umgebende Box eines dreidimensionalen Objekts beschreibt den kleinsten Quader, der ein Objekt umgibt [168]. In dieser Arbeit dient die Bounding Box (BB) zur automatisierten Bestimmung der Abmessungen eines Objekts (siehe Abbildung 5.4). Über diese lässt sich wiederum eine Herstellbarkeitsprüfung durchführen sowie notwendige Kalkulationsparameter bestimmen. Abhängig von der Ausrichtung der Bounding Box kann zwischen Oriented Bounding Boxes, die beliebig orientiert sein können, und Axis-Aligned Bounding Boxes (AABB), welche an den Koordinatenachsen ausgerichtet sind, unterschieden werden [63]. Im Rahmen dieser Arbeit werden AABBs genutzt. Die acht Eckpunkte einer AABB für eine Punktmenge N bestim-

5.2 Kalkulationsmethodik

91

men sich über das kartesische Produkt aus Minimum und Maximum entlang der drei Koordinatenachsen: AABB = X Min,Max × YMin,Max × Z Min,Max

= {( x, y, z)| x ∈ X Min,Max , y ∈ YMin,Max , z ∈ ZMin,Max }

(5.9)

X Min,Max , . . . = {min( x1 , . . . , xn ), max ( x1 , . . . , xn )}, . . . mit

AABB X Min,Max x1 , . . . , x n

Menge der Eckpunkte der AABB der Punktmenge N Menge mit Minimum und Maximum der X-Koordinaten, analog für Y und Z X-Koordinaten der Punktemenge N, analog für Y und Z 1 Bauraum 2 Bounding Box des Bauteils

3 Supportstrukturen 1 2

4 Bauplattform 5 Bauteil

5 5 3 4

Abbildung 5.4: Bounding Box eines Bauteils

5.2.3.2 Volumen eines Bauteils Das Volumen eines Bauteils ist einer der Hauptkostentreiber zur Berechnung der Material- und Prozesskosten. Zur Bestimmung des Volumens eines Bauteils wird dessen trianguliertes Oberflächenmodell genutzt. Für jede Dreiecksfacette wird das Volumen des zum Ursprung aufgespannten Tetraeders berechnet. Die Summe der orientierten und damit vorzeichenbehafteten Tetraeder-Volumina ergibt das Volumen des Bauteils [240]: n VBT = ∑ VTetr,i (5.10) i =1 mit

VBT VTetr,i n

Volumen des Bauteils in mm3 Volumen des aufgespannten Tetraeders der i-ten Dreiecksfacette in mm3 Anzahl der Dreiecksfacetten

Dadurch, dass die Volumina der Tetraeder vorzeichenbehaftet sind, werden alle Dreiecke, deren Normale in Richtung des Ursprungs zeigt, negativ behandelt

92

5 Angebots- und Vorkalkulation

und alle Dreiecke, deren Normale vom Ursprung weg zeigt, positiv behandelt. Das orientierte Volumen eines Tetraeders ergibt sich aus dem Spatprodukt der ihn aufspannenden Vektoren, welche sich für jede Dreiecksfacette aus den Ortsvektoren der Eckpunkte bilden (siehe Abbildung 5.5): VTetr = VTetr VSpat ~a,~b, ~c

mit

1 1 1 ·V = · [~a,~b, ~c] = · [(~a × ~b) ·~c] 6 Spat 6 6

(5.11)

Volumen des Tetraeders in mm3 Volumen des aufgespannten Spats bzw. Parallelepipeds in mm3 den Tetraeder aufspannende Vektoren vom Nullpunkt zur Grundfläche

z

z A (x1, y1, z1)

A

NACB B (x2, y2, z2)

B

C (x3, y3, z3)

0

0

y

C y

x

x Volumen eines Tetraeders

Volumen eines Körpers

Abbildung 5.5: Berechnung des Volumens eines Geometrieobjekts im STL-Format, in Anlehnung an [240]

5.2.3.3 Oberfläche eines Bauteils Einfluss auf die Kosten in der Supportentfernung und spanenden Endbearbeitung hat die Oberfläche eines Bauteils. Die Berechnung der Oberfläche erfolgt über die Flächensumme der Dreiecksfacetten: n

A BT =

∑ A∆,i

i =1

mit

A BT A∆,i n

Oberfläche des Bauteils in mm2 Fläche der i-ten Dreiecksfacette in mm2 Anzahl der Dreiecksfacetten

(5.12)

5.2 Kalkulationsmethodik

93

Die Fläche eines Dreiecks lässt sich mittels des Satzes von Heron bestimmen [238]: q A∆ = s · (s − a) · (s − b) · (s − c) (5.13) a+b+c s= 2 mit

A∆ a, b, c

Fläche einer Dreiecksfacette in mm2 Seitenlängen des Dreiecks in mm

5.2.3.4 Supportstrukturen und Anbindungsfläche Das Volumen der Supportstrukturen, die Oberfläche des Bauteils, welche durch Supports belegt ist, sowie die belegte Fläche auf der Bauplattform wird mit Hilfe von Durchschnittsfaktoren berechnet. Die Faktoren wurden im Rahmen einer Analyse vergangener Baujobs ermittelt. Die Werte sind werkstoffübergreifend für Aluminium, Edelstahl und Titan bestimmt.

5.2.3.4.1 Volumen der Supportstrukturen Das Volumen von Supportstrukturen fließt in die Material- und Fertigungskosten ein. Der durchschnittliche Anteil des Supportvolumens beschreibt das durchschnittliche Verhältnis von Supportvolumen zu Bauteilvolumen. Durch Multiplikation lässt sich das Volumen der erforderlichen Supports bauteilabhängig abschätzen: VSup = VBT · aSup,V (5.14) mit

VSup VBT aSup,V

Volumen der benötigten Supportstrukturen in mm3 Volumen des Bauteils in mm3 durchschnittlicher Anteil des Supportvolumens zum Bauteilvolumen

Der durchschnittliche Anteil des Supportvolumens aSup,V wurde in einer Analyse abgeschlossener Baujobs mit insgesamt 50 Bauteilen auf 17,7 % bestimmt.

5.2.3.4.2 Fläche der Supportstrukturen Der durchschnittliche Anteil der Supportfläche beschreibt das durchschnittliche Verhältnis von Supportfläche zu Bauteiloberfläche und wird zur Kostenberech-

94

5 Angebots- und Vorkalkulation

nung der Supportentfernung benötigt. Durch Multiplikation lässt sich die durch Supports belegte Oberfläche abschätzen: ASup = A BT · aSup,A mit

ASup A BT aSup,A

(5.15)

Bauteiloberfläche, welche durch Supportstrukturen belegt ist, in mm2 Oberfläche des Bauteils in mm2 durchschnittlicher Anteil der Supportfläche zur Bauteiloberfläche

In einer Analyse abgeschlossener Baujobs mit insgesamt 50 Bauteilen wurde für aSup,A ein Wert von 5,5 % ermittelt.

5.2.3.4.3 Anbindungsfläche Die Anbindungsfläche beschreibt die Fläche, über die ein Bauteil durch Supportstrukturen mit der Bauplattform verbunden ist. Sie wird genutzt zur Kostenermittlung des Drahterodierens, welches das Bauteil von der Bauplattform trennt. Die Abschätzung der durch ein Bauteil belegten Grundfläche erfolgt auf die gleiche Weise wie die Ermittlung der Supportfläche durch Multiplikation der Bauteiloberfläche mit einem Durchschnittsfaktor: A BT,BP = A BT · a BP,A mit

A BT,BP A BT a BP,A

(5.16)

Anbindungsfläche, welche durch ein Bauteil belegt ist, in mm2 Oberfläche des Bauteils in mm2 durchschnittlicher Anteil der durch das Bauteil auf der Bauplattform belegten Fläche zur Bauteiloberfläche

In einer Analyse vergangener Baujobs mit insgesamt 50 Bauteilen wurde a BP,A auf 6,6 % bestimmt.

5.3 Materialkosten Die Materialkosten berechnen sich aus der Summe von Materialeinzelkosten und Materialgemeinkosten [94]: MK = MEK + MGK = MEK + MEK · z MGK mit

MK MEK MGK z MGK

Materialkosten des Bauteils in e Materialeinzelkosten des Bauteils in e Materialgemeinkosten des Bauteils in e Zuschlagssatz der Materialgemeinkosten

(5.17)

5.4 Kosten der Arbeits- und Datenvorbereitung

95

Die Materialeinzelkosten eines Bauteils ergeben sich maßgeblich aus dem Pulververbrauch. Dieser lässt sich aus dem Volumen des Bauteils und den bei SLM benötigten Supportstrukturen berechnen [79, 197]: MEKGen = (VBT + VSup ) · (1 + aSchw ) · ρ Mat · k Plv mit

MEKGen VBT VSup aSchw ρ Mat k Plv

(5.18)

Materialeinzelkosten des Bauteils bei generativer Herstellung in e Volumen des Bauteils in mm3 Volumen der benötigten Supports in mm3 Anteil für Pulverschwund Dichte des verwendeten Werkstoffs in g/cm3 Pulverpreis in e/kg, werkstoffabhängig

Bei SLM kann das nicht aufgeschmolzene Pulver wiederverwendet werden [79]. Allerdings geht während des Produktionsprozesses durch Pulveranhaftungen am Bauteil und insbesondere in und an den Supportstrukturen Pulver verloren [79]. Dies wird in der Kalkulation durch den prozentualen Anteil für Pulverschwund von etwa 20 % berücksichtigt. Die Materialgemeinkosten ergeben sich aus den Kosten für die Lagerhaltung mit Raum- und Energiekosten, das Beschaffungs- und Lagerpersonal sowie die Pulvervorbereitung, z. B. Sieben des Pulvers. Sie werden zuschlagsbasiert verrechnet. Als Zuschlagsbasis dienen die Materialeinzelkosten [94].

5.4 Kosten der Arbeits- und Datenvorbereitung Die Kosten für die Arbeitsvorbereitung setzen sich zusammen aus der allgemeinen Arbeitsplanung und -steuerung, welche unter anderem die Erstellung der Arbeitspläne, die Steuerung der Fertigung und die Disposition umfasst, der Datenvorbereitung für den Generierprozess sowie der Vorbereitung von Nachbearbeitungsschritten.

5.4.1 Arbeitsplanung und -steuerung Die Kosten für die allgemeine Arbeitsplanung und -steuerung umfassen an dieser Stelle alle Kosten, welche nicht durch die Datenvorbereitung oder die Vorbereitung der Nachbearbeitung abgedeckt werden. Sie werden in den Restfertigungsgemeinkosten berücksichtigt (siehe Kapitel 5.5.5).

96

5 Angebots- und Vorkalkulation

5.4.2 Datenvorbereitung Die Kosten für die Datenvorbereitung ergeben sich hauptsächlich aus den Personenstundensätzen des Arbeitsvorbereiters multipliziert mit der aufgebrachten Zeit. Die Zeit setzt sich zusammen aus dem Laden der Bauraumszene, der Ausrichtung und Positionierung der Bauteile im Bauraum, der Festlegung von Supportstrukturen, dem Zuweisen der Belichtungsparameter und dem Slicen zur Erzeugung der Schichtdaten. Da sich diese Zeiten nicht direkt den einzelnen Bauteilen zuordnen lassen, wird für die Verrechnung der Kosten der Datenvorbereitung ein zuschlagsbasierter Ansatz gewählt. Dieser ermöglicht eine anteilige Umlegung der Kosten auf einen einzelnen Kostenträger und damit eine Abbildung als Fertigungseinzelkosten. Da die Datenvorbereitung die Generierung vorbereitet, dienen die Fertigungseinzelkosten der Generierung als Zuschlagsbasis: FEK DV = FEKGen · z DV (5.19) mit

FEK DV FEKGen z DV

Fertigungseinzelkosten für die Datenvorbereitung in e Fertigungseinzelkosten für das Generieren in e Zuschlagssatz für die Datenvorbereitung

Der Zuschlagssatz lässt sich aus Vergangenheitsdaten von Vorbereitungs- und Generierzeiten bestimmen. Da die Zeit für die Ausrichtung eines Bauteils im Bauraum sowie für das zugehörige Setzen der Supportstrukturen in der Regel nur vor der erstmaligen Fertigung eines Bauteils anfällt, könnte diese alternativ auch als Aufschlag verrechnet werden, der nur bei der ersten Bestellung eines Bauteils fällig wird. Bei Folgebestellungen kann ein verringerter Zuschlagssatz für die Datenvorbereitung verwendet werden. Wenn ein Auftrag mehrere gleichartige Bauteile umfasst, wird der Zuschlag ebenfalls nur für die Fertigungseinzelkosten eines Bauteils berechnet. Für die restlichen Bauteile gilt kein oder ein verringerter Zuschlagssatz.

5.4.3 Vorbereitung der Nachbearbeitung Die Vorbereitung der Nachbearbeitung umfasst vor allem die Kosten für die Erstellung der Maschinensteuerungsprogramme und möglicherweise benötigter Einspannvorrichtungen. Dazu gehört unter anderem die Erstellung der NCProgramme für das Fräsen von Funktionsflächen und für das Drahterodieren. Anwendungsfallspezifisch ist der Einsatz einer Vielzahl von unterschiedlichen Nachbearbeitungsverfahren möglich. Die Kosten können, wie für die Datenvorbereitung des Generierprozesses beschrieben, zuschlagsbasiert oder über pauschale Zeit- und Kostenannahmen berechnet werden.

5.5 Fertigungskosten

97

5.5 Fertigungskosten Die Fertigungskosten eines Bauteils ergeben sich, wie bereits in Kapitel 5.2.1 überblicksartig dargestellt, aus den Kosten für die Arbeits- und Datenvorbereitung, den Kosten des Generierprozesses inklusive Auf- und Abrüsten der Generieranlage, den Kosten der Nachbearbeitungsschritte und den Restfertigungsgemeinkosten. Zur automatisierten Berechnung der Kosten sind geeignete Kostenfunktionen erforderlich. Im Folgenden werden die entwickelten Kostenfunktionen im Detail vorgestellt.

5.5.1 Rüsten Das Vor- und Nachbereiten des Generierprozesses umfasst die Vorbereitung der Bauplattform sowie das Auf- und Abrüsten der Generieranlage. Die Bauplattform wird vor ihrem Einsatz plan gefräst und gesandstrahlt. Die wesentlichen Schritte zum Aufrüsten der Generieranlage sind: Maschineneinstellungen festlegen, Bauplattform einsetzen, Baukammer vorwärmen, Bauplattform vor dem ersten Schichtauftrag justieren und Baukammer mit Schutzgas fluten. Das Abrüsten der Anlage beinhaltet die Tätigkeiten: Pulver entfernen, Bauplattform entnehmen und Maschine reinigen. Die Zeiten für die Ausführung der Rüstvorgänge beziehen sich auf einen gesamten Baujob. Da ein Baujob mehrere Bauteile beinhalten kann, ist eine direkte Zuordnung der Kosten zu einem Bauteil nicht möglich. Zur Lösung wird an dieser Stelle ein zuschlagsbasierter Ansatz auf Basis der Generierkosten gewählt: FEKGen,R = FEKGen,BP + FEKGen,Vor + FEKGen,Nach = FEKGen · zGen,R mit

FEKGen,R FEKGen,BP FEKGen,Vor FEKGen,Nach FEKGen zGen,R

(5.20)

Fertigungseinzelkosten für das Rüsten der Generieranlage in e Fertigungseinzelkosten für das Vorbereiten der Bauplattform in e Fertigungseinzelkosten für das Vorbereiten bzw. Aufrüsten der Generierung in e Fertigungseinzelkosten für das Nachbereiten bzw. Abrüsten der Generierung in e Fertigungseinzelkosten für das Generieren in e Zuschlagssatz für Rüstkosten bei der Generierung mit Vorbereitung der Bauplattform, Auf- und Abrüsten der Generieranlage

Der Zuschlagssatz lässt sich ermitteln aus den Kosten für das Rüsten in einer vergangenen Periode. Diese beinhalten die Ausführungszeiten sowie die Personenund Maschinenstundensätze für das Fräsen der Bauplattform, das Vor- und

98

5 Angebots- und Vorkalkulation

Nachbereiten der SLM-Anlage sowie die Nutzung der Siebstation. Dazu wird auf in einem Anlagenbenchmarking gemessene Zeiten zurückgegriffen [79]. Bauplattformen verbrauchen sich durch das regelmäßige Planfräsen im Laufe ihrer Einsatzzeit. Sie können auf Kostenseite den Betriebsstoffen zugeordnet werden.

5.5.2 Generierung Die Kosten für die Generierung setzen sich zusammen aus Maschinenstundensatz der Generieranlage multipliziert mit der Generierzeit. Die Generierung läuft weitestgehend ohne menschliche Arbeit und Aufsicht. Die Generierzeit setzt sich zusammen aus Belichtungs- und Beschichtungszeit [197]. Somit ergibt sich folgende Formel für die Fertigungseinzelkosten der Generierung: FEKGen = k Mh,Gen · tGen = k Mh,Gen · (t BL + t BS ) mit

FEKGen k Mh,Gen tGen t BL t BS

(5.21)

Fertigungseinzelkosten für das Generieren e Maschinenstundensatz der Generieranlage in e/h Zeit für das Generieren in h Belichtungszeit in h Beschichtungszeit in h

Eine im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Analyse von 25 abgeschlossenen Baujobs zeigt, dass die Beschichtungszeit bis zu 60 % der Gesamtprozesszeit einnehmen kann. Im Durchschnitt hat die Beschichtungszeit einen Anteil von 36 % an der Gesamtzeit.

5.5.2.1 Gesamtaufbaurate Alternativ lässt sich die Generierzeit auch aus der durchschnittlichen Gesamtaufbaurate ermitteln, ohne dass eine Unterscheidung zwischen Belichtungs- und Beschichtungszeit vorgenommen wird. Diese umfasst den kompletten Prozess mit Belichtung und Beschichtung: tGen = mit

tGen VBT VSup v AR

VBT + VSup v AR

(5.22)

Zeit für das Generieren in h Volumen des Bauteils in mm3 Volumen der benötigten Supports in mm3 durchschnittliche Gesamtaufbaurate mit Belichtung und Beschichtung in cm3/h, maschinen- und werkstoffabhängig

5.5 Fertigungskosten

99

Die Beschichtungszeit wird bei diesem Ansatz rein auf das Volumen des Bauteils inklusive Supportstrukturen bezogen. Die Aufbauhöhe des Bauteils und damit die Anzahl an aufgetragenen Schichten zur Herstellung des Bauteils wird nicht direkt berücksichtigt. Zur genaueren Kalkulation wird daher im Folgenden eine separate Betrachtung von Beschichtungs- und Belichtungszeit vorgenommen.

5.5.2.2 Belichtungszeit Die Belichtungszeit lässt sich berechnen aus der durchschnittlichen Aufbaurate für die Belichtung und dem Volumen des Bauteils mit Supportstrukturen: t BL = mit

t BL VBT VSup v AR,BL

VBT + VSup v AR,BL

(5.23)

Belichtungszeit in h Volumen des Bauteils in mm3 Volumen der benötigten Supports in mm3 durchschnittliche Aufbaurate der Belichtung ohne Beschichtung in cm3/h, maschinen- und werkstoffabhängig

Die Aufbaurate setzt sich aus dem Produkt von Scangeschwindigkeit, Hatchabstand und Schichtdicke zusammen [79]. Der Hatchabstand beschreibt den Abstand der Belichtungsvektoren und wird auch als Spurversatz bezeichnet. Die Aufbaurate der Belichtung wird auch Schmelzrate genannt [114]. Multi-Laserbzw. Multi-Scanner-Systeme können in dem vorgestellten Kalkulationsansatz über eine höhere durchschnittliche Aufbaurate berücksichtigt werden. Abhängig von der Maschinenkonfiguration werden Supportstrukturen nur nach jedem zweiten Schichtauftrag belichtet. Dies kann im Kalkulationsmodell durch eine höhere Aufbaurate für das Supportvolumen berücksichtigt werden.

5.5.2.3 Beschichtungszeit Die Beschichtungszeit umfasst sowohl die Zeit für den Schichtauftrag als auch für das Absenken der Bauplattform. Sie ergibt sich aus der Anzahl an notwendigen Schichten zum Aufbau des Bauteils. Anders als die Belichtungszeit lässt sich die Beschichtungszeit durch den Schichtauftrag über den kompletten Bauraum nicht direkt einem Bauteil zuordnen. Daher wird in dieser Arbeit ein Faktor a BSR entwickelt, der den Anteil des Bauteils an der durchschnittlichen Auslastung des Beschichtungsraums beschreibt. Der Beschichtungsraum ist bauteilabhängig und berechnet sich aus der Länge und Breite des Bauraums multipliziert mit der Aufbauhöhe des Bauteils (siehe Abbildung 5.6). Das durchschnittliche Auslastungsvolumen des Beschichtungsraums, welches dessen durchschnittlich genutztes Volumen darstellt, ergibt sich aus dem Volumen des Beschichtungsraums

100

5 Angebots- und Vorkalkulation

multipliziert mit einem Auslastungsfaktor, welcher die anzunehmende volumenmäßige Kapazitätsauslastung innerhalb eines Baujobs beschreibt. In Kapitel 5.5.3 werden drei mögliche Ansätze zur Berechnung der Kapazitätsauslastung vorgestellt. Die anteilige Beschichtungszeit eines Bauteils lässt sich demnach nach folgendem Modell berechnen: hGen · tS · a BSR hS VBT + VSup h = Gen · tS · hS VAL,BSR VBT + VSup h = Gen · tS · hS d BSR · hGen · l BR · bBR tS · (VBT + VSup ) = hS · d BSR · l BR · bBR

t BS =

t BS hGen hS

mit

tS a BSR VBT VSup VAL,BSR d BSR l BR bBR

(5.24)

anteilige Beschichtungszeit für ein Bauteil in h Aufbauhöhe des Bauteils in mm Schichtdicke bzw. Dicke eines Pulverauftrags in µm, werkstoffabhängig Zeit für einen Pulverauftrag in s, maschinenabhängig volumenmäßiger Anteil des Bauteils am Beschichtungsraum Volumen des Bauteils in mm3 Volumen der benötigten Supports in mm3 durchschnittlich genutztes Volumen des Beschichtungsraums in mm3 , bauteil- und maschinenabhängig durchschnittliche Kapazitätsauslastung des Beschichtungsraums Länge des Bauraums in mm, maschinenabhängig Breite des Bauraums in mm, maschinenabhängig 1 Bauraum 2 Beschichtungsraum des Bauteils

3 Bauteil

1

4 Supportstrukturen

2

8

3

5 Bauplattform 6 Breite des Bauraums (bBR) 7 Länge des Bauraums (lBR)

4

7

5

8 Aufbauhöhe des Bauteils (hGen)

6

Abbildung 5.6: Beschichtungsraum eines Bauteils

5.5 Fertigungskosten

101

Die Auflösung von Formel 5.24 zeigt, dass sich durch Einführung eines volumenabhängigen Auslastungsfaktors zur Berechnung der anteiligen Beschichtungszeit die Aufbauhöhe eines Bauteils wegkürzen lässt. Dies löst jedoch nur teilweise die Problemstellung, dass die genaue Ausrichtung des Bauteils im Bauraum zum Zeitpunkt der Vorkalkulation nicht bekannt ist, da diese erst in der späteren Datenvorbereitung festgelegt wird. Ausschlaggebender Faktor ist vor allem die Kapazitätsauslastung. Diese kann allerdings von der Aufbauhöhe abhängen, wie das nachfolgende Kapitel 5.5.3.2 zeigt. Zur Abschätzung der durchschnittlichen Auslastung des Beschichtungsraums d BSR werden in dieser Arbeit drei Ansätze entwickelt. Diese werden im anschließenden Kapitel vorgestellt.

5.5.3 Kapazitätsauslastung Die Kapazitätsauslastung ist ein entscheidender Faktor zur Berechnung der anteiligen Beschichtungszeit eines Bauteils und damit für die Kostenkalkulation der Generierung. Im Folgenden werden drei Ansätze zur Bestimmung der Auslastung des Beschichtungsraums eines Bauteils vorgestellt. Der erste Ansatz basiert auf der durchschnittlichen Auslastung abgeschlossener Baujobs. Das zweite Modell beinhaltet eine differenzierte, bauteilabhängige Abschätzung der Kapazitätsauslastung. Der dritte Ansatz umfasst eine Vorhersage der wahrscheinlichen Aufbauhöhe eines Bauteils. Die Auslastung wird dabei in Abhängigkeit von der prognostizierten Aufbauhöhe über ein Histogramm bestimmt. Die drei Ansätze bilden zugleich die in Kapitel 5.8.2 evaluierten Kalkulationsvarianten.

5.5.3.1 Durchschnittliche Baujobauslastung Die durchschnittliche Kapazitätsauslastung lässt sich durch die Auswertung von abgeschlossenen Baujobs im Laufe einer zeitlichen Periode bestimmen und definiert sich als: VAL,BJ,Per ∑in=1 VAL,BJ,i d BJ = (5.25) = n VBJ,Per ∑i=1 (h Max,i · l BR · bBR ) mit

d BJ VAL,BJ,Per VBJ,Per n VAL,BJ,i h Max,i

durchschnittliche Auslastung eines Baujobs Summe des genutzten und durch Teile eingenommenen Auslastungsvolumens der Baujobs im Laufe einer Periode in mm3 Summe der Bauräume der Baujobs im Laufe einer Periode in mm3 Anzahl der abgeschlossenen Baujobs in der untersuchten Periode genutztes Volumen des Baujobs i in mm3 maximale Aufbauhöhe im Baujob i in mm

102

5 Angebots- und Vorkalkulation l BR bBR

Länge des Bauraums in mm, maschinenabhängig Breite des Bauraums in mm, maschinenabhängig

Der Nutzung des Durchschnittsfaktors d BJ liegt die Annahme zugrunde, dass die Auslastung eines Baujobs unabhängig von der Höhe über alle Schichten gleichverteilt ist. Eine vorgenommene Auswertung von 25 abgeschlossenen Baujobs zeigt eine durchschnittliche Baujobauslastung von 3,6 %. Dieser Faktor kann in Formel 5.24 zur Berechnung der Beschichtungszeit genutzt werden. Bei Betrachtung der Gesamtgenerierzeit wird deutlich, dass der Ansatz bei konstantem Auslastungsfaktor d BJ auf den der durchschnittlichen Gesamtaufbaurate (Formel 5.22) zurückgeführt werden kann: tGen = t BL + t BS VBT + VSup tS = + · (VBT + VSup ) v AR,BL d BJ · hS · l BR · bBR   tS 1 · (VBT + VSup ) + = v AR,BL d BJ · hS · l BR · bBR 1 · (VBT + VSup ) = v AR

(5.26)

5.5.3.2 Differenzierte, bauteilabhängige Auslastung Die durchschnittliche Baujobauslastung (siehe Abschnitt 5.5.3.1) bezieht sich auf komplette Baujobs, ohne die Aufbauhöhe des zu kalkulierenden Bauteils zu berücksichtigen. Eine Analyse abgeschlossener Baujobs mit verschiedenen Bauteilen ist in Abbildung 5.7 dargestellt. Diese zeigt allerdings, dass die Aufbauhöhen der hergestellten Bauteile nicht gleichmäßig verteilt sind. Ein Großteil der Bauteile wird mit einer niedrigen bis mittelhohen Aufbauhöhe gefertigt. Hohe Bauteile finden sich seltener in den analysierten Baujobs. So haben ca. 90 % der Bauteile aus vergangenen Baujobs maximal eine Aufbauhöhe von 100 mm. Die variierende Verteilung der Aufbauhöhe findet sich auch innerhalb der einzelnen Baujobs wieder. Diese beinhalten häufig Bauteile mit unterschiedlichen Aufbauhöhen. Dies verdeutlicht Abbildung 5.8. Häufig werden wenige große Teile im selben Baujob mit vielen kleinen Teilen gefertigt. Die durchschnittliche Differenz zwischen der niedrigsten und höchsten Aufbauhöhe innerhalb eines Baujobs liegt bei 46 mm. Die größte Differenz in einem Baujob ist bei Baujob BJ22 vorhanden und liegt bei über 160 mm. Dabei ist die höchste Aufbauhöhe über siebenmal größer als die kleinste Aufbauhöhe. Daraus kann gefolgert werden, dass die Kapazitätsauslastung in hohem Maße von der Aufbauhöhe abhängt. Eine Auswertung der Baujobs hinsichtlich der

5.5 Fertigungskosten

103

Prozentsatz 60% an Bauteilen 50% 40% 30% 20% 10%

>220

200-220

180-200

160-180

140-160

120-140

100-120

80-100

60-80

40-60

20-40

0-20

0%

Aufbauhöhe [mm]

Abbildung 5.7: Analyse der Aufbauhöhe von Bauteilen in 25 abgeschlossenen Baujobs

Aufbauhöhe 225 [mm] 200 175

150 125 100

75 50 25

Niedrigste Aufbauhöhe im Baujob

BJ25

BJ24

BJ23

BJ22

BJ21

BJ20

BJ19

BJ18

BJ17

BJ16

BJ15

BJ14

BJ13

BJ12

BJ11

BJ10

BJ9

BJ8

BJ7

BJ6

BJ5

BJ4

BJ3

BJ2

BJ1

0

Höchste Aufbauhöhe im Baujob

Abbildung 5.8: Analyse der niedrigsten und höchsten Aufbauhöhe in 25 abgeschlossenen Baujobs

104

5 Angebots- und Vorkalkulation

volumenmäßigen Auslastung in Abhängigkeit von der Aufbauhöhe ist in Abbildung 5.9 dargestellt. Es wird deutlich, dass die Auslastung mit ansteigender Aufbauhöhe abnimmt. Während im Bereich bis 20 mm Bauhöhe die Auslastung noch bei ca. 4 % liegt, ist dies bei einer Höhe bis 220 mm nur noch ca. 1,5 %. Dies liegt daran, dass bei SLM alle Bauteile mittels Supportstrukturen an der Bauplattform fixiert werden. Ein Übereinanderstapeln der Bauteile ist nicht üblich. durchschnittliche 4,5% Auslastung 4,0% 3,5% 3,0% 2,5% 2,0% 1,5%

1,0% 0,5%

0-300

0-280

0-260

0-240

0-220

0-200

0-180

0-160

0-140

0-120

0-100

0-80

0-60

0-40

0-20

0,0%

Aufbauhöhe [mm]

Abbildung 5.9: Analyse der Auslastung von Bauräumen in Abhängigkeit von der Aufbauhöhe in 25 abgeschlossenen Baujobs

Das Histogramm in Abbildung 5.9 verdeutlicht, dass die Auslastung in hohen Bereichen immer kleiner wird. Dadurch kann bei hoch aufgebauten Bauteilen der Anteil an der Auslastung deutlich größer sein als bei kleinen Bauteilen. Diese unterschiedliche Auslastung sollte auch in der Kostenrechnung berücksichtigt werden. Daher wird in der Folge ein Modell für die Vorhersage der zu erwartenden bauteilabhängigen Kapazitätsauslastung entwickelt, welches diese höhenabhängige Komponente implizit beinhaltet und damit eine genauere Kalkulation als ein undifferenzierter Durchschnittsfaktor ermöglicht. Das Vorhersagemodell ist statistisch basiert und verwendet eine lineare Regressionsanalyse. Analysierte Bauteildaten mit Abmessungen, Oberfläche und Volumen der Bauteile sowie zugehörige Kapazitätsauslastungen von abgeschlossenen Baujobs bilden die Datenbasis für das Training der linearen Regression. Um die unabhängigen Variablen eindeutig zuzuordnen, werden die Abmessungen pro Bauteil nach Länge sortiert. Die sortierten Daten bilden die Eingabe für die Regressionsanalyse. Die abhängige Variable ist die reale Auslastung bezogen auf die Aufbauhöhe der Bauteile. Die Regressionskoeffizienten werden bestimmt mittels der Methode der kleinsten Quadrate. Während der Modellentwicklung werden Einflussvariablen, die nicht signifikant sind, schrittweise ausgeschlossen. Nicht

5.5 Fertigungskosten

105

signifikante Variablen haben einen p-Wert, der größer als 5 % ist. Der p-Wert gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass ein Regressionskoeffizient den Wert null und die Variable damit keinen Einfluss hat. Je kleiner der p-Wert ist, desto stärker ist der Einfluss des Faktors auf die abhängige Variable. Dies führt im Ergebnis zu folgendem Vorhersagemodell für die Kapazitätsauslastung: d BSR = α0 + α1 · dim BT1 mit

d BSR α0 α1 dim BT1

(5.27)

Auslastung des Beschichtungsraums beim Aufbau des gegebenen Bauteils Regressionskonstante Regressionskoeffizient in 1/mm längste Kante der Abmessungen des Bauteils in mm

Die prognostizierte Kapazitätsauslastung kann in Formel 5.24 verwendet werden, um die zu erwartende anteilige Beschichtungszeit für ein Bauteil zu kalkulieren. Diese Methode ermöglicht eine genauere Kalkulation als die Verwendung eines durchschnittlichen Gesamtfaktors (siehe Kapitel 5.5.3.1).

5.5.3.3 Abschätzung der Aufbauhöhe Während das zuvor vorgestellte Vorhersagemodell (siehe Kapitel 5.5.3.2) keine explizite Abschätzung der Aufbauhöhe eines Bauteils beinhaltet, prognostiziert das anschließende Modell die zu erwartende Aufbauhöhe eines Bauteils. Ebenfalls basierend auf einer linearen Regression, die im Vorgehen dem in Kapitel 5.5.3.2 dargestellten Ansatz entspricht, kann die wahrscheinliche Aufbauhöhe durch folgendes statistisches Modell abgeschätzt werden: hGen = β 1 · dim BT1 + β 2 · dim BT2 mit

hGen β1 , β2 dim BT1 dim BT2

(5.28)

prognostizierte Aufbauhöhe des Bauteils in mm Regressionskoeffizienten längste Kante der Abmessungen des Bauteils in mm zweitlängste Kante der Abmessungen des Bauteils in mm

Die voraussichtliche Aufbauhöhe eines Bauteils dient als Eingabe für das Histogramm, welches die Beziehung zwischen Auslastung und Aufbauhöhe beschreibt (siehe Abbildung 5.9). Die Kapazitätsauslastung kann entsprechend der prognostizierten Aufbauhöhe des Bauteils aus dem angegebenen Histogramm ermittelt und in Formel 5.24 zur Berechnung der anteiligen Beschichtungszeit verwendet werden.

106

5 Angebots- und Vorkalkulation

5.5.4 Nachbearbeitung Als Nachbearbeitungsverfahren für additiv hergestellte Bauteile haben sich in der industriellen Fertigung die Prozessschritte Wärmebehandlung, Drahterodieren, Supportentfernung und Sandstrahlen etabliert. Für die Verfahren werden nachfolgend Kostenfunktionen entwickelt. Auf die Kostenermittlung einer spanenden Endbearbeitung von Funktionsflächen wird in Kapitel 7.2.2 eingegangen. Dort wird ein Kostenmodell für die Fräsbearbeitung vorgestellt. Dieses lässt sich ebenfalls in der Angebotskalkulation nutzen.

5.5.4.1 Wärmebehandlung Beispielhaft für eine Form der Wärmenachbehandlung wird das Spannungsarmglühen betrachtet, welches der Reduzierung von während des Generierprozesses in das Bauteil induzierten Eigenspannungen dient (siehe Kapitel 2.1.5). Üblicherweise wird eine komplette Bauplattform im Ofen wärmebehandelt. Da auf einer Bauplattform mehrere unterschiedliche Bauteile generiert werden können, ist wie bei den Rüstvorgängen für das Generieren eine direkte Zuordnung der Kosten zu einem Bauteil häufig nicht möglich. Die Kosten werden daher anteilig über das Volumen auf die Bauteile umgelegt: FEKWB = VBT · kWB mit

FEKWB VBT kWB

(5.29)

Fertigungseinzelkosten für die Wärmebehandlung in e Volumen des Bauteils in mm3 volumenbezogener Kostensatz für die Wärmebehandlung in e/mm3

Der volumenbezogene Kostensatz für die Wärmebehandlung kWB lässt sich berechnen aus den kumulierten Wärmebehandlungskosten im Laufe einer Periode und der Summe an behandelten Bauteilvolumina in dieser Periode. Da die Rüstzeit für die Wärmebehandlung im Vergleich zur Ausführungszeit marginal ist, kann diese vernachlässigt werden.

5.5.4.2 Drahterodieren Die Bauteile werden von der Bauplattform in der Regel durch Drahterodieren getrennt [155]. Dabei wird mittels Funkenerosion entlang eines Drahtes Material zwischen Bauplattform und Werkstück abgetragen [192]. Die Kosten für das Drahterodieren berechnen sich aus dem Maschinenstundensatz und der Dauer

5.5 Fertigungskosten

107

der Inanspruchnahme der Drahterodiermaschine. Die Bearbeitungsdauer ergibt sich wiederum aus der abzutrennenden Fläche und der Trenngeschwindigkeit: FEK DE = k Mh,DE · t DE = k Mh,DE · mit

FEK DE k Mh,DE t DE A BT,BP v DE

A BT,BP v DE

(5.30)

Fertigungseinzelkosten für das Drahterodieren in e Maschinenstundensatz der Drahterodiermaschine in e/h Zeit für das Drahterodieren in h Anbindungsfläche, welche das Bauteil auf der Bauplattform einnimmt, in mm2 Trenngeschwindigkeit in mm2/min

In der Kalkulation wird von einer durchschnittlichen, werkstoffunabhängigen Trenngeschwindigkeit v DE von 50 mm2/min ausgegangen [134]. Da die Rüstzeit im Vergleich zur Ausführungszeit marginal ist, wird diese hier vernachlässigt. Ähnlich zur Wärmebehandlung werden auch beim Drahterodieren komplette Baujobs bearbeitet. Somit wäre alternativ zur vorgestellten Methode auch ein volumenbasierter Verrechnungsansatz zur Umlegung der Kosten auf die einzelnen Bauteile denkbar. Um eine genauere Zuweisung der Kosten zu erreichen, wurde sich in dieser Arbeit für eine Verrechnung über die zu durchtrennende Fläche entschieden.

5.5.4.3 Supportentfernung Im Folgenden wird das Entfernen der Supportstrukturen als manueller Prozess betrachtet. Dieser beinhaltet das Entfernen der Supports mittels Zange oder Meißel sowie das Nachbearbeiten durch Feilen und Schleifen der entsprechenden Oberflächen. Die Kosten berechnen sich hauptsächlich aus den Personalkosten. Hauptkostentreiber ist die Supportfläche, welche die durch Supports belegte Oberfläche eines Bauteils darstellt: FEKSE = k Ph,SE · tSE = k Ph,SE · mit

FEKSE k Ph,SE tSE ASup vSE

ASup vSE

(5.31)

Fertigungseinzelkosten für das Supportentfernen in e Personenstundensatz beim Supportentfernen in e/h Zeit für das Entfernen der Supports in min Fläche, die auf dem Bauteil mit Supports bedeckt ist, in mm2 durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit für manuelle Supportentfernung in mm2/min

Zur Ermittlung der durchschnittlichen Bearbeitungsgeschwindigkeit für die manuelle Supportentfernung vSE wurden empirisch Zeiten in der Nachbearbeitung

108

5 Angebots- und Vorkalkulation

gemessen. Dabei ließ sich über alle drei untersuchten Werkstoffe eine durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit von 52 mm2/min ermitteln. Eine genauere Analyse der Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt, dass diese in Abhängigkeit vom bearbeiteten Werkstoff variieren kann (siehe Abbildung 5.10). Insbesondere bei Aluminium liegt die durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit unter der für Edelstahl und Titan. Dies lässt sich damit begründen, dass Aluminium ein vergleichsweise weiches Materialverhalten aufweist. Die Supportstrukturen verbiegen daher leicht und lassen sich häufig nicht, wie dies bei härteren Werkstoffen der Fall wäre, durch Abknicken lösen. Auch wenn die Kosten für die Supportentfernung in den meisten Fällen marginal im Vergleich zur Generierung sind, bieten diese Ergebnisse Potential für weitere Untersuchungen. Bearbeitungs- 140 geschwindigkeit [mm2/min] 120

Aluminium AlSi10Mg (‡ 34,8)

Titan Ti6AlV4 (‡ 72,5)

Edelstahl 1.4404 (‡ 47,4)

100 80 60 40

20

BT12

BT11

BT10

BT9

BT8

BT7

BT6

BT5

BT4

BT3

BT2

BT1

0

Abbildung 5.10: Analyse der Bearbeitungsgeschwindigkeit für manuelle Supportentfernung

5.5.4.4 Oberflächenbehandlung durch Sandstrahlen Das Strahlen mit Sand dient der Befreiung von Pulverrückständen und der Reinigung der Oberflächen. Das Glasperlenstrahlen, welches neben dem Sandstrahlen ebenfalls Anwendung innerhalb der additiven Prozesskette findet, führt zur Verfestigung der Oberflächen [70]. Sowohl das Sand- als auch das Kugelstrahlen erfordert parallelen Maschinen- und Personaleinsatz: FEKStr = (k Mh,Str + k Ph,Str ) · tStr = (k Mh,Str + k Ph,Str ) ·

A BT vStr

(5.32)

5.6 Vertriebs- und Verwaltungskosten mit

FEKStr k Mh,Str k Ph,Str tStr A BT vStr

109

Fertigungseinzelkosten für die Oberflächenbehandlung durch Sandstrahlen in e Maschinenstundensatz der Strahlmaschine in e/h Personenstundensatz beim Sandstrahlen in e/h Zeit für das Sandstrahlen in min Bauteiloberfläche in mm2 durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit für die Oberflächenbehandlung mittels Sandstrahlen in mm2/min

Die durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit für das Strahlen vStr wurde analog zur Supportentfernung (siehe Kapitel 5.5.4.3) empirisch erfasst. Dabei konnte eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 6.500 mm2/min über alle bearbeiteten Werkstoffe ermittelt werden. Ein Auf- oder Abrüsten ist nicht notwendig.

5.5.5 Restfertigungsgemeinkosten Alle Fertigungskosten, welche nicht direkt einem der genannten Prozessschritte zugeordnet werden können, lassen sich zuschlagsbasiert verrechnen. Hier fließen auch jene Kosten ein, die durch Fehlproduktion, z. B. Ausschuss durch Baujobabbrüche, Auf- und Abrüsten der Nachbearbeitungsmaschinen, Entsorgung und sonstige Aufwendungen für Betriebsstoffe entstehen. Dies betrifft ebenfalls die Kosten für Qualitätssicherung, welche unternehmensabhängig variieren können. Sie werden in den Restfertigungsgemeinkosten berücksichtigt: RFGK = FEK · z RFGK mit

RFGK FEK z RFGK

(5.33)

Restfertigungsgemeinkosten in e Fertigungseinzelkosten in e Zuschlagssatz für Restfertigungsgemeinkosten

5.6 Vertriebs- und Verwaltungskosten Die Kosten für den Vertrieb und die Verwaltung, welche ebenfalls die Bereiche Unternehmensführung, Rechnungswesen und Informationstechnologie (IT) umfasst, sind unternehmensabhängig und lassen sich häufig nicht eindeutig einem Kostenträger, z. B. einem hergestellten Produkt, zuordnen. Sie beinhalten vor allem Personal-, Energie-, Raum-, Hosting-, Hard- und Softwarekosten. Die anfallenden Kosten werden daher nur als Gemeinkosten betrachtet und zuschlagsbasiert über die Herstellkosten verrechnet [94]: VVK = HK · zVVK = ( MK + FK ) · zVVK

(5.34)

110 mit

5 Angebots- und Vorkalkulation VVK HK zVVK MK FK

Vertriebs- und Verwaltungskosten des Bauteils in e Herstellkosten des Bauteils in e Zuschlagssatz für Vertriebs- und Verwaltungskosten Materialkosten des Bauteils in e Fertigungskosten des Bauteils in e

5.7 Preisbildung Die Preisbildung basiert auf einem kostenorientierten Ansatz (siehe auch Kapitel 2.3.1.4). Das bedeutet, dass zur Berechnung des Barverkaufspreises auf die berechneten Selbstkosten (siehe Kapitel 5.2) ein Gewinnzuschlag, welcher sich als prozentualer Anteil der Selbstkosten beschreibt, aufgeschlagen wird [172]: BVP = SK + SK · zG mit

BVP SK zG

(5.35)

Barverkaufspreis in e Selbstkosten in e Gewinnzuschlagssatz

Die jeweils gültige Umsatzsteuer sowie mögliche Auslieferungskosten sind ebenfalls auf den Barverkaufspreis aufzuschlagen. Da die Berechnung der Selbstkosten auf dem Volumen als einer der Hauptkostentreiber basiert, ist es sinnvoll, einen Mindestbetrag vorzusehen, vor allem bei Bauteilen mit kleinem Volumen. Die Kalkulationsmethodik ermöglicht die Berechnung konstanter Einzelstückpreise. Dies ist insbesondere für die Bestellung von Einzel- und Kleinserien über einen Online-Katalog interessant. Für die Kostenberechnung größerer Stückzahlen gleichartiger Bauteile wird in Kapitel 7.2.1 eine weiterführende Kalkulationsmethodik vorgestellt.

5.8 Evaluierung Die Evaluierung der Angebots- und Vorkalkulation setzt sich zusammen aus einer Analyse der Effizienz, Effektivität und Transparenz. Die Experimente wurden auf handelsüblicher Hard- und Software ausgeführt: Windows 7 Professional (64-Bit-Betriebssystem) mit Intel Core i5-6200U (2,30 GHz) und 8 GB RAM. Die verwendete Java Laufzeitumgebung ist JRE1.8.0_121.

5.8 Evaluierung

111

5.8.1 Effizienz Zur Evaluierung der Effizienz erfolgt zunächst eine Analyse des Kalkulationsaufwands der implementierten Angebotskalkulation. Anschließend wird ein Vergleich zur konventionellen Kalkulation gezogen.

5.8.1.1 Aufwandsanalyse Zur Ermittlung des Kalkulationsaufwands wurden die Laufzeiten von 20 unterschiedlichen Bauteilen aus 10 abgeschlossenen Baujobs analysiert. Die STLDateien der Bauteile haben im Mittel eine Größe von 38 Megabyte und 200.214 Dreiecksfacetten. Die unterschiedlichen Ansätze zur Berechnung der Kapazitätsauslastung verfügen über ein konstantes Laufzeitverhalten. Im Rahmen der Aufwandsanalyse wurde eine konstante Baujobauslastung angenommen (siehe Kapitel 5.5.3.1). Im Durchschnitt dauert die automatische Kalkulation und Geometrieauswertung 2,37 Sekunden. Die Gesamtlaufzeit einschließlich der Generierung eines Vorschaubilds und Abspeichern in der Datenbank dauert durchschnittlich 5,59 Sekunden. Für das Bauteil mit der größten Dateigröße von etwa 390 Megabyte beträgt die Gesamtlaufzeit 43 Sekunden. Die Auswertung der Bauteilgeometrie und damit der Gesamtaufwand der Kalkulation verhält sich linear zur Anzahl der Dreiecksfacetten im STL (siehe Kapitel 5.2.3). Dies entspricht einer Laufzeitkomplexität von O(n).

5.8.1.2 Vergleich zu konventioneller Kalkulation Abbildung 5.11 zeigt die Umstellung von einer konventionellen Angebotskalkulation auf eine automatisierte, webbasierte Lösung. Es wird deutlich, dass der bisherige Prozess der Angebotskalkulation zu großen Teilen durch manuelle Arbeit geprägt ist und hohen Kommunikationsaufwand erfordert. Der Kunde kontaktiert zunächst die Vertriebsabteilung des Fertigungsdienstleisters und schickt dieser im Rahmen einer Fertigungsanfrage die STL- oder CADDatei des herzustellenden Bauteils. Dies erfolgt üblicherweise per E-Mail. Der Vertrieb leitet die Anfrage an die Fertigungsabteilung weiter, insbesondere an die Arbeits- und Datenvorbereitung. In der Arbeitsvorbereitung werden für die Angebotskalkulation relevante Fertigungsparameter festgelegt. Diese sind vor allem die Orientierung des Bauteils im Bauraum und das Setzen von Supportstrukturen. Die Ergebnisse dieser Fertigungsvorbereitung werden an die Vertriebsabteilung zurückgegeben. Auf Grundlage des vorbereiteten Bauteils und einem erweiterten Wissen über die Fertigung berechnet der Vertrieb das Angebot, welches an

112

5 Angebots- und Vorkalkulation

den Kunden geschickt wird. Der ganze Prozess kann bis zu vier Arbeitsstunden pro Anfrage bei Bearbeitung von erfahrenen Experten in Anspruch nehmen. Abhängig von der Arbeitsbelastung kann eine Antwort auf eine Kundenanfrage mehrere Werktage dauern. Wenn anschließend keine Beauftragung durch den Kunden erfolgt, müssen die erfolgten Arbeitsaufwände durch andere Aufträge gedeckt werden. 1. Fertigungsanfrage (STL-Datei) Vertrieb (Fertigungsdienstleister)

Kunde

2. Unvorbereitete Daten (STL-Datei) Arbeits- und Datenvorbereitung (Fertigungsdienstleister)

3. Vorbereitete Daten (Aufbauhöhe, Supportstrukturen etc.) Konventionelle Angebotskalkulation 4. Angebot

1. Fertigungsanfrage (Hochladen der STL-Datei)

Kunde

Cloudbasierte Plattform (Fertigungsdienstleister)

2. Angebot Automatisierte, webbasierte Angebotskalkulation

Abbildung 5.11: Umstellung der manuellen Angebotskalkulation auf ein webbasiertes Verfahren

Bei der entwickelten Angebotskalkulation lädt der Kunde die STL- oder CADDaten des Bauteils über die Online-Plattform hoch. Auf Serverseite wird automatisch innerhalb von Sekunden ein Preis berechnet. Der angebotene Preis wird dem Kunden anschließend unmittelbar über den Webbrowser angezeigt. Basierend auf dem Angebot kann der Kunde daraufhin eine Beauftragung auslösen. Im Vergleich zur konventionellen Kalkulation ist der Aufwand des Prozesses deutlich reduziert. Die Preisberechnung ist voll automatisiert und Kommunikationsaufwand wird vermieden. Die Arbeits- und Datenvorbereitung sowie idealerweise der Vertrieb sind nicht mehr in den Kalkulations- und Angebotserstellungsprozess involviert. Da alle Berechnungen und Verarbeitungsschritte in einer digitalen Plattform integriert sind, werden zahlreiche Softwarewerkzeuge, welche herkömmlicher Weise eingesetzt werden, nicht mehr benötigt. Dazu gehören beispielsweise ein Tabellenkalkulationsprogramm, Software zur Datenvorbereitung sowie möglicherweise Customer-Relationship-Management (CRM)- und ERP-Systeme. Die Reduzierung des Arbeitsaufwandes von vier Stunden auf unter eine Minute entspricht einer Steigerung der Effizienz um das 240-Fache. Dies verdeutlicht die Leistungsfähigkeit einer automatisierten Kalkulationsmethodik.

5.8 Evaluierung

113

5.8.2 Effektivität Die Evaluierung der Effektivität vergleicht die Ergebnisse der Vorkalkulation mit denen der Nachkalkulation. Zunächst werden die in diesem Rahmen genutzten statistischen Fehlermaße vorgestellt. Anschließend folgt eine Analyse der drei entwickelten Kalkulationsvarianten.

5.8.2.1 Statistische Fehlermaße Die entwickelten Ansätze werden mit Hilfe der statistischen Fehlermaße Mean Squared Error (mittlerer quadratischer Fehler) (MSE), Mean Absolute Percentage Error (mittlerer absoluter relativer Fehler) (MAPE) und Mean Error (mittlerer vorzeichenbehafteter Fehler) (ME) evaluiert und miteinander verglichen [224]: MSE =

1 n

n

∑ (θi − θˆi )2

1 MAPE = n ME = mit

MSE MAPE ME θi θˆi n

1 n

(5.36)

i =0

θ − θˆ i i ∑ θi i =0 n

(5.37)

n

∑ (θi − θˆi )

(5.38)

i =0

Mean Squared Error (mittlerer quadratischer Fehler) Mean Absolute Percentage Error (mittlerer absoluter relativer Fehler) Mean Error (mittlerer vorzeichenbehafteter Fehler) realer Wert des i-ten Datenpunkts abgeschätzter Wert des i-ten Datenpunkts Anzahl der Datenpunkte, z. B. Anzahl der ausgewerteten Bauteile

Der MAPE ist der Durchschnitt der absoluten prozentualen Abweichungen zwischen der errechneten Vorhersage und den realen Werten. Die Vorhersage kann sich beispielsweise als Vorkalkulation darstellen. Die zugehörigen realen Werte ergeben sich dann aus einer Nachkalkulation. Der MSE ist der Durchschnitt der Abweichungen zum Quadrat. Durch Quadrieren haben Ausreißer einen größeren Einfluss auf das Fehlerergebnis. Der ME beschreibt die durchschnittliche vorzeichenbehaftete Abweichung zwischen Prognose und Realwerten.

114

5 Angebots- und Vorkalkulation

5.8.2.2 Ergebnisauswertung Basis für die Evaluierung der in Kapitel 5.5.3 dargestellten Varianten des Kostenmodells hinsichtlich ihrer Genauigkeit ist die Generierzeit, da sie aufgrund der hohen Maschinenkosten den Hauptkostenfaktor darstellt und Basis für zahlreiche Zuschläge bildet. Dabei werden die berechneten Ergebnisse der entwickelten Kalkulationsalgorithmen mit einer Nachkalkulation verglichen, die auf realen Prozesszeiten von Baujobs basiert. Für die Evaluation wurde eine Menge von 25 abgeschlossenen Baujobs in zwei Teile aufgeteilt. 15 Baujobs wurden zum Anlernen bzw. Training der Methode und 10 Baujobs zur Evaluation genutzt. Aus diesen 10 Baujobs wurden 20 unterschiedliche Bauteile ausgewählt, welche in der Auswertung genutzt werden. Zur Nachkalkulation werden die realen Aufbauhöhen der Bauteile sowie Belichtungs- und Beschichtungszeiten der 10 Baujobs verwendet und auf die einzelnen Bauteile heruntergerechnet. Für die Verrechnung der Beschichtungszeit eines Bauteils wird eine gleichmäßige Verteilung des Bauteilvolumens über die Schichten angenommen. Die Verwendung eines Gesamtkapazitätsauslastungsfaktors, welcher die gleiche durchschnittliche Kapazitätsauslastung für jedes Bauteil unabhängig von dessen Abmessungen annimmt (siehe Kapitel 5.5.3.1), hat einen MAPE von 9,22 % für die Generierzeit. Der MSE beträgt 0,67 h2 (Stunden zum Quadrat). Der ME liegt bei 0,008 h. Abbildung 5.12 zeigt die Ergebnisse mit einem Vergleich zur Nachkalkulation für die 20 getesteten Bauteile. Bauteil BT20 stellt sich dabei als Ausreißer dar mit einer anteiligen Generierzeit, die in der Nachkalkulation über der Vorkalkulation liegt. Dies lässt sich damit erklären, dass es sich bei BT20 um ein Bauteil mit relativ hoher Aufbauhöhe von 187 mm handelt. Dementsprechend gering ist die reale Auslastung des zugehörigen Beschichtungsraums mit 1,9 %. Dadurch ergibt sich eine hohe Abweichung zur durchschnittlichen Gesamtauslastung von 3,6 %, welche wiederum zur Vorkalkulation genutzt wird und sich im dargestellten Ergebnis niederschlägt. Die Abweichung zwischen Vor- und Nachkalkulation kann in den beiden nachfolgend analysierten Ansätzen, welche eine höhenabhängige Kapazitätsauslastung beinhalten, verringert werden. Die Nutzung des statistischen Modells zur differenzierten Vorhersage der Kapazitätsauslastung, welche abhängig von den Abmessungen eines Bauteils ist (siehe Kapitel 5.5.3.2), zeigt einen MAPE von 8,78 % und MSE von 0,31 h2 . Der ME hat einen Wert von -0,08 h. Abbildung 5.13 verdeutlicht die Testergebnisse. Das Modell für die Abschätzung der Aufbauhöhe eines Bauteils mit anschließender Zuordnung der Kapazitätsauslastung über ein Histogramm, welches die Auslastung vergangener Baujobs in Abhängigkeit von der Aufbauhöhe beschreibt (siehe Kapitel 5.5.3.3), hat einen MAPE von 8,99 % und MSE von 0,21 h2 . Der ME beträgt -0,13 h. Abbildung 5.14 zeigt die Ergebnisse für die 20 ausgewerteten Bauteile.

5.8 Evaluierung

115

Generierzeit 12 [h] 10

8 6 4 2

Vorkalkulation

BT20

BT19

BT18

BT17

BT16

BT15

BT14

BT13

BT12

BT11

BT10

BT9

BT8

BT7

BT6

BT5

BT4

BT3

BT2

BT1

0

Nachkalkulation

Abbildung 5.12: Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation unter Nutzung des durchschnittlichen Gesamtauslastungsfaktors als 1. Kalkulationsvariante

Generierzeit 12 [h] 10 8

6 4

2

Vorkalkulation

BT20

BT19

BT18

BT17

BT16

BT15

BT14

BT13

BT12

BT11

BT10

BT9

BT8

BT7

BT6

BT5

BT4

BT3

BT2

BT1

0

Nachkalkulation

Abbildung 5.13: Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation unter Nutzung des Vorhersagemodells für die differenzierte, bauteilabhängige Kapazitätsauslastung als 2. Kalkulationsvariante

116

5 Angebots- und Vorkalkulation

Generierzeit 12 [h] 10 8

6 4

2

Vorkalkulation

BT20

BT19

BT18

BT17

BT16

BT15

BT14

BT13

BT12

BT11

BT10

BT9

BT8

BT7

BT6

BT5

BT4

BT3

BT2

BT1

0

Nachkalkulation

Abbildung 5.14: Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation unter Nutzung des Vorhersagemodells für die Aufbauhöhe als 3. Kalkulationsvariante

Die Unterschiede zwischen den drei Kalkulationsvarianten sind eher gering. Trotzdem zeigt die Vorhersage der Kapazitätsauslastung (siehe Kapitel 5.5.3.2) die besten Evaluierungsergebnisse für eine Kostenberechnung bezüglich des absoluten relativen Fehlers mit einem MAPE von 8,78 % und sollte für eine automatisierte Angebotskalkulation verwendet werden. Das Modell, welches auf der Vorhersage der Aufbauhöhe eines Bauteils basiert (siehe Kapitel 5.5.3.3), zeigt einen etwas schlechteren MAPE, aber einen besseren MSE. Dies ist ein Indikator dafür, dass es dort zu weniger Ausreißern kommt.

5.8.3 Transparenz Die Angebotskalkulation ist im Prototyp als Bestandteil einer Webapplikation implementiert. Nachdem das Bauteil durch den Kunden hochgeladen wurde, wird dieses, eventuell nach Freigabe durch den Fertigungsdienstleister, in den selbst erstellten Online-Teilekatalog des Kunden aufgenommen und der kalkulierte Angebotspreis dem Kunden angezeigt. Aus dem Online-Teilekatalog kann der Kunde daraufhin Bestellungen aufgeben (siehe Abbildung 5.1 zur Bestellansicht). Der Systemadministrator, z. B. ein Mitarbeiter des Fertigungsdienstleisters, hat eine zusätzliche Ansicht, welche den Angebotspreis aufschlüsselt und die Kosten der einzelnen Prozessschritte transparent darstellt (siehe Abbildung 5.15). Diese Transparenz wird vor allem durch das analytische Kalkulationsmodell, welches der Angebotsbildung zugrunde liegt, ermöglicht.

5.9 Selbstlernende Kalkulation

117

Abbildung 5.15: Ergebnisansicht der implementierten Angebotsberechnung

5.9 Selbstlernende Kalkulation Die vorgestellten Modelle zur Abschätzung der Kapazitätsauslastung und der voraussichtlichen Aufbauhöhe basieren auf einer statistischen Auswertung vergangener Baujobs. Die Vorhersagemodelle bieten damit die Möglichkeit in einem selbstlernenden System eingesetzt zu werden. Durch inkrementelles Lernen optimiert sich ein solches System selbst. Abbildung 5.16 zeigt das Konzept einer selbstlernenden Kalkulation für die additive Fertigung. Neue Baujobs, welche in Produktion waren, können unmittelbar zum weiteren Training der Regressionsmodelle oder Aktualisierung durchschnittlicher Berechnungsfaktoren, wie beispielsweise der durchschnittlichen Kapazitätsauslastung, genutzt werden. Auf diese Weise wächst die Datenbasis, welche als Grundlage für die Erstellung und das Training der Kalkulationsmodelle dient, mit jedem neuen Baujob, der in Produktion geht. Das System optimiert sich schrittweise über die Zeit, da es aus mehr Situationen lernen kann. Dies ermöglicht eine genauere Kostenberechnung und eine dynamische Kalkulation, welche sich automatisch an die Auslastung der Produktion anpassen kann. Dies unterstützt vor allem die interne Kostenerfassung. Über eine entsprechende Preisbildung ist es potentiell möglich,

118

5 Angebots- und Vorkalkulation

sich ändernde Kosten an den Kunden weiterzugeben, wobei eine direkte Anpassung des Preises aufgrund von Schwankungen eventuell nicht in jedem Fall gewünscht ist. Kostenmodell zur Angebots- und Vorkalkulation

Selbstlernen (inklusive des neuen Baujobs)

Datenbasis der Kalkulation

… Neuer Baujob

Abgeschlossene Baujobs (bereits in Produktion gewesen)

Abbildung 5.16: Konzept einer selbstlernenden Kalkulation für die additive Fertigung

5.10 Übertragung auf selektives Lasersintern Die entwickelte Methodik lässt sich grundsätzlich auf SLS übertragen. Im Folgenden wird auf die zu beachtenden Unterschiede, insbesondere in der Materialund Fertigungskostenkalkulation, eingegangen. Bei SLS altert das Pulver durch thermisch bedingten Einfluss in jedem Prozessdurchlauf [29]. In der Folge werden neue Bauräume in der Praxis mit höchstens 60 % Altpulver und mindestens 40 % Neupulver vorbereitet [135]. Das mit der Zeit verbleibende Altpulver wird entsorgt. Dabei wird häufig versucht das Pulver, welches nah an einem gesinterten Bauteil liegt, direkt zu beseitigen. Bei einer Baujobauslastung von durchschnittlich 10 % wären 30 % Pulver pro Baujob zu entsorgen. In der Kalkulation ist somit für SLS von einem deutlich höheren Pulverschwund bzw. -verbrauch von bis zu 300 % auszugehen.

5.10 Übertragung auf selektives Lasersintern

119

Da bei SLS keine Supportstrukturen benötigt werden und weniger Fertigungsrestriktionen beachtet werden müssen, erfordert auch die Datenvorbereitung weniger manuellen Aufwand und Expertenwissen als bei SLM. So kann bei SLS häufig die automatische Nesting-Funktion der Datenvorbereitungssoftware genutzt werden, welche die Bauteile möglichst effizient im Bauraum anordnet. Zu beachten sind Mindestwandstärken und der Treppenstufeneffekt, welcher durch den schichtweisen Auftrag entsteht. Dies führt zu einer deutlich dichteren Zusammenstellung der Baujobs. Die Auswertung abgeschlossener Baujobs zeigt eine durchschnittliche Baujobauslastung von 10 % und entspricht damit Angaben in bestehender Literatur [196]. Dabei werden die Bauteile übereinandergestapelt und müssen nicht an der Grundplatte fixiert werden. Die Auslastung ist bei SLS daher in der Regel nicht abhängig von der Aufbauhöhe. Das Rüsten für den SLS-Prozess setzt sich aus Vor- und Nachbereitungsschritten zusammen. Die Vorbereitungsschritte umfassen das Festlegen der Maschineneinstellungen, Vorwärmen und Justieren. Die Nachbearbeitungsschritte sind das Entnehmen und Abkühlen des Pulverblocks sowie das Entpacken. Da bei SLS keine Bauplattform benötigt wird, entfallen das Planfräsen und Einsetzen der Bauplatte. Die Kosten für die Generierung mittels SLS berechnen sich auf grundsätzlich ähnliche Weise wie die für SLM. Die Beschichtungszeit beinhaltet sowohl den Pulverauftrag als auch das Aufheizen in jedem Zyklus. Die Aufwände der Nachbearbeitung fallen aufgrund der verfahrensbedingten Unterschiede wesentlich geringer aus, insbesondere da keine Supportstrukturen benötigt werden und eine Anbindung an die Bauplattform ebenfalls nicht notwendig ist. Üblicherweise erfolgt ein Sandstrahlen der gefertigten Bauteile.

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen Additive Fertigungsverfahren ermöglichen aufgrund des hohen Grades an Freiheit in der Bauteilgestaltung die Herstellung von komplexen, optimierten Bauteilen. Durch das Verfahren ist es in der Bauteilfertigung möglich, Material weitestgehend nur an den Stellen einzubringen, an denen es für die Funktion des Bauteils benötigt wird [105]. So können Material, Gewicht, Fertigungszeit und Kosten eingespart werden. Ziel dieses Kapitels ist die Entwicklung einer webbasierten Methodik zur Voraussage von Potentialen, welche sich durch die Optimierung eines Bauteils ergeben. Zum Zeitpunkt der Potentialermittlung ist die finale Geometrie des optimierten Teils nicht bekannt. Der Fokus liegt auf Potentialen durch Stoff- und Formleichtbau mittels Topologieoptimierung. Die Methode der finiten Elemente bildet die Grundlage für eine Topologieoptimierung (siehe Kapitel 2.4.2). Mittels FEM ist es möglich, die in einem Bauteil auftretenden Spannungen unter mechanischer Belastung zu berechnen, auf deren Basis in der Topologieoptimierung die Materialverteilung bestimmt wird. WebFEM

Abbildung 6.1: Benutzerschnittstelle der webbasierten FEM

Aufgrund des Bedarfs nach einer effizienten, effektiven und nachvollziehbaren Potentialbewertung (siehe Kapitel 3) wurde sich für die Entwicklung eines analytischen Ansatzes entschieden. Analog zur Topologieoptimierung stellt eine FEMBerechnung, welche über den Webbrowser ausführbar ist (siehe Abbildung 6.1), die Basis der entwickelten Potentialbewertung dar. Im Folgenden wird zunächst © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_6

122

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen

das Aufbau- und Vorgehensmodell der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten webbasierten FEM beschrieben. Anschließend wird aufgezeigt, wie mit Hilfe der Berechnungsergebnisse das Potential von Bauteiloptimierungen bewertet werden kann.

6.1 Webbasierte Finite-Elemente-Methode Die webbasierte FEM basiert auf einer Client-Server-Architektur und kann vollständig über den Browser bedient werden. Installation von Zusatzsoftware auf dem Client ist nicht notwendig. Die Implementierung als webbasierter Prototyp erfolgte mittels HTML, JavaScript und WebGL zur dreidimensionalen Visualisierung im Front-End sowie Java im Back-End [80]. Die Anwendung folgt dem in Abbildung 6.2 dargestellten Ablauf: 1. Hochladen der Geometriedaten Client

Client

CAD- oder STL-Datei

Server

2. Vernetzung

Vernetzte Objektgeometrie

Server

3. FEM-Berechnung Client

4. Ergebnisse anzeigen Client

Randbedingungen

Server

Ergebnisse der FEMBerechnung

Server

Abbildung 6.2: Ablauf und Architektur der webbasierten FEM

1. Ausgangspunkt für die Potentialbewertung ist die Vorlage der konventionellen Geometrie eines Bauteils durch den Nutzer. Alternativ kann auch ein Geometriemodell des Bauraums die Grundlage für die Berechnung bilden (siehe Kapitel 6.5). Dazu lädt der Nutzer die Geometriedaten als CADoder STL-Datei, welche zum stabilen Durchlauf fehlerfrei vorliegen müssen, über ein Webformular hoch und überträgt damit die Daten auf die serverbasierte Plattform. Die Bauteildaten werden auf dem Server gespeichert.

6.1 Webbasierte Finite-Elemente-Methode

123

2. Basierend auf der gegebenen Bauteilgeometrie werden die finiten Elemente in Form von linearen Tetraedern mit vier Knoten pro Element erzeugt. Dazu werden sowohl die Oberfläche als auch das Volumen des Objekts vernetzt (engl. Mesh Generation). Abbildung 6.3 zeigt das Ergebnis der Vernetzung am Beispiel des Flight Crew Rest Compartment (FCRC)-Brackets, einem Sekundärstrukturelement aus dem Flugzeugbau. Im Rahmen der Implementierung werden dazu die frei verfügbaren Netzgeneratoren TetGen oder Netgen genutzt und an die Applikationslogik des Servers angebunden [198, 207]. Nach erfolgreicher Netzgenerierung wird die vernetzte Objektgeometrie an den Client übermittelt. Weiterhin ist das verwendete Material zu spezifizieren. Dabei sollte das Zielmaterial gewählt werden, welches bei der additiven Fertigung des topologieoptimierten Bauteils zum Einsatz kommen würde. Für in der additiven Fertigung üblicherweise verwendete Materialien, wie Aluminium- oder Titanlegierungen, sind die erforderlichen Materialkennwerte im System hinterlegt. WebFEM

Abbildung 6.3: Bauteil nach der Vernetzung

Um den Kommunikationsaufwand zwischen Client und Server möglichst gering zu halten, wird nicht das vollständige Volumennetz mit dem Client ausgetauscht, sondern nur die vernetzte Objektoberfläche, an welcher die Modellierung der Randbedingungen vorgenommen wird. Diese werden zusätzlich binär serialisiert und komprimiert. Für die in Tabelle 6.1 dargestellten Ausgangsbauteile konnte dadurch die Menge an kommunizierten Daten im Durchschnitt um ca. 90 % reduziert werden. 3. Die vernetzte Bauteilgeometrie wird anschließend über die graphische Benutzeroberfläche angezeigt. Der Nutzer kann dort die wirkenden statischen oder dynamischen Lastfälle durch das Anbringen von Kräften und Lager-

124

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen bedingungen modellieren (siehe Abbildung 6.4). Kräfte und Lager lassen sich über Ein- und Mehrfachmarkierungen auf den Knoten des Netzes aufbringen. Neben der Abbildung von Punktlasten auf Knoten hat der Nutzer zusätzlich die Möglichkeit, auf Elemente wirkende Flächenlasten zu modellieren. WebFEM

Abbildung 6.4: Bauteil mit eingebrachten Lasten (rot) und Lagerbedingungen (blau)

Die Flächenlasten werden intern in Punktlasten umgerechnet. Relativ zur Oberflächengröße des Elementes wird die auf mehrere Elemente wirkende Flächenkraft auf die betreffenden Knoten aufgeteilt. Falls sich mehrere angewählte Elemente einen Knoten teilen, so summiert sich die am Knoten wirkende Punktlast entsprechend auf. Anschließend werden die Eingabedaten an den Server übermittelt. Die entwickelte webbasierte FEM stellt in ihrer prototypischen Umsetzung zur schlanken und effizienten Bedienung über die Benutzeroberfläche nicht den Umfang an Modellierungswerkzeugen zur Verfügung, wie dieser in proprietären, desktopbasierten CAE-Softwaresystemen vorhanden ist. So sind beispielsweise Starrkörperelemente (engl. Rigid Body Elements), welche häufig in der Modellierung von Lagerbedingungen und Krafteinleitungen in Finite-Elemente-Analysen eingesetzt werden, nicht Bestandteil des entwickelten Prototyps. Diese können allerdings durch Nutzung vorhandener Modellelemente und eine adäquate Modellierung teilweise kompensiert werden. Eine zukünftige Erweiterung der Webanwendung um weitere Modellierungswerkzeuge ist möglich und bietet Potential für weiterführende Forschungsarbeiten.

6.1 Webbasierte Finite-Elemente-Methode

125

4. Nach Übermittlung der Randbedingungen werden die Daten in ein für den Gleichungslöser (engl. Solver) passendes Format konvertiert und die FEMBerechnung zur linear statischen Festigkeitsanalyse angestoßen. In der Implementierung wird der frei verfügbare Solver von Z88OS verwendet. Wie im Fall der Netzgeneratoren bestehen zu diesem Schnittstellen im BackEnd [177, 178]. Eine Fehlerbehandlung, beispielsweise hervorgerufen durch unvollständige Nutzereingaben, wird sowohl client- als auch serverseitig vorgenommen. Die Ergebnisse der FEM-Berechnung, welche Spannungen und Verschiebungen umfassen, werden an den Client gesendet und im Browser visualisiert (siehe Abbildung 6.5). Sie bilden die Basis für die weiterführende Bewertung von Potentialen durch Optimierung der Bauteilgestalt und additiver Fertigung. WebFEM

Abbildung 6.5: Ergebnisansicht der FEM-Berechnung

126

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen

6.2 Potentialbewertung Die Ergebnisse der FEM-Berechnung bilden die Grundlage für die Potentialbewertung. Über die berechneten von-Mises-Elementspannungen kann die Materialauslastung im Bauteil ermittelt werden. Diese beschreibt sich über einen Auslastungsfaktor, welcher die bei Belastung durchschnittlich in einem Bauteil herrschende Spannung in Relation zur maximal zulässigen Spannung des genutzten Werkstoffs setzt und damit die Materialauslastung quantitativ abbildet [197]. Im Rahmen dieser Arbeit wurde unter Nutzung der webbasierten FEM für additiv gefertigte, strukturoptimierte Bauteile ein durchschnittlicher Auslastungsfaktor von 19 % bei Verwendung von Titan als Zielmaterial ermittelt. Dieser dient als Referenzwert zur Abschätzung des Leichtbaupotentials einer optimierten Bauteilgeometrie. Der von Schmidt publizierte Referenzwert für die Auslastung strukturoptimierter Bauteile von 23 % (siehe auch Kapitel 2.5) ist auf die in dieser Arbeit entwickelte webbasierte Methodik nicht übertragbar, da sich dessen Ansatz auf eine Modellierung von Design- und Non-Design-Bereich stützt [197]. Der genannte Referenzwert bezieht sich dabei auf den Design-Bereich. Der Design-Bereich beschreibt die Strukturbereiche des Bauraums, welche bei einer Optimierung neu gestaltet werden können. Der Non-Design-Bereich ist nicht veränderbar. Zudem basiert die Arbeit von Schmidt auf der Nutzung von kommerziellen CAESystemen mit entsprechendem Umfang an Modellierungswerkzeugen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist vor allem die Entwicklung einer effizienten Potentialbewertung über eine integrierte Schnittstelle mit schlanker Benutzeroberfläche ohne die aufwändige Modellierung von Bauräumen sowie Designund Non-Design-Bereichen. Mit der webbasierten FEM können auch gegebene Bauräume zur Potentialabschätzung in der Vor-Design-Phase genutzt werden (siehe Kapitel 6.5). Die potentielle Gewichtsreduktion lässt sich über die Differenz der Masse von Ausgangsgeometrie und voraussichtlicher Masse der optimierten Geometrie beschreiben. Die Masse der optimierten Geometrie wird dazu abgeschätzt. Eine Optimierung kann sowohl eine Anpassung der Bauteilgeometrie für den Formleichtbau als auch einen Wechsel des Materials für den Stoffleichtbau beinhalten. Ein Beispiel für Stoffleichtbau wäre ein Wechsel von Aluminium oder Stahl auf eine additiv verarbeitbare Titanlegierung. Das Gewicht der optimierten Geometrie kann über die Masse der Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Zielmaterials und das Verhältnis der für ein Bauteil berechneten Auslastung zur Referenzauslastung für strukturoptimierte Bauteile abgeschätzt werden. Dies kann aus der Definition des Minimalgewichts in Formel 2.4 hergeleitet werden, nach welcher ein linearer Zusammenhang zwischen Auslastungsfaktor und Bauteilmasse besteht [197]. Die Bauteilmasse berechnet sich aus dem Produkt von Bauteilvolu-

6.2 Potentialbewertung

127

men und Materialdichte. Eine finale Auflösung der Formel verdeutlicht, dass eine Abschätzung des Leichtbaupotentials einer optimierten Bauteilgestalt über das Verhältnis der berechneten Auslastung zur Referenzauslastung sowie der Massendichten von Ausgangs- und Zielmaterial vorgenommen werden kann. Es lässt sich somit folgende Formel herleiten, mit welcher das Potential einer Optimierung unter Berücksichtigung von Form- und Stoffleichtbau für ein Bauteil bestimmt werden kann: m BT − mOpt POpt = m BT mOpt = 1− m BT m BT,ZMat ·

= 1−

AFBT AFOpt

m BT VBT · ρ ZMat ·

= 1−

AFBT AFOpt

(6.1)

VBT · ρ AMat ρ · AFBT = 1 − ZMat ρ AMat · AFOpt

= 1− mit

POpt m BT mOpt m BT,ZMat AFBT AFOpt VBT ρ ZMat ρ AMat

AFBT ρ ZMat · AFOpt ρ AMat

!

Potential einer Bauteiloptimierung bzw. potentielle Gewichtsreduktion relativ zum Ausgangsgewicht durch Strukturoptimierung Masse der gegebenen konventionellen Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Ausgangsmaterials in kg voraussichtliche Masse der optimierten Geometrie bei Verwendung des Zielmaterials in kg Masse der Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Zielmaterials in kg Auslastungsfaktor der Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Zielmaterials mittlerer Auslastungsfaktor für additiv gefertigte, strukturoptimierte Bauteile Volumen der Ausgangsgeometrie in mm3 Dichte des Zielmaterials in g/cm3 Dichte des Ausgangsmaterials in g/cm3

Der Auslastungsfaktor berechnet sich in Anlehnung an Schmidt über die Aufsummierung der ermittelten Elementspannungen [197]:  n  σi Vi AFBT = ∑ · (6.2) σMax VBT i =1

128 mit

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen AFBT n VBT Vi σi σMax

Auslastungsfaktor des Bauteils Anzahl der finiten Elemente Volumen des Bauteils in mm3 Volumen des Elementes i in mm3 vorhandene Spannung im Element i in Pa maximal zulässige Spannung des Zielmaterials in Pa, beschrieben durch die Dehngrenze bei statischer Belastung oder Dauerfestigkeit bei dynamischer Belastung, welche abhängig von der Anzahl der Belastungszyklen ist, ggf. unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors

Falls mehrere unterschiedliche statische oder dynamische Lastfälle im Betriebsfall des zu analysierenden Bauteils auftreten und damit in der Potentialbewertung zu berücksichtigen sind, ist für jeden Lastfall eine Modellierung der geltenden Randbedingungen und eine FEM-Berechnung durchzuführen. Das Leichtbaupotential berechnet sich elementweise über den Lastfall mit der jeweils höchsten Auslastung. In der Anwendung der beschriebenen Methodik wurde sich auf Strukturoptimierung mit dem Ziel der Gewichtreduktion fokussiert. Mittels FEM als numerisches Verfahren lassen sich nicht nur mechanische Festigkeitsberechnungen durchführen, sondern eine Vielzahl physikalischer und technischer Problemstellungen modellieren und berechnen [107]. Der Ansatz einer webbasierten FEM ermöglicht somit grundsätzlich die Übertragung auf weitere Anwendungsfelder bei entsprechender Erweiterung der Benutzeroberfläche und Applikationslogik.

6.3 Kostenermittlung Über das berechnete Leichtbaupotential und die in Kapitel 5 vorgestellte automatisierte Vorkalkulation lassen sich die Herstellkosten der optimierten, additiv gefertigten Bauteilvariante abschätzen. Dazu wird das ermittelte Leichtbaupotential zur Berechnung des Volumens der optimierten Bauteilstruktur genutzt. Das abgeschätzte Volumen (siehe Formel 6.3) kann als Hauptkostentreiber dem Kostenmodell der Vorkalkulation zugeführt werden. Die Abmessungen des Bauteils werden als gleichbleibend angenommen. Die Bauteiloberfläche, welche zum Teil als Treiber in der Kostenbestimmung der Nachbearbeitungsvorgänge verwendet wird, kann über ein durchschnittliches Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis optimierter Bauteile abgeschätzt werden. Für strukturoptimierte, additiv gefertigte Bauteile konnte ein durchschnittliches Verhältnis von 1,25 1/mm von Oberfläche zu Volumen bestimmt werden. Zur Berechnung der Materialkosten werden die Dichte und der Pulverpreis des Zielmaterials verwendet.

6.4 Evaluierung

129

Zur Abschätzung des Volumens der optimierten Bauteilgeometrie lässt sich folgende Formel herleiten: m BT − POpt · m BT ρ ZMat m BT · (1 − POpt ) = ρ ZMat VBT · ρ AMat · (1 − POpt ) = ρ ZMat

VOpt =

mit

VOpt m BT POpt ρ ZMat VBT ρ AMat AFBT AFOpt

= VBT ·

ρ AMat · ρ ZMat

= VBT ·

AFBT AFOpt

1−

1−

(6.3) AFBT ρ ZMat · AFOpt ρ AMat

!!

abgeschätztes Volumen des optimierten Bauteils in mm3 Masse der Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Ausgangsmaterials in kg Potential einer Bauteiloptimierung Dichte des Zielmaterials in g/cm3 Volumen der Ausgangsgeometrie in mm3 Dichte des Ausgangsmaterials in g/cm3 Auslastungsfaktor der Ausgangsgeometrie bei Verwendung des Zielmaterials mittlerer Auslastungsfaktor für strukturoptimierte Bauteile

6.4 Evaluierung Zur Evaluierung der Potentialbewertung erfolgt zunächst eine Betrachtung von Aufwand, Genauigkeit und Transparenz. Anschließend werden die Auswirkungen unterschiedlicher Vernetzungsgrade auf das Ergebnis untersucht. Die Experimente wurden auf handelsüblicher Hard- und Software ausgeführt: Windows 10 (64-Bit-Betriebssystem) mit Intel Core i5-6200U (2,30 GHz) und 16 GB RAM. Die verwendete Java Laufzeitumgebung ist JRE1.8.0_111. Der in den Versuchen verwendete Browser ist Mozilla Firefox 54.0 (32-Bit). Die in den Experimenten verwendeten Bauteile mit konventioneller Fräsgeometrie, optimierter Konstruktion und Bauraum sind in Tabelle 6.1 dargestellt. Diese entstammen der am LZN vorhandenen Datenbasis von optimierten Sekundärstrukturelementen aus dem Flugzeugbau [137]. Die Bauteile sind topologieoptimiert mit dem Ziel der Gewichtsminimierung bei gleichzeitiger Einhaltung der

130

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen

notwendigen Steifigkeit und mit der Einschränkung, dass die maximal zulässige Spannung des verwendeten Zielmaterials nicht überschritten wird. Das verwendete Zielmaterial ist eine mittels additiver Fertigung verarbeitbare Titanlegierung. Tabelle 6.1: Bauteilauswahl zur Evaluierung der Potentialbewertung, CAD-Dateien entstammen [137, 197] Material Ausgangsbauteil

Abmessungen Ausgangsbauteil

CCRC-Bracket

Aluminium

175 mm x 214 mm x 160 mm

FCRC-Bracket

Aluminium

223 mm x 82 mm x 76 mm

FCRC-Bracket 2

Aluminium

164 mm x 65 mm x 65 mm

Anschlag

Edelstahl

36 mm x 70 mm x 40 mm

Anschlag 2

Edelstahl

40 mm x 109 mm x 49 mm

Eingangshebel

Edelstahl

28 mm x 100 mm x 218 mm

Eingangshebel 2

Aluminium

174 mm x 33 mm x 43 mm

Hebel

Aluminium

158 mm x 30 mm x 32 mm

Hebel 2

Aluminium

71 mm x 126 mm x 67 mm

Lenker

Aluminium

161 mm x 26 mm x 67 mm

Umlenkhebel

Aluminium

105 mm x 112 mm x 77 mm

Bezeichnung

Darstellung Ausgangsbauteil

Darstellung optimierte Variante

Darstellung Bauraum

6.4 Evaluierung

131

6.4.1 Effizienz Die Durchführung einer vollständigen Bauteiloptimierung nimmt häufig mehrere Werktage in Anspruch. Alleine die Potentialbewertung durch bestehende Methoden, die den Einsatz zahlreicher CAE-Softwareprogramme erfordern, kann im Arbeitsaufwand einen Konstrukteur mehrere Stunden beschäftigen [138, 197]. Die Lauf- und Bearbeitungszeiten der webbasierten FEM zur Potentialbewertung sind für die getesteten Bauteile in Abbildung 6.6 dargestellt. Sie umfassen alle Lastfälle. Im Mittel benötigt die Bewertung eines Bauteils unter Nutzung der entwickelten Webanwendung 9,7 Minuten. Die Anwendung der entwickelten integrierten Methodik ist damit um ein Vielfaches schneller als bisherige Ansätze. Lauf-/Bearbeitungs- 25 zeit [min] 20

15 10 5

Vernetzung

Modellierung der Randbedingungen

Umlenkhebel

Lenker

Hebel 2

Hebel

Eingangshebel 2

Eingangshebel

Anschlag 2

Anschlag

FCRC-Bracket 2

FCRC-Bracket

CCRC-Bracket

0

FEM-Berechnung

Abbildung 6.6: Lauf- und Bearbeitungszeit der webbasierten FEM zur Potentialbewertung

Die Bearbeitungszeit setzt sich zusammen aus den Zeiten für Vernetzung, Modellierung der Randbedingungen und FEM-Berechnung. Die Zeit zur Netzgenerierung nimmt im Durchschnitt 0,9 Minuten und damit den geringsten Teil der Bearbeitungszeit in Anspruch. Sie hängt maßgeblich von der Größe des Bauteils und dem Grad der Vernetzung ab. Während die Netzgenerierung unabhängig von der Anzahl an Lastfällen nur einmal pro Bauteil erfolgt, ist die Modellierung der Randbedingungen und die FEM-Berechnung für jeden in der Potentialbewertung zu berücksichtigen Lastfall durchzuführen. Im Mittel nimmt die FEM-Berechnung für alle Lastfälle 52 % der Gesamtzeit ein. Die Berechnung eines Lastfalls dauert durchschnittlich 2,8 Minuten.

132

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen

Die Modellierung von Randbedingungen über Lasten und Lagerbedingungen beansprucht im Durchschnitt 37 % der Zeit. Für den ersten zu modellierenden Lastfall fällt dabei oftmals die meiste Zeit an. Bei der Modellierung weiterer Lastfälle können bereits festgelegte Lagerungen häufig wiederverwendet werden.

6.4.2 Effektivität Zur Evaluierung der Genauigkeit wird die reale Gewichtsreduktion durch die Optimierung des Bauteils mit dem kalkulierten Potential verglichen (siehe Abbildung 6.7). Die durchschnittliche relative Abweichung (MAPE) beträgt 8,1 %. Die webbasierte Potentialbewertung erlaubt somit eine genaue Abschätzung von Optimierungspotentialen. Der quadratische Fehler (MSE) beträgt 0,004. Der mittlere Fehler (ME) hat einen Wert von 2,2 %. Die reale Gewichtsreduktion ist damit im Durchschnitt leicht höher als die Abschätzung. Über das Gewicht der Ausgangsgeometrie und der voraussichtlichen Gewichtsreduktion kann das optimierte Bauteilgewicht abgeschätzt werden. Der MAPE zwischen dem realen Gewicht der optimierten Bauteilgestalt und der Vorhersage des Bauteilgewichts liegt bei 15,8 %. Gewichts- 100% reduktion 80%

60% 40% 20%

Berechnetes Leichtbaupotential

Umlenkhebel

Lenker

Hebel 2

Hebel

Eingangshebel 2

Eingangshebel

Anschlag 2

Anschlag

FCRC-Bracket 2

FCRC-Bracket

CCRC-Bracket

0%

Reale Gewichtsreduktion

Abbildung 6.7: Vergleich der realen und vorhergesagten Gewichtsreduktion auf Basis der konventionellen Bauteilgeometrie

6.4 Evaluierung

133

6.4.3 Transparenz Die webbasierte FEM ermöglicht eine Betrachtung der ermittelten Verschiebungen und Spannungen im Webbrowser. Durch die Möglichkeit, zu zoomen sowie das Bauteil zu verschieben und zu drehen, kann das Berechnungsergebnis frei eingesehen werden. Darüber hinaus ist es möglich, Elemente auszublenden, deren von-Mises-Spannung kleiner als ein konfigurierbarer Grenz- oder Filterwert ist. Dies zeigt Abbildung 6.8 exemplarisch für das FCRC-Bracket. Der Anwender kann damit wenig belastete Bauteilbereiche von höher Belasteten trennen und erhält einen Eindruck davon, wie eine optimierte Struktur des Bauteils gestaltet sein könnte. Im Fall des FCRC-Brackets bildet sich der hoch belastete Steg, welcher auch in der optimierten Bauteilstruktur erkennbar ist, deutlich heraus (siehe auch Abbildung der optimierten Bauteilvariante in Tabelle 6.1). Der entwickelte analytische Ansatz einer Potentialbewertung über eine webbasierte FEM gewährleistet somit eine hohe Transparenz in der Bedienung und Ergebnisdarstellung.

(a)

(b)

(c)

Abbildung 6.8: Spannungsverlauf beim FCRC-Bracket als Ergebnis der FEMBerechnung ohne (a) und mit einer Filterspannung von 20 MPa (b) und 60 MPa (c)

134

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen

6.4.4 Vernetzung Die Netzgenerierung nimmt im Durchschnitt zwar nur 11 % der Bearbeitungszeit ein (siehe Abschnitt 6.4.1). Allerdings wirkt sich der Grad der Vernetzung auf die Genauigkeit der berechneten Auslastung und auch auf die Laufzeit von Vernetzung und FEM-Berechnung aus. Abbildung 6.9 zeigt am Beispiel des FCRCBrackets das Verhalten von Auslastungsfaktor und Gesamtbearbeitungszeit in Abhängigkeit von der Anzahl an Elementen. Lauf-/Bearbeitungs- 25 zeit [min]

6,8% Aus6,6% lastungsfaktor 6,4%

20

6,2%

15

6,0% 5,8%

10

5,6% 5,4%

5

5,2% 0 0

100.000

200.000 300.000 400.000 Anzahl der Elemente Gesamtbearbeitungszeit

500.000

5,0% 600.000

Auslastung

Abbildung 6.9: Verhalten von Auslastungsfaktor und Bearbeitungszeit in Abhängigkeit von der Anzahl an Elementen

Die Bearbeitungszeit verhält sich linear. Eine höhere Anzahl an Elementen führt zu einer längeren Laufzeit von Vernetzung und FEM-Berechnung. Auf die Bearbeitungszeit zur Modellierung der Randbedingungen wirkt sich eine höhere Elementanzahl nicht wesentlich aus. Die implementierte Benutzeroberfläche bietet die Möglichkeit der Mehrfachmarkierung von Knoten und Elementen. Dadurch lassen sich die geltenden Randbedingungen auch bei einer hohen Anzahl an Elementen vergleichsweise schnell modellieren. Gemäß der Theorie der Finite-Elemente-Analyse führen feinere Netze zu genaueren Berechnungsergebnissen, benötigen allerdings auch höheren Rechenaufwand [128]. Dies verdeutlicht auch Abbildung 6.9. Der Auslastungsfaktor, welcher sich aus den in der FEM berechneten Spannungen berechnet, konvergiert mit steigender Elementanzahl gegen einen bestimmten Wert und stabilisiert sich ab einer ausreichenden Elementanzahl. Am Beispiel des FCRC-Brackets liegt der stabile Auslastungsfaktor bei etwa 6,7 %. Im praktischen Einsatz der webbasierten FEM sollten daher keine zu groben Netze für eine präzise Potentialbewertung verwendet werden, auch wenn die Bearbeitungszeit dadurch reduziert werden kann. Beim FCRC-Bracket ist eine Elementanzahl von ca. 280.000 Elementen für ein genaues Ergebnis ausreichend. Eine noch höhere Anzahl an Elementen führt

6.5 Einsatz in der Produktneuentwicklung

135

zu keiner signifikanten Verbesserung des Ergebnisses, sondern lediglich zu erhöhten Laufzeiten. In der Bedienung der webbasierten FEM können die maßgeblichen Konfigurationsparameter der Vernetzung durch den Benutzer vorgegeben werden. Falls keine eigene Konfiguration durch den Nutzer erfolgt, werden die Standardeinstellungen der Netzgeneratoren für eine feine bis sehr feine Vernetzung verwendet.

6.5 Einsatz in der Produktneuentwicklung Topologieoptimierung wird nicht nur in der Umgestaltung von konventionellen Bauteilgeometrien zu optimierten Strukturen eingesetzt, sondern auch im Rahmen der Produktneuentwicklung. Die entwickelte Potentialbewertung ermöglicht eine Abschätzung des zu erwartenden Bauteilgewichts bereits in dieser VorDesign-Phase. Grundlage ist ein Modell des Bauraums. Der Bauraum beschreibt den maximalen Raum, den ein Bauteil in seinem Einsatzbereich einnehmen kann. Der Nutzer lädt diesen als STL- oder CAD-Datei über den Webbrowser hoch. Anschließend kann die Durchführung der webbasierte FEM erfolgen (siehe Kapitel 6.1). Über die berechneten Spannungen (siehe Abbildung 6.10) wird die Auslastung des Bauraums bestimmt. Unter Nutzung dieser lässt sich wiederum das Leichtbaupotential ermitteln. Aus Leichtbaupotential und Volumen des Bauraums kann das voraussichtliche Gewicht einer optimierten Bauteilkonstruktion vorhergesagt werden. Die durchschnittliche relative Abweichung (MAPE) zwischen abgeschätztem und realem Bauteilgewicht beträgt 23,9 % (siehe Abbildung 6.11). Die höhere Abweichung im Vergleich zu einer Gewichtsabschätzung unter Nutzung der konventionellen Fräsgeometrie (siehe Abschnitt 6.4.2) lässt sich dadurch erklären, dass die konventionelle Geometrie in den meisten Fällen deutlich näher an der Geometrie des optimierten Bauteils liegt als die Geometrie des Bauraums. Der MSE hat einen Wert von 731 g2 . Der durchschnittliche absolute Fehler (ME) beläuft sich auf 19,3 g. Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass sich die Potentialbewertung auch in der Vor-Design-Phase zur Gewichtsabschätzung einsetzen lässt. Über das Gewicht können bereits in dieser frühen Phase der Konstruktion und ohne Kenntnis der finalen Bauteilgeometrie die voraussichtlichen Kosten eines Bauteils kalkuliert werden (siehe Kapitel 6.3).

136

6 Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen

WebFEM

Abbildung 6.10: Ergebnisse der FEM-Berechnung für den Bauraum des FCRC-Brackets

Gewicht [g] 250 200 150

100 50

Abgeschätztes Gewicht

Umlenkhebel

Lenker

Hebel 2

Hebel

Eingangshebel 2

Eingangshebel

Anschlag 2

Anschlag

FCRC-Bracket 2

FCRC-Bracket

CCRC-Bracket

0

Reales Gewicht des optimierten Bauteils

Abbildung 6.11: Vergleich des realen und vorhergesagten Bauteilgewichts auf Basis des Bauraums

7 Bauteilsichtung und -selektion Insbesondere bei einer großen Menge an zu bewertenden Bauteilen oder einer hohen Anzahl an Anfragen ist ein möglichst effizienter und anwenderfreundlicher Prozess der Bauteilsichtung und -selektion notwendig. In diesem Kapitel wird der entwickelte Ansatz zur automatisierten Identifizierung von Bauteilen, bei welchen hohe Potentiale durch eine additive Fertigung erschlossen werden können, vorgestellt. Grundlage dieses Sichtungsprozesses ist eine Analyse der Bauteilgeometrie sowohl nach technischen als auch nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Damit führt das Kapitel die vorangegangenen Entwicklungen zusammen. Der im Rahmen eines webbasierten Softwarewerkzeugs implementierte Ansatz soll im Wesentlichen einen aufwandsarmen, genauen und transparenten Sichtungs- und Selektionsprozess ermöglichen. Ziel ist durch Automatisierung der Hauptschritte den Aufwand für die Durchführung einer Bauteilsichtung erheblich zu reduzieren und geeignete Bauteile schneller ausfindig zu machen. Die Auswahl über eine Vergleichskalkulation soll möglichst jene Bauteile beinhalten, für die eine additive Fertigung wirtschaftlich ist. Eine einfach zu bedienende Benutzeroberfläche mit wenigen Eingaben führt zur weiteren Steigerung der Effizienz.

7.1 Vorgehensmodell Zum eindeutigen Verständnis werden zunächst die Begriffe Bauteilsichtung und -selektion (engl. Part Screening and Selection) definiert: Definition 7.1: Bauteilsichtung

Bauteilsichtung beschreibt im Kontext der additiven Fertigung den Prozess der Analyse wirtschaftlicher oder technischer Potentiale für eine gegebene Menge an Bauteilen mit dem Ziel der Ermittlung und Selektion geeigneter Bauteilkandidaten. Wirtschaftliche Potentiale können z. B. über Kosten oder Durchlaufzeit ermittelt werden. Technische Potentiale umfassen unter anderem die Einhaltung von Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien sowie Potentiale des Leichtbaus oder der Funktionsoptimierung. Definition 7.2: Bauteilselektion

Bauteilselektion beschreibt im Rahmen eines Sichtungsprozesses die Selektion geeigneter Bauteile aus einer Menge gegebener Bauteile nach wirtschaftlichen oder technischen Kriterien. Im Kontext der additiven Fertigung sind das vor al-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_7

138

7 Bauteilsichtung und -selektion

lem jene Bauteile, für welche sich wirtschaftliche Geschäftsfälle umsetzen lassen. Das entwickelte Vorgehensmodell zur Bauteilsichtung und -selektion ist in Abbildung 7.1 dargestellt. Ausgangsbasis sind die CAD- oder STL-Daten des zu analysierenden Bauteils. Dieses kann bisher konventionell gefertigt worden oder eine Neuentwicklung sein. In Abhängigkeit davon, ob eine Neugestaltung (engl. Redesign) des Bauteils von vorneherein gewünscht ist, können unterschiedliche Analysefolgen durchlaufen werden. Ein Redesign umfasst die Anpassung oder Neukonstruktion eines Bauteils unter Berücksichtigung von Konstruktionsrichtlinien und Topologieoptimierung, um die Gestaltungsmöglichkeiten der additiven Fertigung auszunutzen.

Geometriedaten der Ausgangsbauteile

Redesign erwünscht

Nein

Vergleich der Herstellkosten (Additive Fertigung, Zerspanung, Guss)

Ja

Potentiale durch Bauteiloptimierung Filterung

Filterung

Prüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien Filterung Redesign erforderlich

Ja (aufwändige Anpassungen der Konstruktion)

Vergleich der Herstellkosten auf Basis der Potentialbewertung Filterung

Nein (keine oder geringfügige Anpassungen der Konstruktion)

Auswahl an geeigneten Bauteilen für die additive Fertigung

Abbildung 7.1: Vorgehensmodell zur Bauteilsichtung und -selektion

Falls zunächst kein Redesign erwünscht ist, wird eine integrierte Vergleichskalkulation der Herstellkosten von additiver Fertigung zu den konventionellen Hauptkonkurrenzverfahren Zerspanung und Guss für die Fertigung metallischer Bauteile durchgeführt. Für die Industrie und insbesondere den Einkauf als Un-

7.2 Vergleichskalkulation

139

ternehmensfunktion sind die Kosten eines der entscheidenden Kriterien für Beschaffungsentscheidungen [32]. Im Rahmen dieser Arbeit wird sich auf die laseradditive Fertigung mittels SLM, das Fräsen als spanendes Fertigungsverfahren und den Feinguss als Gussverfahren fokussiert. Für die Vorkalkulation der Kosten wird analog zur entwickelten Angebotskalkulation für additiv gefertigte Bauteile (siehe Kapitel 5) eine Prozesskostenrechnung basierend auf analytischen und statistischen Kostenfunktionen als Ansatz gewählt. Eine detaillierte Darstellung der Kostenmodelle für die einzelnen Fertigungsverfahren ist in Kapitel 7.2 dargestellt. Auf Basis der kalkulierten Kosten können diejenigen Bauteile selektiert werden, für welche eine additive Fertigung wirtschaftlich ist. Der darauffolgende Schritt umfasst eine automatisierte Überprüfung auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien. Dabei wird vor allem geprüft, ob das Bauteil anhand dessen Abmessungen in die Größe eines Maschinenbauraums passt und die vorhandenen Wandstärken und Spaltmaße ausreichen oder zu Problemen bei der Generierung führen können. Die implementierte Überprüfung nutzt die STL-Daten eines Bauteils und basiert auf den in Kapitel 4 vorgestellten Algorithmen. So können diejenigen Bauteile herausgefiltert werden, für welche eine additive Fertigung aufgrund der gegebenen Bauteilgeometrie nicht möglich, z. B. durch zu große Abmessungen, oder kritisch ist und ein Redesign zur fertigungstechnischen Realisierung erforderlich sein kann. Diese Bauteile können der Potentialbewertung zugeführt werden. Dort werden Leichtbaupotentiale, welche durch eine Optimierung der Bauteilstruktur realisiert werden können, ermittelt. Falls bereits zu Beginn des Sichtungsprozesses ein Redesign berücksichtigt werden soll, kann diese Bewertung auch im ersten Schritt durchgeführt werden. Kapitel 6 geht im Detail auf die entwickelte Bewertungsmethodik von Bauteiloptimierungen ein. Basierend auf der Bewertung des Optimierungspotentials können die Herstellkosten neu kalkuliert und mit denen der anderen Fertigungsverfahren verglichen werden. Auf diese Art und Weise werden auch die Ergebnisse einer möglichen Bauteiloptimierung im Verfahrensvergleich berücksichtigt.

7.2 Vergleichskalkulation Dieses Kapitel stellt die bereits angesprochene automatisierte Vergleichskalkulation für die additive Fertigung, die Zerspanung und den Guss vor. Diese ermöglicht einen Vergleich der Herstellkosten zwischen SLM und den konventionellen Konkurrenzverfahren Fräsen und Feinguss einschließlich aller vor- und nachbereitenden Prozesse. Dem Vergleich auf Kostenbasis liegt die Annahme zugrunde, dass alle drei Fertigungsverfahren die für den Anwendungsfall geforderten qualitätsrelevanten Anforderungen erfüllen. Damit sollen jene Bauteile selektiert

140

7 Bauteilsichtung und -selektion

werden, für welche sich durch eine Fertigung mittels SLM wirtschaftliche Geschäftsfälle ergeben. Die Geometrie des zu analysierenden Bauteils wird über eine webbasierte Schnittstelle zur Verfügung gestellt (siehe Abbildung 7.2). Um den Ablauf effizient zu gestalten, müssen neben den STL- oder CAD-Dateien vom Nutzer nur wenige weitere Informationen angegeben werden.

Abbildung 7.2: Benutzereingabe der Vergleichskalkulation

Von den pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren ist SLM das meistgenutzte Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile [121]. Es ermöglicht hohe Freiheitsgrade in der Fertigung komplexer geometrischer Strukturen. Unter den spanenden Fertigungsverfahren ist vor allem das Computerized Numerical Control (CNC)-5-Achs-Fräsen ein Hauptkonkurrenzverfahren zu SLM. Durch das simultane Verfahren mehrerer Vorschubachsen ermöglicht es die Fertigung von Freiformflächen mit hoher Genauigkeit und Oberflächengüte [119, 197]. Von der

7.2 Vergleichskalkulation

141

Vielzahl an Gussverfahren steht vor allem der Feinguss in Konkurrenz zu SLM. Dieser ermöglicht bei hoher Gestaltungsfreiheit, ähnlich zu additiven Verfahren, die endkonturnahe (engl. near net shape) Fertigung von oftmals kleineren Gussteilen mit hoher Maßgenauigkeit [70, 200]. Hochfeste Legierungen, z. B. Titanlegierungen, lassen sich ohne Mehraufwand im Feinguss verarbeiten [197]. Bei den entwickelten Kalkulationsansätzen handelt es sich ausschließlich um Modelle der Vorkalkulation mit dem Ziel einer automatisierten Kostenberechnung. Deren Anwendung eignet sich insbesondere für die Kalkulation von Einzel- oder Kleinserien (siehe Kapitel 5) und für Kostenabschätzungen im Rahmen einer frühen Phase der Bauteilsichtung und -selektion. In beiden Fällen soll der Kalkulationsaufwand möglichst gering gehalten werden. Im Fall einer fortgeschrittenen Bauteilauswahl und insbesondere für große Stückzahlen, wie sie in der Großserie vorkommen, kann sich zur Erzielung genauerer Ergebnisse und Erschließung weiterer Potentiale die Durchführung einer manuellen Optimierung empfehlen. Dort steht der Kalkulationsaufwand unter Einsatz eines Experten einem hohen möglichen Umsatz gegenüber.

7.2.1 Additive Fertigung Das in Kapitel 5 vorgestellte Modell zur Angebotskalkulation von additiv zu fertigenden Bauteilen ermöglicht eine automatisierte Kostenermittlung bei durchmischten Baujobs mit mehreren verschiedenen Bauteilen. Das Modell eignet sich insbesondere für die Kalkulation in der Einzel- und Kleinserienfertigung, bei welcher unterschiedliche Bauteile von möglicherweise sogar verschiedenen Kunden simultan in einem Baujob gefertigt werden. Einer der ausschlaggebenden Kostenfaktoren ist dabei die volumenmäßige Kapazitätsauslastung der Baujobs (siehe Kapitel 5.5.3). Für eine präzise Bauteilsichtung, insbesondere für Bauteile in der Serienfertigung, ist es allerdings notwendig, den jeweiligen Anwendungsfall genau zu analysieren. Daher wird im Folgenden ein Ansatz vorgestellt, welcher die Anzahl an notwendigen Baujobs und somit die zu fertigende Stückzahl pro Baujob in die Kostenbetrachtung einbezieht. Der Ansatz beruht weitestgehend auf dem in Kapitel 5 vorgestellten Vorkalkulationsmodell und erweitert den dortigen statistischen Ansatz um eine anwendungsfallspezifische Abschätzung der Baujobauslastung. Basierend auf der durch ein Bauteil belegten Grundfläche wird eine Prognose über die Anzahl der in einem Baujob parallel herstellbaren Teile vorgenommen. Über diese lässt sich die Anzahl an notwendigen Baujobs und die Auslastung pro Baujob bestimmen. Darüber können wiederum die Herstellkosten ermittelt werden.

142

7 Bauteilsichtung und -selektion

7.2.1.1 Belegte Grundfläche pro Bauteil Die Abschätzung der durch ein Bauteil eingenommenen Grundfläche erfolgt über die Bounding Box des Bauteils (siehe Kapitel 5.2.3.1). Eine Analyse abgeschlossener Baujobs mit 54 unterschiedlichen Bauteilen zeigt, dass Bauteile häufig entlang der längsten Kante ihrer Bounding Box in Z-Richtung ausgerichtet werden (siehe Abbildung 7.3). Bei einer solchen Ausrichtung wird weniger Platz auf der Bauplattform verbraucht und es können tendenziell mehr Bauteile in einem Baujob gefertigt werden. Um eine hohe Auslastung der Baujobs zu erreichen, ist die Datenvorbereitung in der Regel bestrebt, die belegte Grundfläche möglichst klein zu halten. Prozentsatz an Bauteilen

60% 50%

50,0%

40% 33,3% 30% 20%

16,7%

10% 0% Längste Kante

Mittlere Kante

Kürzeste Kante

Abbildung 7.3: Ausrichtung der Bounding Box von Bauteilen entlang der Aufbaurichtung oder Z-Achse bei 54 gefertigten Bauteilen

Ein Ansatz zur Abschätzung der Grundfläche geht dementsprechend davon aus, dass das Bauteil zur Steigerung der Auslastung entlang der längsten Kante der Bounding Box ausgerichtet ist. Die Grundfläche entspricht in diesem Fall dem Produkt aus kürzester und mittlerer Kante. Alternativ lässt sich die Aufbauhöhe eines Bauteils über Formel 5.28 approximieren. Über diese kann eine Abschätzung der Projektionsfläche und damit der voraussichtlich belegten Grundfläche erfolgen. Weiterhin ist ein Mindestabstand zwischen den Bauteilen zur Wahrung der Zugänglichkeit bei Entfernung der Bauteile in der Nachbearbeitung und zu den Rändern der Bauplattform zu berücksichtigen. Die eingenommene Grundfläche pro Bauteil einschließlich des Mindestabstandes definiert sich also wie folgt: GFBT = (lGF,BT + dmin ) · (bGF,BT + dmin )

(7.1)

7.2 Vergleichskalkulation mit

GFBT lGF,BT bGF,BT dmin

143

Grundfläche eines Bauteils einschließlich Mindestabstand in mm2 Länge der Grundfläche des Bauteils in mm Breite der Grundfläche des Bauteils in mm Mindestabstand zwischen den Bauteilen und zu den Plattformrändern in mm

7.2.1.2 Teileanzahl pro Baujob Die Teileanzahl pro Baujob bestimmt die Kapazitätsauslastung und wirkt sich somit maßgeblich auf die Herstellkosten aus. In diesem Abschnitt werden Ansätze zur Abschätzung der maximalen Anzahl an Bauteilen, die simultan in einem Baujob gefertigt werden können, vorgestellt. Bei SLM ist es durch die benötigten Supportstrukturen, welche die Bauteile an der Bauplattform fixieren, nicht üblich, Bauteile übereinander anzuordnen. Im Folgenden wird daher die Positionierung der Teile im Bauraum auf ein zweidimensionales Problem reduziert. Die Fläche der Bauplattform bildet dabei das maximal verfügbare Feld zur Verteilung der Bauteile. Der überwiegende Anteil der am Markt erhältlichen SLM-Anlagen hat rechteckige Bauplattformen.

Flächen- und Längenverhältnisse Eine vergleichsweise einfache Methode zur Abschätzung der Bauteilanzahl pro Baujob ist das Verhältnis von Plattformfläche zu Grundfläche des Bauteils:   GFBR n BT,BJ = (7.2) GFBT mit

n BT,BJ GFBR GFBT

Anzahl an Bauteilen pro Baujob Grundfläche des Bauraums bzw. Fläche der Bauplattform in mm2 Grundfläche pro Bauteil in mm2

Eine weitere Methode ist die Verwendung der Längenverhältnisse von Bauplattform zu Bauteilgrundfläche [197]:     l BR bBR n BT,BJ = · (7.3) lGF,BT + dmin bGF,BT + dmin

144 mit

7 Bauteilsichtung und -selektion n BT,BJ l BR bBR lGF,BT bGF,BT dmin

Anzahl an Bauteilen pro Baujob Länge des Bauraums in mm Breite des Bauraums in mm Länge der Grundfläche des Bauteils in mm Breite der Grundfläche des Bauteils in mm Mindestabstand zwischen den Bauteilen in mm

Vorexperimente zeigen allerdings, dass die beiden obigen Ansätze häufig zu ungenau sind. Die Methoden wurden auf Daten von Birgin et al. getestet [25]. Dabei führte Formel 7.2 in über 20 % der Testfälle zu einer zu hohen Abschätzung der Teileanzahl. Formel 7.3 gab in über 80 % der Fälle eine zu niedrige Anzahl an. In dieser Arbeit wurde sich daher für die Verwendung eines Packalgorithmus zur möglichst genauen Bestimmung der Teileanzahl entschieden.

Packalgorithmus Die Problemstellung, möglichst viele Bauteile auf der Bauplattform zu platzieren, lässt sich auf das zweidimensionale Paletten-Beladungsproblem (engl. Pallet Loading Problem) zurückführen. Bei diesem klassischen Packproblem ist eine maximale Anzahl von identischen Rechtecken ohne Überschneidung auf einer ebenfalls rechteckigen Palette anzuordnen [193]. Die Rechtecke können um 90◦ rotiert werden. Die Kalkulation nutzt eine Variante der Five-Block-Heuristik von Birgin et al. [24]. Diese hat ein effizientes Laufzeitverhalten bei gleichzeitig hoher Genauigkeit der Ergebnisse. In den durchgeführten Vorexperimenten konnte die Heuristik alle optimalen Anordnungen finden und ist damit deutlich genauer als die beiden vorgestellten Abschätzungen. Neben der Anzahl an Teilen pro Baujob berechnet der Packalgorithmus auch die Positionierung der Bauteile auf der Bauplattform. Dies ermöglicht eine transparente Darstellung der Packung und kann in der Datenvorbereitung potentiell unterstützen.

7.2.1.3 Baujobanzahl und Auslastung der Baujobs Die Anzahl an notwendigen Baujobs berechnet sich aus der gewünschten Gesamtstückzahl und der maximal möglichen Anzahl an Teilen pro Baujob:   n BT n BJ = (7.4) n BT,BJ

7.2 Vergleichskalkulation mit

n BJ n BT n BT,BJ

145

Anzahl an notwendigen Baujobs Stückzahl des Bauteils in dem zu analysierenden Anwendungsfall Anzahl an Bauteilen pro Baujob

Die durchschnittliche Auslastung der Baujobs ergibt sich zum einen aus der Auslastung des durch die betrachteten Bauteile belegten Raums und zum anderen aus der Auslastung des freien Restraums, falls dieser zur Herstellung weiterer Bauteile genutzt wird. Zur Bestimmung der räumlichen Auslastung wird diese auf die belegte Grundfläche und noch freie Restfläche zurückgeführt: n BT · GFBT n BJ · GFBR VBT + VSup = p BT · + (1 − p BT ) · d Rest GFBT · hGen

p BT = dSP mit

dSP p BT n BT GFBT n BJ GFBR VBT VSup hGen d Rest

(7.5)

Auslastung der Baujobs in der Serienfertigung Anteil der für die Produktion eines Bauteils eingenommenen Fläche an der Gesamtfläche Stückzahl des Bauteils in dem zu analysierenden Anwendungsfall Grundfläche pro Bauteil einschließlich Mindestabstand in mm2 Anzahl an notwendigen Baujobs Grundfläche des Bauraums bzw. Fläche der Bauplattform in mm2 Volumen des Bauteils in mm3 Volumen der Supportstrukturen in mm3 Aufbauhöhe des Bauteils in mm durchschnittliche Auslastung des verbleibenden Raums der Baujobs

Zur Berechnung der Fertigungskosten für die Generierung ist die Kapazitätsauslastung der Serienfertigung dSP in Formel 5.24 des Vorkalkulationsmodells anstelle der Auslastung des Beschichtungsraums d BSR einzusetzen. Darüber können Beschichtungs- und Belichtungszeiten für die Bauteile kalkuliert werden. Die Zeit für die Datenvorbereitung kann entweder zuschlagsbasiert oder über durchschnittliche Zeitannahmen für den initialen und nachfolgende Baujobs abgeschätzt werden (siehe Kapitel 5.4.2). Bei einer zuschlagsbasierten Abschätzung sollte der Zuschlagssatz unter Umständen anwendungsfallspezifisch angepasst werden. In der prototypischen Implementierung wird eine konstante Zeitabschätzung verwendet. Diese basiert auf Erfahrungswerten für die Datenvorbereitung des initialen Baujobs. Da die nachfolgenden Baujobs üblicherweise Kopien des ersten Baujobs darstellen, fällt für die Vorbereitung praktisch kaum Zeit an, sodass diese vernachlässigt werden kann.

146

7 Bauteilsichtung und -selektion

Die Anzahl an notwendigen Rüstvorgängen für die Generierung entspricht der Anzahl an Baujobs. Der in Kapitel 5 gewählte zuschlagsbasierte Ansatz (siehe Formel 5.20) kann also ebenfalls durch die Annahme von Durchschnittszeiten für das Rüsten, beispielsweise aus [79], ersetzt werden. Falls in den Baujobs auch noch andere Bauteile hergestellt werden und somit eine Restauslastung vorhanden ist, werden die Rüstkosten über den Anteil am produzierten Gesamtvolumen aufgeteilt.

7.2.2 Zerspanung Die Struktur zur Berechnung der Herstellkosten für das CNC-Fräsen ist in Abbildung 7.4 dargestellt. Die Herstellkosten setzen sich aus Material- und Fertigungskosten zusammen.

Zerspanung (Fräsen) Materialkosten (MK) „ Materialeinzelkosten (MEK) „ Materialgemeinkosten (MGK)

Fertigungskosten (FK) Sondereinzelkosten der Fertigung (SEF) „ NC-Programmierung „ Einspannvorrichtung

Fertigungseinzelkosten (FEK) „ Rüsten des Bearbeitungszentrums (anteilig) „ Maschinenbestückung „ Fräsprozess „ Umspannvorgänge „ Entnahme „ Restfertigungsgemeinkosten (RFGK)

Abbildung 7.4: Struktur zur Berechnung der Herstellkosten für die Zerspanung

Die Materialkosten ergeben sich aus den Kosten des notwendigen Halbzeugs: MEK Fr = VRB · ρ Mat · k RB = l RB · bRB · h RB · ρ Mat · k RB

(7.6)

7.2 Vergleichskalkulation mit

MEK Fr VRB l RB , bRB , h RB ρ Mat k RB

147

Materialeinzelkosten des Bauteils bei spanender Fertigung in e Volumen des Rohblocks in mm3 Abmessungen des Rohblocks in mm Dichte des Rohblockmaterials in g/cm3 , werkstoffabhängig Rohblockpreis in e/kg, werkstoffabhängig

Die automatische Bestimmung der Abmessungen des Rohblocks erfolgt über die Bounding Box des Bauteils unter Addition einer Sicherheitskonstante und Aufrunden auf volle Zentimeter. Die Bounding Box wird über die Auswertung der gegebenen STL-Daten bestimmt (siehe Kapitel 5.2.3.1). Die Fertigungskosten werden über ein analytisches Kostenmodell bestimmt. Die Berechnung der Fräszeit orientiert sich an Ansätzen von Bouaziz et al. und Schmidt [28, 197]. Die Gesamtzeit setzt sich zusammen aus den Bearbeitungszeiten für das Schruppen, das Schlichten und die Endbearbeitung von Funktionsflächen, wie z. B. Bohrlöcher oder Passungen. Die Zeit für das Schruppen berechnet sich aus dem zu zerspanenden Rohmaterial dividiert durch die durchschnittliche Abtragrate. Neben den Hauptzeiten mit dem Werkzeug im Eingriff umfasst diese auch Nebenzeiten, z. B. Freifahrwege oder Werkzeugwechsel. Die Zeit für das Schlichten berechnet sich über die Bauteiloberfläche. Die Zeit für die Endbearbeitung über einen Anteil von Funktionsflächen an der Bauteiloberfläche. Der Anteil kann über die Benutzeroberfläche spezifiziert werden. Damit ergibt sich folgende Formel zur Kalkulation der Fräskosten: FEK Fr = (k Mh,Fr + k Ph,Fr ) · t Fr t Fr = tSpp + tSlt + t End V − VBT A A ·a = RB + BT + BT Fkt QSpp QSlt Q End mit

FEK Fr k Mh,Fr k Ph,Fr t Fr tSpp tSlt t End VRB VBT QSpp A BT QSlt

(7.7)

Fertigungseinzelkosten für das Fräsen in e Maschinenstundensatz der Fräsmaschine in e/h Personenstundensatz beim Fräsen in e/h Zeit für die Fräsbearbeitung in h Zeit für das Schruppen in h Zeit für das Schlichten in h Zeit für die Endbearbeitung in h Volumen des Rohblocks in mm3 Volumen des Bauteils in mm3 durchschnittliche Volumenabtragrate beim Schruppen in mm3/min, werkstoffabhängig Oberfläche des Bauteils in mm2 durchschnittliche Geschwindigkeit der Oberflächenbearbeitung beim Schlichten in mm2/min, werkstoffabhängig

148

7 Bauteilsichtung und -selektion a Fkt Q End

Anteil an zu bearbeitenden Funktionsflächen an der Gesamtoberfläche des Bauteils durchschnittliche Geschwindigkeit der Endbearbeitung von Funktionsflächen in mm2/min, werkstoffabhängig

Die Kosten für die NC-Programmerstellung, die Entwicklung und den Bau einer Einspannvorrichtung, notwendige Umspannvorgänge, die Maschinenbestückung, die Bauteilentnahme sowie die Rüstkosten werden über durchschnittliche Zeitannahmen kalkuliert. Die Rüstkosten fallen pro Fertigungslos an. Standardmäßig wird angenommen, dass die Bauteile in einem Fertigungslos hergestellt werden. Die Werkzeugkosten sind im hohen Maße abhängig vom zu bearbeitendem Werkstoff und werden in dem Maschinenstundensatz berücksichtigt (siehe Formel 5.6). Die Gemeinkosten werden zuschlagsbasiert verrechnet.

7.2.3 Guss Von den unterschiedlichen Gussverfahren fokussiert sich diese Arbeit auf den Feinguss als eines der Hauptkonkurrenzverfahren zur additiven Fertigung metallischer Bauteile. Der Feinguss arbeitet mit verlorener Form und verlorenem Modell. Abbildung 7.5 zeigt die zugehörige Kostenstruktur. Die Materialkosten für den Guss werden in Analogie zu Formel 5.18 über das Volumen des Bauteils und den Kilopreis des Gusswerkstoffs zuzüglich eines anteiligen Materialschwundes beim Gussvorgang berechnet. Kosten für verlorene Formen und Modelle sind in den Fertigungseinzelkosten für den Gussvorgang enthalten. Die Kosten für die Herstellung des notwendigen Spritzgusswerkzeugs zur Erstellung der Modelle aus Wachs oder Kunststoff wird mittels des Ansatzes von Chougule und Ravi abgeschätzt [37]. Das statistische Modell benötigt zur Kalkulation die Anzahl an notwendigen Kernen. Diese kann im Rahmen des implementierten Prototyps beim Hochladen des Bauteils als zusätzlicher Eingabeparameter übergeben werden. Die Fertigungseinzelkosten ergeben sich aus den Kosten für den Gussvorgang, einer möglichen Wärmebehandlung und üblicherweise einer spanenden Endbearbeitung der Funktionsflächen. Der Gussvorgang setzt sich aus den folgenden Prozessschritten zusammen: Herstellung des Wachsmodells mittels Spritzguss, Montage der Modelltraube, Tauchen und Besanden der Traube, Ausschmelzen des Modellwachses und Brennen der Gussform, Durchführung des eigentlichen Gießens, Entfernung der Form und abschließendes Abtrennen der Gussstücke [109]. Zur Berechnung der Kosten für den Gussvorgang wird ein statistisches Modell entwickelt. Dieses basiert auf vorliegenden Vergangenheitsdaten von Gussteilen.

7.2 Vergleichskalkulation

149

Guss (Feinguss) Materialkosten (MK) „ Materialeinzelkosten (MEK) „ Materialgemeinkosten (MGK)

Fertigungskosten (FK) Sondereinzelkosten der Fertigung (SEF) „ Werkzeugkosten „ NC-Programmierung (Endbearbeitung) „ Einspannvorrichtung (Endbearbeitung)

Fertigungseinzelkosten (FEK) „ Gussvorgang –

Herstellung (Wachs-)Modell

–

Modellmontage

–

Tauchen und Besanden

–

Ausschmelzen und Brennen

–

Gießen

–

Entformen und Trennen

„ Wärmebehandlung „ Spanende Endbearbeitung „ Restfertigungsgemeinkosten (RFGK)

Abbildung 7.5: Struktur zur Berechnung der Herstellkosten für den Guss

Da der Feinguss ein komplexer Prozess mit zahlreichen unterschiedlichen Prozessschritten und Eingabegrößen ist, wäre eine analytische Kostenbetrachtung mit großem Aufwand verbunden und durch die notwendige Konfiguration zahlreicher Einflussparameter für eine automatisierte Kalkulation ungeeignet. Zur Abschätzung der Kosten für den Gussvorgang bietet sich eine lineare Regression an. Für das Training und die Ermittlung der Regressionsgleichung wurden vorhandene Daten von Gussteilen verwendet. Diese sind: Abmessungen, Oberfläche und Volumen der Bauteile sowie Anzahl der benötigten Kerne und Teileanzahl pro Gusstraube. Als abhängige Variable werden die zugehörigen Kosten für den Gussvorgang, welche in einer Nachkalkulation bestimmt wurden, genutzt. Zur Erstellung des Regressionsmodells wurden die Regressionskonstante, Einflussvariablen mit negativen Regressionskoeffizienten und nicht signifikante Einflussvariablen mit einem p-Wert von größer als 5 % schrittweise ausgeschlossen. Somit konnte folgende Formel ermittelt werden: FEKGu = γ1 · VBT + γ2 · dim BT1 + γ3 · dim BT2

(7.8)

150 mit

7 Bauteilsichtung und -selektion FEKGu γ1 γ2 , γ3 VBT dim BT1 dim BT2

Fertigungseinzelkosten für den Gussvorgang in e, Werkzeugkosten ausgenommen Regressionskoeffizient in e/mm3 Regressionskoeffizienten in e/mm Volumen des Bauteils in mm3 längste Kante der Abmessungen des Bauteils in mm zweitlängste Kante der Abmessungen des Bauteils in mm

7.3 Evaluierung Im Folgenden wird die vorgestellte Vergleichskalkulation hinsichtlich der Kriterien Aufwand, Genauigkeit und Transparenz evaluiert. Die Experimente wurden auf handelsüblicher Hard- und Software ausgeführt: Windows 7 Professional (64-Bit-Betriebssystem) mit Intel Core i5-6200U (2,30 GHz) und 8 GB RAM. Die verwendete Java Laufzeitumgebung ist JRE1.8.0_121.

7.3.1 Effizienz Zur Bewertung der Effizienz wird die Laufzeit der Vergleichskalkulation analysiert. Diese wurde auf 10 Bauteilen mit einer durchschnittlichen Größe von 1,09 Megabyte und einer Facettenanzahl von 5.864 getestet. Im Durchschnitt beträgt die Laufzeit der Kalkulation und Geometrieauswertung 0,11 Sekunden. Dies beinhaltet eine vollständige Ermittlung der Herstellkosten für die additive Fertigung, die Zerspanung und den Guss für 30 Kalkulationsszenarien mit unterschiedlichen Stückzahlen. Die Gesamtlaufzeit einschließlich Vorschaubildgenerierung und Datenbankzugriff dauert 1,48 Sekunden. Das Laufzeitverhalten ist analog zu dem der Angebotskalkulation (siehe Kapitel 5.8.1.1). Die vergleichsweise schnellen Laufzeitergebnisse im Vergleich zur Angebotskalkulation kommen durch die Verwendung von Geometriedateien mit kleinerer Datenmenge zustande.

7.3.2 Effektivität Die entwickelte Kostenkalkulation für die Zerspanung wird anhand der realen Bearbeitungszeit von 10 Frästeilen evaluiert. Die Ergebnisse sind in Abbildung 7.6 gezeigt. Der MAPE beträgt 25,69 %. Bei Betrachtung der Ergebnisse fällt auf, dass sich Bauteil BT3 als Ausreißer darstellt. Dieser ist bedingt durch die automatische Abschätzung der Größe des Halbzeugs. Das reale Bauteil wird aus Rundmaterial mit einem Durchmesser von 120 mm gefertigt. Die Abschätzung

7.3 Evaluierung

151

nimmt allerdings einen sich an den Abmessungen des Bauteils orientierenden Quader mit 110 mm x 40 mm x 230 mm an. Dadurch wird bei Bauteil BT3 eine zu geringe Fräszeit vorkalkuliert. Dies kann durch eine genauere Spezifikation des verwendeten Halbzeugs vermieden werden. Ohne Ausreißer ergeben sich ein MAPE von 21,05 %, ein MSE von 0,03 h2 und ein ME von 0,05 h. Fräszeit 5 [h]

4

3

2

1

Vorkalkulation

BT10

BT9

BT8

BT7

BT6

BT5

BT4

BT3

BT2

BT1

0

Nachkalkulation

Abbildung 7.6: Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation für die Fräszeit

Die Kalkulation der Herstellkosten für den Guss wird anhand der Nachkalkulation von acht Feingussteilen evaluiert (siehe Abbildung 7.7). Zum Anlernen des statistischen Modells wurden 20 Bauteile genutzt. Der MAPE beträgt 22,91 %. Der MSE hat einen Wert von 20.525,30 e2 und der ME von 48,05 e. Zur Evaluierung der Kalkulationsgenauigkeit für die additive Fertigung sei an dieser Stelle auf die Angebotskalkulation in Kapitel 5.8.2 verwiesen.

7.3.3 Transparenz Die Vergleichskalkulation ist integrierter Bestandteil der cloudbasierten Plattform. Nachdem die STL- oder CAD-Daten über ein Online-Formular (siehe Abbildung 7.2) hochgeladen wurden, werden auf Basis der gegebenen Geometrie automatisch die Herstellkosten für die additive Fertigung, die Zerspanung und den Guss berechnet. Die analytischen und statistischen Kostenfunktionen für die einzelnen Prozessschritte ermöglichen eine transparente Darstellung der Ergebnisse. Abbildung 7.8 zeigt exemplarisch anhand der Zerspanung die Ergebnisdarstellung der Vergleichskalkulation für die durch den Nutzer im Anwendungsfall spezifizierte Stückzahl. Anhand der Ergebnisse ist es möglich, genau

152

7 Bauteilsichtung und -selektion

Kosten 2.000 Gussvorgang [€] 1.500

1.000

500

Vorkalkulation

BT8

BT7

BT6

BT5

BT4

BT3

BT2

BT1

0

Nachkalkulation

Abbildung 7.7: Vergleich der Nachkalkulation mit den Ergebnissen der Vorkalkulation für die Kosten des Gussvorgangs

festzustellen, welche Fertigungstechnologie für den Geschäftsfall wirtschaftlich geeignet ist. Neben der durch den Nutzer vorgegebenen Stückzahl werden verschiedene Kalkulationsszenarien mit unterschiedlichen Stückzahlen berechnet. Die Kosten der drei Fertigungstechnologien werden in einem Liniendiagramm angezeigt. Abbildung 7.9 zeigt die graphische Darstellung für ein exemplarisches Bauteil aus dem Flugzeugbau. Das Diagramm ist Teil der Benutzeroberfläche und in HTML und JavaScript implementiert. Auf diese Weise ist es möglich, die kosteneffizienteste Fertigungstechnologie in Abhängigkeit von der Stückzahl zu bestimmen. Die freie Konfiguration von Maschinenstundensätzen und Aufbauraten ermöglicht zudem die Simulation von Zukunftsszenarien, z. B. mit höheren Aufbauraten und niedrigeren Stundensätzen.

7.4 Anwendungsbeispiele Die entwickelte Applikation wurde mittels verschiedener Anwendungsbeispiele, vor allem aus der Luftfahrtindustrie (siehe Tabelle 6.1), erprobt. Diese Anwendungsbeispiele zeigen, dass für kleine Stückzahlen SLM und Fräsen oft die kostengünstigsten Fertigungsverfahren sind. In der Regel ist SLM günstiger als Fräsen, wenn das abzutragende Volumen groß oder das zu verarbeitende Material schwer zu bearbeiten ist, z. B. bei Titan. Der Feinguss erfordert die Investition in Werkzeuge zur Herstellung der Wachsmodelle. Die vergleichsweise hohen Werkzeugkosten führen dazu, dass die Herstellung im Guss häufig nur rentabel ist, wenn die zu produzierende Stückzahl hoch ist.

7.4 Anwendungsbeispiele

153

Abbildung 7.8: Ergebnisansicht der Vergleichskalkulation am Beispiel der Zerspanung

Abbildung 7.9: Graphische Darstellung des Kostenvergleichs der Fertigungsverfahren für verschiedene Stückzahlen

154

7 Bauteilsichtung und -selektion

Durch die Optimierung der Bauteilgestalt können die Herstellkosten der additiven Fertigung abhängig vom Anwendungsfall signifikant reduziert werden. Im Durchschnitt bewirkt eine Optimierung der Bauteilgestalt bei den untersuchten Sekundärstrukturelementen eine Gewichtsersparnis von ca. 60 %. Durch weniger zu belichtendes Volumen führt eine Bauteiloptimierung zu geringeren Prozesszeiten und Fertigungskosten. Wenn die Optimierung im Rahmen des Stoffleichtbaus mit einem Materialwechsel zu einem höherwertigen Werkstoff einhergeht, führt eine additive Herstellung aufgrund höherer Pulverpreise nicht zwangsläufig zu einer Reduzierung der Materialkosten. Insbesondere in Fällen, in denen eine additive Fertigung der Ausgangsgeometrie kostenintensiver als die Herstellung mittels Zerspanung ist, kann eine Bauteiloptimierung dazu führen, dass die additive Fertigung kostengünstiger als die spanende Fertigung wird. Beispielsweise können für das CCRC-Bracket die Herstellkosten der additiven Fertigung ohne spanende Endbearbeitung bei kleiner Stückzahl durch eine optimierte Bauteilkonstruktion um über die Hälfte reduziert werden. Die additive Herstellung ist damit ca. 30 % günstiger als die Zerspanung. Im Falle einer spanenden Nachbearbeitung, welche möglicherweise die zusätzliche Vorbereitung von Einspannvorrichtungen benötigt, verringert sich diese Kostendifferenz. Eine Fertigung mittels SLM und spanender Nachbearbeitung kann anwendungsfallspezifisch dennoch kostengünstiger sein als eine Zerspanung aus dem Vollen. Die Beantwortung der Frage nach dem wirtschaftlichsten Fertigungsverfahren für die Herstellung eines Produktes ist maßgeblich abhängig von dessen Konstruktion und der zu fertigenden Stückzahl. Die Anwendung von allgemeinen Regeln und Zusammenhängen ist für eine Verfahrensauswahl häufig zu ungenau. Es empfiehlt sich daher eine genaue Analyse und Quantifizierung, wie es die vorgestellte Methodik ermöglicht.

8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik zur Potentialerschließung in der additiven Fertigung wurde im Rahmen einer cloudbasierten Plattformlösung prototypisch implementiert. Die Implementierung eines solchen Systems erfordert aufgrund seiner Komplexität ein geeignetes Architekturmodell. Das vorliegende Kapitel gibt einen Überblick über die Architektur und Implementierung des Gesamtsystems, welches sich in die Komponenten Benutzeroberfläche, Applikationslogik und Datenschicht gliedern lässt. Dieses integriert und verknüpft webbasierte Dienste sowohl zur Potentialbewertung als auch zur Auftragsannahme und -abwicklung in einer Anwendung.

8.1 Verteilte Systeme und Cloud-Computing In einem verteilten System kommunizieren Hard- und Softwarekomponenten, die miteinander vernetzt sind, über den Austausch von Nachrichten [39]. Das größte und wohl auch bekannteste verteilte System ist das Internet, dessen Entwicklung bis in die siebziger Jahre zurückreicht. Es ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Hardwareressourcen, Funktionalitäten, Daten und Informationen [85]. Ein für verteilte Anwendung vielfach eingesetztes Architekturmodell ist das Client-Server-Modell. Bei diesem läuft auf einen Server ein langlebiger Prozess, der Dienste anbietet und für Anfragen eines oder mehrerer Clients zur Verfügung steht [85]. Neben einer Verteilung auf verschiedene Rechner im Netzwerk können Client und Server prinzipiell auch auf dem gleichen Computer ausgeführt werden. Als Front-End wird in einem Client-Server-Modell üblicherweise das auf dem Client ausgeführte Programm, welches durch den Benutzer bedient wird, bezeichnet. Back-End meint das auf dem Server laufende Programm. Cloud-Computing kann definiert werden als ein Konzept für ein verteiltes System, welches den bequemen Zugriff auf gemeinsam genutzte Rechenressourcen auf Abruf ermöglicht [151]. Die Rechenressourcen können Hardwareressourcen, z. B. Server oder Speicher, vor allem aber auch Applikationen und Dienste sein. Diese können mit minimalem Verwaltungs- und Interaktionsaufwand mit dem jeweiligen Diensteanbieter schnell bereitgestellt und genutzt werden. Im CloudComputing haben sich drei Servicemodelle etabliert: Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS) und Infrastructure as a Service (IaaS) [151]. SaaS beschreibt das Anbieten von Applikationen über eine cloudbasierte Infrastruktur. Der Kunde kann über einen Client, z. B. den Webbrowser, direkt auf die Applikationen zugreifen. PaaS umfasst Entwicklungsplattformen, welche die Möglich© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_8

156

8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung

keit bieten, Webanwendungen zu entwickeln. Diese Entwicklungsplattformen können Programmiersprachen, Bibliotheken, Werkzeuge oder Dienste beinhalten. IaaS bezeichnet die Bereitstellung von Hardwareressourcen, wie Rechneroder Speicherkapazitäten, auf Abruf. Im Produktionsumfeld wird der flexible Zugriff auf Fertigungsressourcen über cloudbasierte Systeme in jüngsten Publikationen als Cloud Manufacturing oder Manufacturing as a Service (MaaS) bezeichnet [68, 123, 149, 175, 231, 236]. Eine cloudbasierte Plattform bezeichnet in dieser Arbeit eine Webanwendung, die Dienste über das Internet anbietet und verschiedene Marktteilnehmer, vor allem Kunde und Dienstleister, miteinander verbindet. Die entwickelte CloudPlattform zur Potentialerschließung kann durch die angebotenen Applikationen, wie der Vergleichskalkulation oder der Potentialbewertung, dem Servicemodell des SaaS und durch die direkte Einbindung und mögliche Einleitung der Fertigung dem MaaS zugeordnet werden.

8.2 Methodik der cloudbasierten Potentialerschließung Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik einer cloudbasierten Potentialerschließung in der additiven Fertigung setzt sich zum einen aus der Identifizierung und Bewertung von Potentialen und zum anderen aus der Auftragsannahme und -abwicklung zur direkten Nutzung erkannter Potentiale zusammen. Dies verdeutlicht das in Abbildung 8.1 dargestellte Gesamtkonzept. CADDateiupload

Bauteilsichtung

„ Vergleichs-

kalkulation „ Konstruktions-

prüfung „ Potentialbe-

wertung von Optimierungen

Potentiale identifizieren und bewerten

Bauteilselektion

Auftragsannahme

„ Angebots-

kalkulation „ Prüfung auf

Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien

Auftragsabwicklung

„ Auftrags-

verwaltung „ Teilekatalog „ Nachrichten-

system „ Begleitung der

Fertigung

Potentiale erschließen

Abbildung 8.1: Konzept und Ablauf einer cloudbasierten Potentialerschließung

8.3 Architekturmodell einer Plattform zur Potentialerschließung

157

Zunächst werden dazu die Geometriedaten des Bauteils über den Webbrowser hochgeladen und damit der Plattform zur Verfügung gestellt. Alle folgenden Schritte werden in der Cloud mit Bedienung durch den Benutzer über den Browser ausgeführt. Mit Hilfe der Geometriedaten kann eine wirtschaftliche und technische Analyse und Bewertung des Bauteils erfolgen. Auf Basis dieser Bauteilsichtung können für die additive Fertigung geeignete Bauteile selektiert werden (siehe Kapitel 7.1). Für diese Bauteile kann anschließend über die Auftragsabwicklung die Fertigung eingeleitet werden. Die in Abbildung 8.1 dargestellten Komponenten können teilweise auch unabhängig voneinander genutzt werden. So ist beispielsweise die Auftragsannahme und -abwicklung nicht unbedingt an eine vorherige Bauteilsichtung gebunden. Die Auftragsannahme verfügt über eine automatisierte Angebotskalkulation und Prüfung der Konstruktion, welche nicht an die Potentialbewertung gekoppelt sein muss.

8.3 Architekturmodell einer Plattform zur cloudbasierten Potentialerschließung Die Architektur der Cloud-Plattform basiert als Webapplikation auf dem ClientServer-Modell. Abbildung 8.2 zeigt eine schematische Darstellung der Kommunikation zwischen den Systemnutzern und der Plattform. Als Nutzer greifen sowohl der Kunde als auch der Fertigungsdienstleister, der die Plattform betreibt und verwaltet, über den Webbrowser, welcher als Client fungiert, auf die Plattform zu. Der Administrator verfügt dabei über eine größere Auswahl an Sichten und Bedienelementen als der eigentliche Kunde. Dies ist mit Hilfe entsprechender Rechtevergaben innerhalb des Systems konfigurierbar. Die Plattform läuft auf einem Webserver. Im Hintergrund kommuniziert dieser mit einem Datenbanksystem, welches die im Betrieb anfallenden Daten speichert oder über das benötigte Daten abgefragt werden können. Die nachfolgende Abbildung 8.3 zeigt eine detaillierte Gesamtübersicht der Systemarchitektur als Fundamental Modeling Concepts (FMC)-Blockdiagramm, gruppiert in ihre Komponenten mit den verwendeten Haupttechnologien [226]. Die Systemarchitektur folgt dem Softwarearchitekturmuster Model-ViewController (MVC), welches sich für den Aufbau von Webanwendungen eignet und weitestgehend etabliert hat [72]. Das System lässt sich demnach dreiteilig gliedern in Darstellungs-, Steuerungs- und Datenschicht. Die Darstellungs- oder Präsentationsschicht (engl. View) ist das Front-End der Applikation. Die Benutzeroberfläche wird auf Anfrage an den Client übermittelt und über sie wird das System durch den Nutzer bedient. Die Steuerungsschicht (engl. Controller) bildet zusammen mit der Datenschicht das Back-End. Sie implementiert die Applikations- und Geschäftslogik und beinhaltet die notwendigen Algorithmen zum Ablauf der Applikation. Die Datenschicht (engl. Model) umfasst sämtli-

158

8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung

che Datenstrukturen, die innerhalb der Applikation genutzte Geschäftsobjekte beschreiben. Kunde

HTTPS

Cloudbasierte Plattform (Webserver)

SQL

Datenbank

HTTPS

Fertigungsdienstleister/ Administrator

Abbildung 8.2: Kommunikation zwischen Plattform, Kunde und Fertigungsdienstleister, schematische Darstellung

8.4 Benutzeroberfläche Die Benutzeroberfläche bildet die Schnittstelle zwischen Applikation und Bediener. Sowohl der Kunde, welcher Geschäftskunde oder privater Anwender sein kann, als auch der Fertigungsdienstleister, welcher Anfragen und Aufträge administriert und bearbeitet, greifen mittels Webbrowser über das Hypertext Transfer Protocol Secure (HTTPS) auf die Oberfläche der Applikation zu. Diese ist mittels Java Server Faces (JSF), HTML, CSS, JavaScript und WebGL implementiert. JSF ist ein Framework zur Entwicklung von Benutzeroberflächen in Webanwendungen unter Einsatz der Programmiersprache Java [166]. Es erleichtert die Verknüpfung und Kommunikation zwischen Front-End und Back-End. Bei JSF wird das Front-End über Komponenten beschrieben, welche den Aufbau der Seiten der Benutzeroberfläche durch die Verwendung von Java-Code ermöglichen. Die Kommunikation zwischen Front-End und Applikationslogik erfolgt über Servlets und Managed Beans. Dem Benutzer der Applikation wird nach Anfrage durch dessen Client eine HTML-Seite angezeigt, in welcher der Java-Code entsprechend durch Seiteninhalt ersetzt ist. Dazu wird die HTML-Seite auf Basis der JSFKomponenten serverseitig generiert und anschließend an den Client geschickt.

8.4 Benutzeroberfläche

159 Client

Webbrowser

HTTPS

R

AM Cloud-Plattform (Apache Tomcat Webserver) View (XHTML, JavaScript, CSS, WebGL, Java Server Faces)

Controller (Java)

Bauteilbewertung

Geometriedatenverarbeitung STL-Analyse

STL-Renderer

Angebotskalkulation

Konstruktionsprüfung

STL-Reparatur

STEP-zu-STLKonverter

Vergleichskalkulation

Potentialbewertung und FEM

Auftragsabwicklung Anfrage-, Teileund Bestellverwaltung

Kunden- und Nutzerverwaltung

Nachrichtenund E-Mail-Versand

Sicherheit- und Validierung

Model (Java) Bestellung

Bauteil

Kunde

Nutzer

Maschine

Material

Maschine-MaterialParameter

Kosten

Nachricht

ORM-Framework (Java Persistence API, EclipseLink)

Datenbank (MySQL)

Dateisystem

Kundendatentabelle

Bestelldatentabelle

STL- und STEPDateien

Nutzerdatentabelle

Bauteildatentabelle

FEM-Dateien

Bilddateien

Nachrichtendatentabelle

Abbildung 8.3: Architektur des entwickelten Gesamtsystems einschließlich verwendeter Technologien, Darstellung als FMC-Blockdiagramm

160

8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung

Neben den bereits beschriebenen Aspekten ermöglicht JSF die Beschreibung von Seitenvorlagen, auch Templates genannt, welche die Wiederverwendung von Code erlauben. Dies wird auch in der Implementierung der entwickelten Webplattform genutzt. Abbildung 8.4 zeigt schematisch und ausschnittsweise den Aufbau der Benutzeroberfläche als Unified Modeling Language (UML)Paketdiagramm [165]. Die Verbindung zwischen den Seiten über Verlinkungen ist zur besseren Übersichtlichkeit nicht in der Abbildung dargestellt. Jede Seite der Applikation basiert auf einer zentralen Seitenvorlage. Diese besitzt eine Kopfsowie eine Fußzeile und importiert die von allen Seiten benötigten CSS- und JavaScript-Bibliotheken. Kopf- und Fußzeile sind für jede Seite der Webapplikation einheitlich. Die Kopfzeile beinhaltet neben einem Firmenlogo und einem Seitentitel vor allem ein Menü, welches Verlinkungen zu den anderen Seiten umfasst. Die Fußzeile enthält weitere Links. Die Seitenvorlage verfügt über einen ersetzbaren Hauptteil. Dort wird in der Seitengenerierung der spezifische Inhalt der jeweils aufgerufenen Seite, z. B. der Indexseite oder der Seite für den Warenkorb, eingesetzt. Der Einsatz von Templates vermeidet Redundanzen im Quellcode und fördert einen schnelleren Entwicklungsprozess. WebGL dient der 3D-Visualisierung im Webbrowser und kommt für die Darstellung der Bauteile und insbesondere bei der Potentialbewertung (siehe Kapitel 6) zum Einsatz. In der Implementierung wurde unter anderem die auf WebGL aufbauende JavaScript-Bibliothek Three.js genutzt [34]. In der Ausgestaltung der Benutzeroberfläche kam das Framework Bootstrap zum Einsatz, welches die Nutzung teils vorgefertigter Front-End-Elemente, insbesondere CSS-Komponenten, ermöglicht [169].

8.5 Applikationslogik Die Applikations- und Geschäftslogik ist vor allem in der Steuerungsschicht umgesetzt. Diese dient zugleich als Vermittler zwischen Datenschicht und Benutzeroberfläche, indem sie die Objekte, welche durch das Datenmodell beschrieben werden, nutzt und zur Benutzeroberfläche kommuniziert. Sowohl die Steuerungs- als auch die Datenschicht sind in der objektorientierten Programmiersprache Java implementiert. Die Applikationslogik lässt sich grob untergliedern in die Teilmodule: Geometriedatenverarbeitung, Bauteilbewertung und Auftragsabwicklung.

Geometriedatenverarbeitung Die Geometriedatenverarbeitung umfasst Funktionalitäten zur Analyse und Verarbeitung von Bauteildaten. Die STL-Analyse dient der automatisierten Auswer-

8.5 Applikationslogik

161

Benutzeroberfläche

Seitenvorlage

Kopfzeile

CSS

Vorlage Seiteninhalt

JavaScript

Fußzeile

Indexseite

Bauteilupload

Login

Teilekatalog

Nutzerkonto

Warenkorb

Nachrichten

Bestellverwaltung

Bauteilsichtung

Vergleichskalkulation

Vorlage Seiteninhalt Konstruktionsprüfung

Potentialbewertung

Abbildung 8.4: Aufbau des Front-Ends, Darstellung als UML-Paketdiagramm

162

8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung

tung der Geometriedaten (siehe Kapitel 5.2.3), welche die Grundlage für die Kalkulation stellen. Der STL-Renderer generiert Bilder aus der STL-Datei, die vor allem als Vorschau innerhalb der Weboberfläche genutzt werden. Er nutzt die Python-Schnittstelle des freien Visualisierungsprogramms ParaView [122]. Die STL-Reparatur repariert unter Nutzung des Programms ADMesh fehlerhafte STL-Dateien vor deren Weiterverarbeitung [141]. Um ebenfalls CAD-Dateien verarbeiten zu können, wurde beispielhaft für STEP-Dateien eine Konvertierung auf Basis der Python-API des frei zugänglichen CAD-Programms FreeCAD integriert [179]. Diese konvertiert STEP- in STL-Dateien, welche von den entwickelten Algorithmen verarbeitet werden können. Beispielhaft für eine Methode in der Steuerungsschicht zeigt Abbildung 8.5 den Ablauf beim Hochladen eines Bauteils durch den Nutzer. Der Ablauf ist als UMLSequenzdiagramm dargestellt, welches die Kommunikation zwischen den Objekten aufzeigt. In der objektorientierten Programmierung werden Objekte von Klassen instanziiert. Eine Klasse beschreibt die Attribute und Methoden von Objekten eines bestimmten Typs [72]. Wenn der Benutzer über die Benutzeroberfläche ein Bauteil hochlädt, wird in der instanziierten Anfrageverwaltung als eine der zentralen Klassen des Controllers eine entsprechende Methode aufgerufen. Die Instanz der Anfrageverwaltung existiert für den Zeitraum einer Session. Eine Session beginnt mit der erfolgreichen Anmeldung eines Nutzers und endet mit dessen Abmeldung. Die Anfrageverwaltung nutzt erzeugte Objekte der Geometriedatenverarbeitung, um die Anfrage zu bearbeiten. Dazu wird eine möglicherweise hochgeladene STEP-Datei zunächst in eine STL-Datei konvertiert. Wenn der Benutzer eine STLDatei hochlädt, entfällt dieser Schritt. Die STL-Datei wird im Dateisystem des Servers gespeichert. Auf Basis der STL-Daten wird ein Vorschaubild generiert, welches im Teilekatalog angezeigt werden kann. Darauffolgend wird die durch die STL-Datei gegebene Geometrie analysiert, um für die Kalkulation relevante Kennzahlen zu ermitteln. Diese sind vor allem Volumen, Oberfläche und Abmessungen des Bauteils und werden in der anschließenden Kalkulation zur Berechnung eines Angebotspreises genutzt. Nach der Kalkulation wird das Bauteil zusammen mit den relevanten und teils berechneten Informationen in der Datenbank gespeichert.

Bauteilbewertung Das Modul fasst die in dieser Arbeit entwickelten Ansätze zur Kostenkalkulation und Potentialbewertung zusammen. Es nutzt dabei die durch die Geometriedatenverarbeitung ausgewerteten Bauteildaten. Unter anderem implementiert das Modul die in Kapitel 5 vorgestellte Methodik zur automatisierten Angebots- und Vorkalkulation für SLM und SLS.

8.5 Applikationslogik

163

av:Anfrageverwaltung bauteilHochladen() konv:STEP-zuSTL-Konverter stepKonvertieren()

rend:STL-Renderer vorschaubildGenerieren()

an:STL-Analyse geometrieAnalysieren()

kalk:Kalkulation bauteilKalkulieren()

bauteilPersistieren()

Abbildung 8.5: Ablauf und Methodenaufrufe beim Hochladen eines Bauteils, Darstellung als UML-Sequenzdiagramm

Abbildung 8.6 stellt den Zusammenhang der Datenstrukturen in der Kalkulation exemplarisch dar. Zur übersichtlicheren Darstellung sind Methoden und Attribute der Klassen nicht aufgeführt. In der Angebotskalkulation lässt sich jedes Bauteil einer Preiskalkulation zuordnen. Über eine Konfigurationsdatei kann die Kalkulation auf die Gegebenheiten und Bedürfnisse des Fertigungsdienstleisters eingestellt werden. Die Kalkulation arbeitet kostenorientiert und basiert auf den zu einem Bauteil berechneten Herstellkosten. Die Klasse Kosten ist eine abstrakte Klasse, zu der es keine Instanzen geben kann. Sie definiert Schnittstellen und beinhaltet generell zur Kostenkalkulation benötigte Attribute und Methoden, z. B. Methoden zur Berechnung der Vertriebs- und Verwaltungskosten oder der Selbstkosten. Zudem stellt sie eine Verknüpfung zum Material her. Die Klasse Material beinhaltet unter anderem Informationen zur Dichte des Materials und dem Preis pro Kilogramm. Die Klasse AMKosten ist ebenfalls abstrakt und erbt von der allgemeinen Klasse Kosten. Sie ergänzt die Attribute um die AMMaschine und die Material-Maschine-Parameter. Die AMMaschine sowie die Material-Maschine-Parameter werden auf Basis des vom Kunden gewünschten Materials gesetzt. Die Klasse AMMaschine speichert Daten zur produzierenden Generieranlage, z. B. Abmessungen des Bauraums und Maschinenstundensatz.

164

8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung

Die Klasse Material-Maschine-Parameter beinhaltet für die Kalkulation notwendige Informationen zum Prozess, unter anderem Aufbaurate und Schichtdicke. Die Klassen Kosten und AMKosten ermöglichen die Erweiterbarkeit des Kalkulationsmodells um weitere Fertigungsverfahren. Von der Klasse AMKosten erben wiederum die Klassen SLMKosten und SLSKosten. Sie implementieren Methoden zur Berechnung der Material- und Fertigungskosten für das spezifische Fertigungsverfahren. Die beiden Klassen sind nicht abstrakt und können somit instanziiert werden. Sie erben die Attribute und Methoden der Elternklasse und werden von der Klasse Kalkulation genutzt. 1

1 Kalkulation

Bauteil

Kalkulationskonfiguration

1

1

1 1

AMMaschine

1

*

SLMKosten

Kosten {abstract}

AMKosten {abstract}

*

1 Material

*

1

Material-MaschineParameter

SLSKosten

Abbildung 8.6: Zusammenhang der Datenstrukturen in der Kalkulation, Darstellung als UML-Klassendiagramm

Die in Abbildung 8.3 dargestellte Konstruktionsprüfung basiert auf den in Kapitel 4 vorgestellten Ansätzen, um fertigungstechnisch kritische Bauteile sowohl in der Bauteilsichtung als auch Auftragsannahme herauszufiltern. Die Umsetzung der Potentialbewertung von Bauteiloptimierungen stützt sich auf die in Kapitel 6 entwickelte Methodik einer webbasierte FEM-Berechnung. Die implementierte Vergleichskalkulation erweitert die beschriebenen Dienste um einen Wirtschaftlichkeitsvergleich zu den Fertigungsverfahren Fräsen und Feinguss (siehe Kapitel 7).

8.5 Applikationslogik

165

Auftragsabwicklung Weiterhin beinhaltet die Applikationslogik Funktionen, welche die Kundenanbindung und Auftragsabwicklung unterstützen. Unter anderem sind dies Funktionen zur Verwaltung von Bauteilen, Anfragen, Bestellungen, Kundendaten und Nachrichten. Nachdem der Kunde beispielsweise eine Bestellung aufgegeben hat, kann jederzeit der aktuelle Status der Bestellung online verfolgt werden. Darüber hinaus hat der Kunde die Möglichkeit, seinen eigenen cloudbasierten Teilekatalog anzulegen, aus welchem Bau- und Ersatzteile nachbestellt werden können. Nachrichten, welche über die Plattform zwischen Anbieter und Kunde ausgetauscht werden, können ebenfalls per E-Mail über einen Simple Mail Transfer Protocol (SMTP)-Mailserver verschickt werden.

Datensicherheit und Zugriffsberechtigung Während des Dateiaustausches und der Kommunikation zwischen cloudbasierter Plattform und Nutzer werden die Daten verschlüsselt mittels Secure Sockets Layer (SSL) übertragen. Authentifikation und Autorisierung wird unter Nutzung des Sicherheitsframeworks Apache Shiro implementiert [213]. Auf das System kann der Nutzer erst nach erfolgreicher Registrierung zugreifen. Über ein integriertes rollenbasiertes Berechtigungskonzept wird für registrierte Nutzer der Zugriff auf und innerhalb des Systems kontrolliert und geregelt. Abbildung 8.7 zeigt in diesem Kontext den Zusammenhang der Datenstrukturen. Die Klasse Kunde enthält sämtliche Kundeninformationen, z. B. Kontaktdaten, Liefer- und Rechnungsadresse. Dem Kunden lässt sich genau ein Nutzer zuordnen. Die Klasse Nutzer beinhaltet für die Anmeldung notwendige Attribute. Diese sind: Nutzername und Passwort sowie zusätzlich eine Rolle. Die Rolle wird über eine Enumeration beschrieben. Sie hat entweder den Wert eines standardmäßigen Kunden oder den eines Administrators. Über die Rolle werden innerhalb des Systems Zugriffe kontrolliert. So hat beispielsweise nur ein Administrator das Recht, auf die Anfrage- und Bestellverwaltung zuzugreifen.

Kunde

0..1

1

Nutzer

Rolle

Abbildung 8.7: Verknüpfung der Klassen Kunde, Nutzer und Rolle, Darstellung als UML-Klassendiagramm

166

8 Systemarchitektur und prototypische Implementierung

8.6 Datenschicht Die Datenschicht enthält Klassen, welche die notwendigen Geschäftsobjekte mit deren Methoden und Attributen beschreiben. So gibt es unter anderem die Klassen Nutzer, Kunde, Bauteil, Maschine und Material. Abbildung 8.8 zeigt ausschnittsweise den Zusammenhang der Datenstrukturen in der Datenschicht. Ein Kunde kann beliebig viele Bauteile hochladen und beliebig viele Bestellungen aufgeben. Eine Bestellung enthält mindestens ein Bauteil. Nachrichten, die zwischen Kunde und Fertigungsdienstleister ausgetauscht werden, können zu einer Bestellung oder zu einem Bauteil geschrieben werden. Ein Bauteil muss nicht unbedingt zu einer Bestellung gehören. Bauteile werden erst einer Bestellung zugeordnet, wenn diese aus dem Online-Teilekatalog heraus über den Warenkorb bestellt werden und somit die Fertigung beauftragt wird. Zu einem Bauteil können Zusatzdateien, beispielsweise Zeichnungen, abgespeichert werden. Sowohl eine Bestellung als auch ein Bauteil haben einen Status, der den Stand in der Auftragsabwicklung und Produktion angibt. Dieser kann jederzeit durch den Kunden über die Weboberfläche eingesehen werden. Des Weiteren wird zu jedem Bauteil gespeichert, ob dieses additiv herstellbar ist.

StatusBestellung

*

Bestellung

0..1

0..1 1

*

Kunde

Nachricht

1

*

1..*

*

Bauteil

0..1

1 *

Zusatzdatei

StatusBauteil

Herstellbarkeit

Abbildung 8.8: Zusammenhang der Datenstrukturen in der Datenschicht, Darstellung als UML-Klassendiagramm

8.6 Datenschicht

167

Die Objektdaten werden in einer relationalen Datenbank gespeichert, auf welche mittels Structured Query Language (SQL) zugegriffen werden kann. Aufgrund der freien Zugänglichkeit und des hohen Verbreitungsgrades wurde sich für den Einsatz des Datenbankmanagementsystems MySQL entschieden [22, 167]. Zum Zugriff auf die Datenbank wird ein objektrelationales Mapping (ORM)Framework verwendet [129, 130, 181]. Dieses erleichtert das Ablegen und Abfragen der Objekte in der Datenbank. Hochgeladene oder erzeugte Dateien zu den Bauteilen werden im Dateisystem gespeichert. Diese sind vor allem STL- oder CAD-Dateien, Vorschaubilder der Bauteile oder Dateien, welche zur Durchführung der FEM-Berechnung benötigt und generiert werden. Die Dateipfade werden zusammen mit den jeweiligen Objektdaten in der Datenbank gespeichert.

9 Zusammenfassung und Ausblick Additive Fertigungsverfahren ermöglichen aufgrund ihrer geometrischen Freiheitsgrade die Herstellung komplexer, optimierter Produkte. Trotzdem sind in der Anwendung der Technologie zahlreiche Potentiale noch nicht erschlossen. In dieser Arbeit wird eine Methodik zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung von Potentialen in der additiven Fertigung sowie deren Erschließung über eine cloudbasierte Plattformlösung vorgestellt. Das Kapitel führt die Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsfelder.

9.1 Zusammenfassung Angesichts der zunehmenden Trends zu Individualisierung und Optimierung von Produkten ist das Marktpotential für additive Fertigungsverfahren groß. Eine der wesentlichen Herausforderungen, vor welcher Fertigungsbetriebe in der Anwendung stehen, ist die Erschließung dieser Potentiale. Dies umfasst vor allem die Auswahl geeigneter Bauteile, für welche sich wirtschaftliche Geschäftsfälle durch eine Herstellung mittels additiver Verfahren ergeben. Bisherige Methoden der Kalkulation und Potentialbewertung verlangen allerdings hohen Aufwand und Expertenwissen im Bereich der additiven Fertigung. In der vorliegenden Arbeit wird eine integrierte und in vielen Teilen automatisierte Methodik zur Erschließung von Potentialen in der additiven Fertigung vorgestellt. Diese ermöglicht sowohl die schnelle und präzise Bewertung von Potentialen unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten als auch die Nutzung dieser Potentiale durch Beauftragung über eine webbasierte Kundenschnittstelle, welche eine direkte Auftragsannahme und Unterstützung der Auftragsabwicklung ermöglicht. Die Arbeit setzt sich aus folgenden Hauptbestandteilen zusammen: • Eine automatisierte Prüfung einer gegebenen Bauteilgeometrie auf Konstruktionsrichtlinien und Fertigungsrestriktionen der additiven Fertigung erlaubt eine grundsätzliche Prüfung auf Herstellbarkeit. • Eine Angebots- und Vorkalkulation für SLM schafft basierend auf analytischen und statistischen Kostenfunktionen die Voraussetzung für die automatisierte Kalkulation von Herstellkosten und Angebotspreisen zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Baujobzusammenstellung und Ausrichtung des Bauteils im Bauraum noch nicht vorgenommen wurde.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 J.-P. Rudolph, Cloudbasierte Potentialerschließung in der additiven Fertigung, Light Engineering für die Praxis, https://doi.org/10.1007/978-3-662-58263-3_9

170

9 Zusammenfassung und Ausblick

• Eine webbasierte Potentialbewertung ermöglicht die Voraussage von Gewichts- und Kosteneinsparpotentialen, welche sich durch die Optimierung von Bauteilen und deren additive Fertigung realisieren lassen. Die Bewertung stützt sich auf eine FEM-Berechnung mit Bedienung über den Webbrowser. • Eine umfassende Methodik zur Bauteilsichtung und -selektion beinhaltet eine Vergleichskalkulation zu den Konkurrenzverfahren Zerspanung und Guss bei gleichzeitiger Betrachtung von fertigungstechnischen Restriktionen und Potentialen durch eine Bauteiloptimierung. Die entwickelte Methodik wurde im Rahmen einer Webapplikation prototypisch implementiert. Zur Evaluierung werden Konstruktions- und Fertigungsdaten von Realbauteilen und Versuchskörpern genutzt. Die Evaluierung verdeutlicht, dass die Methodik eine effiziente, effektive sowie transparente Bewertung und Erschließung von Potentialen in der additiven Fertigung ermöglicht. Am Beispiel der voll automatisierten Angebotskalkulation kann gezeigt werden, dass unter Verwendung der implementierten cloudbasierten Plattform eine Kalkulationszeit von durchschnittlich unter 10 Sekunden bei einer Abweichung von weniger als 10 % erreicht werden kann.

9.2 Ausblick Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz der Potentialerschließung über eine cloudbasierte Plattformlösung legt die Basis für ein datengetriebenes Produktionssystem, welches den Kunden einbindet und die Prozesskette vom Vertrieb bis zur Auslieferung steuert. Im Rahmen der durchgeführten Entwicklungen eröffneten sich weitere Forschungsfelder, die Raum für zukünftige Forschungsaktivitäten bieten. So ermöglicht die entwickelte Kalkulationsmethodik eine selbstlernende Optimierung auf Basis abgeschlossener Baujobs. Zukünftige Arbeiten könnten diese Kalkulation um eine Produktionsplanung und -steuerung ergänzen, welche den aktuellen Zustand der Produktion ereignisbasiert erfasst und abbildet. Die Produktionsplanung schließt die Zusammenstellung und Terminierung der Baujobs sowie die Verplanung von Ressourcen für die Nachbearbeitung ein. Basierend darauf könnten Angebotspreise dynamisch kalkuliert werden. Zusätzlich ist die umgesetzte Kalkulation für einen breiten Technologievergleich um weitere konventionelle und additive Fertigungsverfahren erweiterbar. In der Bewertung von Bauteiloptimierungspotentialen fokussiert sich die vorliegende Arbeit auf eine möglichst automatisierte Ermittlung von möglichen Ge-

9.2 Ausblick

171

wichtsreduktionen auf Basis statischer Festigkeitsanalysen. Neben der Optimierung der Bauteilgestalt hinsichtlich mechanischer Belastungen lassen sich mittels additiver Fertigung auch Strukturen herstellen, welche nach schwingungstechnischen, thermodynamischen oder strömungsmechanischen Kriterien optimiert sind [57]. Dort könnten zukünftige Forschungsarbeiten zur Potentialbewertung ansetzen. Die Arbeit zeigt, dass durch Automatisierung wesentlicher Arbeitsschritte ein hohes Maß an Effizienzsteigerung erreicht werden kann. Während der Schwerpunkt der Arbeit auf der Potentialbewertung und Kalkulation liegt, gibt es entlang der digitalen Prozesskette noch eine Vielzahl an vielversprechenden Ansatzpunkten zur effizienteren und damit kostengünstigeren Gestaltung von Arbeitsvorgängen. So ist beispielsweise die Automatisierung der Arbeits- und Datenvorbereitung, welche unter anderem die Prozessabläufe der Baujobzusammenstellung und Bauteilorientierung sowie das Setzen der Supportstrukturen umfasst, ein möglicher Schritt zur weiteren Industrialisierung additiver Fertigungsverfahren. Darüber hinaus liegt viel Potential in der zukünftigen Entwicklung von Werkzeugen, welche den Konstrukteur in der Designphase unterstützen oder den Konstruktions- und Optimierungsprozess automatisieren. Diese Arbeit leistet durch die Entwicklung von Algorithmen zur Prüfung einer Bauteilgeometrie auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien einen ersten Beitrag dazu.

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