Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung [1. Aufl.] 9783662597880, 9783662597897

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XI
Einleitung (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 1-5
Grundlagen (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 7-20
Planung, Potenziale und Spezifikation (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 21-40
Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 41-65
Projektbeispiele (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 67-98
Die Entwicklungsumgebung (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 99-127
Geschäftsmodelle (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 129-140
Lohnt sich die Additive Fertigung? (Roland Lachmayer, René Bastian Lippert)....Pages 141-159
Back Matter ....Pages 161-191

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Roland Lachmayer René Bastian Lippert

Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung

Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung

Roland Lachmayer • René Bastian Lippert

Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung

Roland Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerätebau Leibniz Universität Hannover Hannover, Deutschland

René Bastian Lippert Institut für Produktentwicklung und Gerätebau Leibniz Universität Hannover Hannover, Deutschland

ISBN 978-3-662-59788-0    ISBN 978-3-662-59789-7 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7 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 © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 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 allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. 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

Das vorliegende Buch beschreibt – nach einer Einführung in die Grundlagen der Additiven Fertigung – Spezifikationen von Bauteilen und Prozessen, Methoden zur Abschätzung der Bauteileeignung und Anwendungen der Additiven Fertigung sowie zur Entwicklung von Konzepten und Entwürfen. Weiter werden die Konstruktion von Bauteilen, deren Gestaltung zur Sicherstellung funktionaler Anforderungen und der Herstellbarkeit sowie Methoden und Werkzeuge zur Bauteiloptimierung dargestellt. Daraus abgeleitet werden Maßnahmen zur Sicherstellung von Qualitätsaspekten charakterisiert. Weiterhin werden die Integration von Additiven Fertigungsverfahren in bestehende Prozesse und die Wertschöpfungsketten bzw. Geschäftsmodelle der Additiven Fertigung diskutiert. Die Inhalte werden im Buch ganzheitlich im Sinne von Entwicklungsprozessen der Produktentstehung miteinander verknüpft. Abschließend wird der Frage nachgegangen wie und wann sich die Additive Fertigung unter Nachhaltigkeitsaspekten lohnt. Ergänzt wird das Buch durch ein Glossar sowie Konstruktionskataloge der Additiven Fertigungsverfahren und Gestaltungsregeln der Additiven Fertigung im Anhang. Hannover, Deutschland April 2020 

Roland Lachmayer René Bastian Lippert

V

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   1 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   5 2 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   7 2.1 Prozesskette��������������������������������������������������������������������������������������������������   9 2.1.1 Konstruktion (Computer Aided Design) ������������������������������������������  10 2.1.2 Aspekte des Pre-Prozesses (Computer Aided Planning)������������������  10 2.1.3 Aspekte des In-Prozesses (Computer Aided Manufacturing)����������  11 2.1.4 Aspekte des Post-Prozesses��������������������������������������������������������������  11 2.1.5 Finishing ������������������������������������������������������������������������������������������  11 2.2 Katalog der additiven Fertigungsverfahren��������������������������������������������������  11 2.3 Produktentwicklungsprozess der Additiven Fertigung ��������������������������������  15 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  19 3 Planung, Potenziale und Spezifikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  21 3.1 Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der Additiven Fertigung����������  24 3.1.1 Stärken����������������������������������������������������������������������������������������������  24 3.1.2 Schwächen����������������������������������������������������������������������������������������  25 3.1.3 Chancen��������������������������������������������������������������������������������������������  26 3.1.4 Risiken����������������������������������������������������������������������������������������������  27 3.2 Gestaltungsziele��������������������������������������������������������������������������������������������  28 3.3 Potenzialabschätzung������������������������������������������������������������������������������������  29 3.4 Bauteilportfolioanalyse ��������������������������������������������������������������������������������  31 3.5 Klären und präzisieren der Aufgabe ������������������������������������������������������������  37 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  40 4 Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  41 4.1 Ermitteln von Funktionen und Lösungskonzepten ��������������������������������������  43 4.1.1 Konstruktions-Prinzipien������������������������������������������������������������������  45 4.1.2 Variation von Produktstruktur und Gestalt ��������������������������������������  45 4.1.3 Bionik������������������������������������������������������������������������������������������������  46 4.1.4 Innere Strukturen������������������������������������������������������������������������������  46 VII

VIII

Inhaltsverzeichnis

4.1.5 Optimierung��������������������������������������������������������������������������������������  48 4.1.6 Gradierte und kombinierte Materialien��������������������������������������������  51 4.2 Entwurf und Gestaltungsrichtlinien��������������������������������������������������������������  51 4.2.1 Vorgehen beim Entwerfen����������������������������������������������������������������  52 4.2.2 Gestaltungsrichtlinien ����������������������������������������������������������������������  53 4.3 Konkrete Restriktionen am Beispiel SLM ��������������������������������������������������  55 4.4 Lessons Learned��������������������������������������������������������������������������������������������  62 4.4.1 Mensch����������������������������������������������������������������������������������������������  63 4.4.2 Maschine ������������������������������������������������������������������������������������������  63 4.4.3 Material ��������������������������������������������������������������������������������������������  64 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  64 5 Projektbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  67 5.1 Gewichtsreduzierter Radträger für einen Rennwagen����������������������������������  68 5.1.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  68 5.1.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  69 5.1.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  72 5.2 Funktionsintegration für einen Reflektor ����������������������������������������������������  72 5.2.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  72 5.2.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  73 5.2.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  76 5.3 Gewichtsoptimierte Fahrradtretkurbel����������������������������������������������������������  76 5.3.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  76 5.3.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  78 5.3.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  80 5.4 Kraftflussanpassung für einen Klinkenheber������������������������������������������������  80 5.4.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  80 5.4.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  81 5.4.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  84 5.5 Integrierte Strömungskanäle für ein Ventil ��������������������������������������������������  86 5.5.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  86 5.5.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  86 5.5.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  88 5.6 Mass Customization für eine kundenindividuelle Teemaschine������������������  89 5.6.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  89 5.6.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  89 5.6.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  90 5.7 Design für die Bemusterung von Kfz-Schlüsseln ����������������������������������������  91 5.7.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  91 5.7.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  92 5.7.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  93

Inhaltsverzeichnis

IX

5.8 Net-Shape Geometrie eines Turbinen Fanblades������������������������������������������  94 5.8.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  94 5.8.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  94 5.8.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  95 5.9 Gradierte Materialien und Additive Repair ��������������������������������������������������  96 5.9.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  96 5.9.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  96 5.9.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  97 5.10 Innere Effekte für den Kern einer elektrischen Spule����������������������������������  97 5.10.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material ������������������  97 5.10.2 Methodeneinsatz und Prozess ����������������������������������������������������������  98 5.10.3 Bewertung der Ergebnisse����������������������������������������������������������������  98 6 Die Entwicklungsumgebung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  99 6.1 Computer Aided Engineering (CAE)������������������������������������������������������������ 100 6.2 Computer Aided Manufacturing (CAM)������������������������������������������������������ 103 6.2.1 Werkstoff������������������������������������������������������������������������������������������ 103 6.2.2 Maschinenparameter ������������������������������������������������������������������������ 105 6.3 Validierung und Qualitätskontrolle �������������������������������������������������������������� 120 6.3.1 Zerstörende Prüfung������������������������������������������������������������������������� 120 6.3.2 Prozessüberwachung und -regelung������������������������������������������������� 121 6.3.3 Zerstörungsfreie Prüfung������������������������������������������������������������������ 123 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 125 7 Geschäftsmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 7.1 Fertigungsdienstleister���������������������������������������������������������������������������������� 130 7.2 Fertigungs-Los-Grösse 1 und kleine Stückzahl�������������������������������������������� 131 7.3 Produktion optimierter Teile in größerer Stückzahl�������������������������������������� 132 7.4 Integration in eine Linienfertigung �������������������������������������������������������������� 132 7.5 Künstlerische Gestaltung������������������������������������������������������������������������������ 133 7.6 Dezentralisierung der Fertigung versus Lagerhaltung���������������������������������� 134 7.7 Additive Repair �������������������������������������������������������������������������������������������� 135 7.8 Collaborative Customer�������������������������������������������������������������������������������� 135 7.9 Handhabungstechnik, Werkzeug- und Formenbau �������������������������������������� 136 7.10 Rapid Prototyping ���������������������������������������������������������������������������������������� 138 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 140 8 Lohnt sich die Additive Fertigung?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 8.1 Ökologische Nachhaltigkeit�������������������������������������������������������������������������� 144 8.2 Domänenspezifische Anwendungen und Ökonomie������������������������������������ 151 8.3 Digitalisierung und Lehrkonzept������������������������������������������������������������������ 152 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 158

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Inhaltsverzeichnis

Konstruktionskatalog der Additiven Fertigungsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Konstruktionskatalog der Gestaltungsrichtlinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Richtlinien und Normen zur Additiven Fertigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

Autorenverzeichnis

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer  ist Leiter des Instituts für Produktentwicklung und Gerätebau an der Leibniz Universität Hannover. Seit dem Jahr 2016 ist er Sprecher der Graduiertenschule „Tailored Light“ sowie Mitglied im wissenschaftlichen Direktorium des Laserzentrums Hannover e.V.  Roland Lachmayer ist seit 2018 Sprecher des EFRE Forschungsverbundes GROTESK. Zu seinen bisherigen über 200 Publikationen gehören bereits zahlreiche Veröffentlichungen zu den Themen 3D-Druck und Konstruktion für die Additive Fertigung. Dr.-Ing. René Bastian Lippert  war bis 2018 Leiter der Arbeitsgruppe „Methoden für die Additive Fertigung“ am Institut für Produktentwicklung und Gerätebau der Leibniz Universität Hannover. Zu seinen Forschungsaktivitäten zählen insbesondere die Entwicklung und die Konstruktion für Selektives Laserstrahlschmelzen. Herr Lippert ist seit 2019 als globaler Projektleiter für die Additive Fertigung bei der Hilti AG tätig.

XI

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Einleitung

Basierend auf den Fortschritten bei der digitalen Geometriedatenverarbeitung und Regelungstechnik wurde 1984 von Chuck Hull als erstes Verfahren der Additiven Fertigung die Stereolithografie zum Patent angemeldet. Obwohl die Additive Fertigung damit eine relativ junge Disziplin ist, sind die Effekte, die mit den verschiedenen additiven Technologien im Sinne einer effizienten Produkt- und Fertigungsprozessoptimierung erzielt werden können, von herausragender Bedeutung. Diese Verfahren bieten innovative und vielseitige Möglichkeiten zur beschleunigten Produktgestaltung sowie zur erweiterten Optimierung des Designs und der Fertigungsprozesse. Darüber hinaus ist durch die Nutzung der Technologien in Anlehnung an die Natur auch die Herstellung von Bauteilen mit extremer Kompliziertheit und inneren Strukturen realisierbar, was mit herkömmlichen Verfahren nur sehr schwer oder gar unmöglich ist. Leichtbau und Energieeinsparungen auch im Produktlebenszyklus, durch reduziertes Gewicht von Bauteilen, sind so bei gleicher Stabilität und Belastbarkeit realisierbar. Auch sind durch die Nutzung additiver Fertigungsverfahren, insbesondere in der Kleinserienproduktion, steigende Variantenvielfalt und individualisierte Produkte möglich und wirtschaftlich realisierbar geworden, da Nachteile, wie aufwendige Arbeitsvorbereitung und großer Zeitaufwand für den Werkzeugaufbau, überwunden werden können. Damit werden werkzeuglose Produktionen und losgrößenangepasste oder individuelle Fertigung günstig möglich. Ausgehend vom Rapid Prototyping der 1990er-Jahre über die Anwendungen in der „Do It Yourself Community“ ist damit die Additive Fertigung heute allerorten in unserer Industrie angekommen. Dabei verstehen wir unter Additiver Fertigung inzwischen eine Vielzahl von Verfahren zum schichtweisen, werkzeuglosen Aufbau von Bauteilen unterschiedlichster Materialien anhand von CAD Modellen und numerisch gesteuerten Anlagen. Durch abgestimmte Positionierung in drei Achsen und lokalem Verfestigen von Material entstehen dabei Voxel für Voxel Bauteile, die in der Regel nahezu ihre Endgeometrie haben. Der schematische schichtweise Aufbau eines Bauteils durch die Additiven Fertigung ist in Abb. 1.1 dargestellt.

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_1

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1 Einleitung

2 1

Virtuelles Modell

In-Prozess 2

Materialzufuhr

STL

3

z

y 5

Physisches Bauteil

4

Schichterzeugung x

Schicht-Zustellung Δz

Abb. 1.1  Schema des Aufbaus additiv gefertigter Teile [Lipp18]

Im klassischen Schema der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 kann man die Additive Fertigung als Sonderform des Urformens einordnen. Dabei bezeichnen wir in Anlehnung an VDI 3405 die Technologieebene mit Additiver Fertigung, die darunter liegende Ebene der Anwendungsbereiche in der Produktentstehung gliedert sich in: • • • •

Rapid Prototyping Rapid Tooling Direct Manufacturing Additive Repair.

Auf der Verfahrensebene finden sich inzwischen mehr als 15 unterschiedliche Ausprägungen. Neben der bereits erwähnten Stereolithografie [Hull84] unterscheidet man zum Beispiel auch das Selektives Lasersintern (SLS) [Deck87], das Fused Layer Modeling (FLM), das Selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) und weitere (siehe Anhang). Dabei unterliegen, insbesondere unter den Aspekten der Effizienz und Multimaterialität zur Integration von Effekten oder Realisierung gradierter Materialien, sowohl die Verfahrensentwicklung als auch die Optimierung dieser weiterhin einer sehr dynamischen Entwicklung. An vielen Stellen erschließen sich die Potenziale der Technologie aber erst, wenn man über additiv gefertigte Produkte nachdenkt und bei deren Konstruktion gezielt die Möglichkeiten der Additiven Fertigung berücksichtigt. Aktuelle Anwendungen reichen von ultraleichten Teilen in der Serienanwendung der Luftfahrtindustrie, über personalisierende Anwendungen in der Automobilindustrie, Rapid Repair, gedrucktem Zahnersatz bis hin zu visionären Ideen und Geschäftsmodellen – wie zum Beispiel dem Druck von Organen, Textilien oder Consumer Produkten. Erwartungen gehen dabei in unterschiedlichste Richtungen, von Gestaltungskomplexität und Freiheit, über werkzeuglose und schnellere Fertigung zu Produktindividualisierung, Ultraleichtbau und hoher Funktionsintegration bis hin zu neuen Geschäftsmodellen,

1 Einleitung

3

Abb. 1.2  Anwendungsbereiche der additiven Fertigung von Produkten

Anwendungsbereiche

Endkundenbereich

Professioneller Bereich

Do It Yourself

Visionär

Art & Design

Industriell

höherer Nachhaltigkeit und gänzlich neuem Umgang mit Werkstoffen im professionellen Bereich. Die öffentliche Diskussion der vergangenen Jahre wird aber auch durch Do It Yourself sowie Art und Design für den Endkundenbereich getrieben. Abb. 1.2 strukturiert die Anwendungen in Endkundenbereich und professionellen Bereich. Klar wird erst beim näheren Hinsehen, dass die Additive Fertigung einen Enabler für vieles Neues darstellt, dass sie sich rasant weiterentwickelt, dass aber für den Umgang und sinnvollen Einsatz an vielen Stellen noch grundlegender Kenntnisse fehlen. Dies gilt insbesondere für die Produktentwicklung, da hier die wesentlichen Entscheidungen für den technischen aber auch kommerziellen Erfolg einer Innovation getroffen werden. Entlang des Konstruktionsprozesses sind dafür in den vergangenen Jahren allerdings auch Arbeiten geleistet worden, die sich im wesentliche wie folgt sortieren lassen: • • • •

Planen – Potenzialdefinition Konzipieren – Effiziente Effekte Entwerfen – Gestaltoptimierung und Fallbeispiele Ausarbeiten – Prozesswissen und Gestaltungsrichtlinien

Auch wir haben uns in der Forschung intensiv mit dem Thema beschäftigt und inzwischen fünfmal gemeinsam mit anderen Experten Workshops organisiert und unter folgenden Titeln publiziert: • • • •

3D-Druck beleuchtet [Lach16] Additive Manufacturing quantifiziert [Lach17] Additive Serienfertigung [Lach18] Konstruktion für die additive Fertigung 2018 und 2019 [Lach19, Lach20]

Während es sich bei diesen Büchern um Essaysammlungen handelt, werden wir mit dem vorliegenden Werk die gewonnenen Erkenntnisse in Form einer ­Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung formulieren. Im Einzelnen werden wir, nach einer Einführung in das Thema, die Aspekte Spezifikation, Kreativitätsmethoden und Heuristiken, Konzepte

4

1 Einleitung

und Vorgehen, Rechnerumgebung sowie Daten und Business Case behandeln. Diese werden wir entlang des Konstruktionsprozesses nach VDI 2221 zuordnen und die entwicklungsrelevanten Aspekte Strategie und Implementierung erweitert diskutieren. Damit soll dieses Buch einen Beitrag leisten, um im industriellen Kontext die Potenziale der Additiven Fertigung und das „Wie“ ihrer Realisierung in strukturierter Form heben zu können. Es adressiert die strategische Ebene der Entscheider durch die Beantwortung der Fragen: „Was sind die Potenziale und wie definieren wir sie richtig?“ „Lohnt sich die Additive Fertigung?“ „Wie sehen Prozessketten der Additiven Fertigung aus?“

… aber auch die Entwickler mit den Aspekten: „Wie machen wir das methodisch?“ „Wie gehen wir konkret am Beispiel vor?“ „Was brauchen wir zum Entwickeln?“

Ebenso ist es aber auch Ziel des Buches, das Thema Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung für die Lehre zu dokumentieren und eine Hilfestellung für Studenten bereit zu stellen, die wir inzwischen im fünften Durchlauf mit der Vorlesung „Konstruktion für die Additive Fertigung“ an der Leibniz Universität Hannover betreuen. Unser Buch ist in die folgenden sieben originären Kapitel unterteilt, die wir entsprechend der Chronologie eines Entwicklungsprozesses gegliedert haben, die je nach Inte­ resse aber auch in anderer Reihenfolge gelesen werden können. Kapitel zwei Grundlagen zur Technologie und Methodik dient zum Verständnis der Prozesskette, zur Strukturierung der Technologie und ordnet wesentliche Aktivitäten der Entwicklung für die Additive Fertigung entlang des Prozessmodells nach VDI 2221 ein. Kapitel drei behandelt Methoden die zur Potenzialevaluation der Additiven Fertigung genutzt werden. Zunächst werden qualitativ Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der Additiven Fertigung diskutiert. Dann wird anhand von Gestaltungszielen strukturierter der sinnvolle Einsatz der Additiven Fertigung adressiert, um schließlich auf unterschiedliche Methoden der quantitativen Abschätzung näher einzugehen und abschließend am Beispiel die Spezifikation eines additiv zu fertigenden Bauteils vorzustellen. In Kapitel vier geht es um Heuristiken und Methoden, welche die Konzeption und Gestaltung unterstützen. Im Einzelnen behandeln wir die Themen: Auflösung konstruktiver Widersprüche, Designprinzipien, Optimierung, Entwurfsstrategien, Gestaltungsrichtlinien und konkrete Restriktionen sowie Lessons learned. In Kapitel fünf stellen wir die oben beschriebenen Zusammenhänge anhand von zehn Beispielen aus unserer eigenen Arbeit dar. In Kapitel sechs liegt der Fokus auf der Entwicklungsumgebung aus Werkzeugen und Datenspeichern und ihren Spezifika in Bezug auf die Additive Fertigung.

Literatur

5

Schließlich wird der Aspekt der Implementierung sowohl im Geschäftsmodell als auch im Order-To-Delivery Prozess abgebildet. Hierzu werden wir in Kapitel sieben in Anlehnungen an die Methodik des Business Modell Canvas zehn Geschäftsmodelle mit Bezug zur additiven Fertigung vorstellen. In Kapitel acht gehen wir der Frage nach, ob sich die Additive Fertigung überhaupt lohnt. Insbesondere werden dabei Nachhaltigkeitsaspekte diskutiert. Das angegliederte Sachwortverzeichnis basiert im Wesentlichen auf Konventionen der DIN und VDI-Richtlinien, wurde von uns aber auch ergänzt und soll die Lesbarkeit des vorliegenden Buches unterstützen. Im Appendix befindet sich außerdem eine Übersicht der Additiven Fertigungsverfahren. Ferner befindet sich dort unser Katalog der Gestaltungsrichtlinien als Unterstützung für die konkrete Anwendung sowie ein umfangreiches Literaturverzeichnis.

Literatur [Deck87] Deckard, C. R.: METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING PARTS BY SELECTIVE SINTERING, WO001988002677A2, Tag der Anmeldung: 14.10.1987 [Hull84] Hull, C. W.: Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography, US000004575330A, Tag der Anmeldung: 08.08.1984 [Lach16] Lachmayer, R.; Lippert, R.B. und Fahlbusch, T. (Hrsg.): 3D-Druck beleuchtet: Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung; Springer Vieweg Verlag; Deutschland Berlin Heidelberg; 2016; ISBN: 978-3-662-49055-6 [Lach17] Lachmayer, R.; Lippert, R.  B.; Kaierle, S. (Hrsg.): Additive Manufacturing quantifiziert, Springer Vieweg Verlag, Deutschland Berlin Heidelberg, 2017, ISBN: 978-3-662 [Lach18] Lachmayer, R.; Lippert, R. B.; Kaierle, S. (Hrsg.): Additive Serienfertigung – Erfolgsfaktoren und Handlungsfelder für die Anwendung, Springer Vieweg Verlag, Deutschland Berlin Heidelberg, 2018, ISBN: 978-3-662-56462-2 [Lach19] Lachmayer, R.; Lippert, R. B.; Kaierle, S. (Hrsg.): Konstruktion für die Additive Fertigung 2018, Springer Vieweg Verlag, Deutschland Berlin Heidelberg, 2019, ISBN: 978-3-662-59057-7 [Lach20] Lachmayer, R.; Rettschlag, K.; Kaierle, S. (Hrsg.): Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, Springer Vieweg Verlag, Deutschland Berlin Heidelberg, 2020, ISBN: 978-3-662-61148-7 [Lipp18] Lippert, R. B.: Restriktionsgerechtes Gestalten gewichtsoptimierter Strukturbauteile für das Selektive Laserstrahlschmelzen, TEWISS  – Technik und Wissen GmbH Verlag, Garbsen, 2018, ISBN: 978-3-95900-197-7

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Grundlagen

Betrachtet man die Vielschichtigkeit des Themas und seine Implikationen in Bezug auf die Produktentwicklung, so muss eine Methodik strukturieren, sie muss sowohl den technischen Mehrwert als auch den Ablaufprozess erläutern und sie muss konkrete Methoden zur Lösungsfindung empfehlen. In diesem Kapitel geht es zunächst um die Strukturierung des Themas, die Technologie und den Entwicklungsprozess im Allgemeinen sowie spezifische Implikationen. Die unterschiedlichen, einen Ingenieur bei der Konstruktion unterstützenden Aspekte, wie das Vorgehen im Konkreten, Heuristiken und Methoden, Werkzeuge, Spezifikationen sowie die verbindende Wissensbasis werden dann in den folgenden Kapiteln bereitgestellt. Die Anwendungsbereiche der Additiven Fertigung gliedern sich in die Bereiche Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Direct Manufacturing und Rapid Repair: Rapid Prototyping ist definiert als die „additive Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität, bei denen jedoch spezifische Merkmale ausreichend gut ausgeprägt sind“ [VDI3405]. Spezifische Merkmale können beispielsweise die Geometrie und Haptik sein, wohingegen die Materialien und die Konstruktion der Prototypen nicht zwangsläufig mit denen der Serienteile identisch sein müssen. Rapid Tooling bezeichnet die „Anwendung der additiven Methoden und Verfahren auf den Bau von Endprodukten, die als Werkzeuge, Formen oder Formeinsätze verwendet werden“ [VDI3405]. Dabei wird zwischen direktem und indirektem Rapid Tooling unterschieden. Beim direkten Tooling werden die Werkzeugeinsätze mittels additiver Fertigung hergestellt. In der Prozesskette des indirekten Tooling beinhaltet der erste Prozessschritt die Additive Fertigung. Die nachgelagerten Prozessschritte können mit konventionellen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Negativformen von

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_2

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2 Grundlagen Additive Repair

Serie

Service

Reengineering/ 3D-Scan

KleinSerie

Direkte Montage

VorSerie

Direct Manufacturing

Direktes Tooling

Technischer Prototyp

Prototyp

Geometrie-/ Funktions-prototyp

Konzeptmodell/ Designprototyp

Design

Rapid Tooling

Indirektes Tooling

Rapid Prototyping

Ersatzteile/ Erweiterung

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Abb. 2.1  Additive Fertigung im Produktentstehungsprozess [Lach16]

Gusswerkzeugen additiv hergestellt werden und die anschließende Herstellung der Werkzeuge mit konventionellen Fertigungsverfahren erfolgen. Direct Manufacturing ist die additive Herstellung von Endprodukten [VDI3405]. Additive Repair ist im Produktlebenszyklus in der Nutzungsphase allokiert und wird als der Einsatz eines „additiven Herstellungsprozesses für Rekonstruktionen und Modifizierungen bereits gefertigter Komponenten“ [Zgha16, Zgha18] definiert. Hauptanwendungsgebiet ist dabei die Reparatur von Investitionsgütern. In Abb. 2.1 ist die zeitliche Einordnung der Anwendungsbereiche der Additiven Fertigung im Kontext des Produktentstehungsprozesses dargestellt [Lach16]. In den ersten Entwicklungsphasen können durch physische Modelle, die mittels Rapid Prototyping hergestellt werden, entwicklungsrelevante Informationen für die frühzeitig Absicherung der Produkteigenschaften generiert werden [Gebh16, Lipp18] und insbesondere auch Entwicklungszeiten durch die schnelle Musterbereitstellung verkürzt werden. Das Rapid Tooling ist in der Vor- und Kleinserie allokiert und liegt damit im Produktentstehungsprozess zwischen dem Rapid Prototyping und dem Direct Manufacturing. Substituierend zu konventionellen Fertigungsverfahren kann zur Herstellung von Endprodukten das Direct Manufacturing verwendet werden. Dies ermöglicht den Verzicht auf Werkzeuge und Werkzeugkonstruktion und ist hervorragend für kleine Stückzahlen geeignet. Nachteilig beim Direct Manufacturing sind die langen Maschinenlaufzeiten und oftmals die Qualitätssicherung der Materialeigenschaften, sowie die Nachbearbeitung aufgrund der Near-Net-Shape (endkonturnahen) Geometrie [Lipp18]. Ein Teilgebiet des Werkzeug- und Formenbaus kann ebenfalls dem Direct Manufacturing zugeordnet werden, da Werkzeuge oder Formen je nach Perspektive auch Endprodukte sein können. Im Anschluss an die Produktentwicklung kann das Additiv Repair zum Reengineering und zur Reparatur von verschlissenen Investitionsgütern, auch in Kombination mit Eigenschaftsverbesserungen, verwendet werden [Zgha16, Zgha18].

2.1 Prozesskette

9

In der Vergangenheit dominierte das Rapid Prototyping die Anwendungen der Additiven Fertigung, wohingegen in den letzten Jahren das Rapid Tooling und Direct Manufacturing aufholen und im Jahr 2018 gleichziehen konnten [Wohl18a]. Ebenfalls wurden im Jahr 2018 ca. 32 % mehr Endprodukte additiv gefertigt als im Vorjahr [Wohl18a]. Grund dafür ist die Weiterentwicklung der Verfahren, womit inzwischen Bauteileigenschaften, erreicht werden können, die zum Teil die Qualität konventionell gefertigter Bauteile übertreffen [Gebh16, Kran17]. Aber auch das Denken in neuen Geschäftsmodellen und die Digitalisierungsdiskussion befeuern die Entwicklung. Die größten Brachen bei der Herstellung von additiv gefertigten Endprodukten, gemessen am weltweiten Umsatz, sind die Luftfahrt, die Automobilindustrie sowie die allgemein produzierende Industrie mit jeweils ca. 20 Prozent. Durch den Anstieg der additiv gefertigten Endprodukte rückt folglich die Konstruktion und Gestaltung für die additive Fertigung in den Fokus.

2.1

Prozesskette

Betrachten wir die Additiven Fertigung aus Sicht einer Neuentwicklung oder des Produktentstehungsprozesses so ist sie immer, wie in Abb. 2.2 gezeigt, in den Kontext einer Prozesskette - bestehend aus Konstruktion, Pre-Prozess, In-Prozess, Post-Prozess und Finishing - eingebettet.

Konstruktion

CAP Pre-Prozess

Anforderung festlegen

Datentransfer

Materialauswahl

Software Druckvorbereitung

Gestaltungsziele

Bauteilplatzierung

Gestaltungsmethoden

Slicen

Bauprozess

Trennen von Bauplattform

Mech. Nachbearbeitung

MaschinenSetup

Prozessmonitoring

Reinigung

Beschichten

Fertigungssimulation Eigenspannungen

Entnahme

Verifizierung

Qualitätskontrolle

Simulation / Optimierung Topologieoptimierung Festigkeitssimulation Lebensdauer -simulation

Verzug

Fertigungsrestriktionen

Konzepte für Post-Prozess

CAM In-Prozess

CAM Post-Prozess

Finishing

Thermische Nachbearb.

Net-Shape Geometrie

Abb. 2.2  Prozesskette der Additiven Fertigung

10

2 Grundlagen

2.1.1 Konstruktion (Computer Aided Design) Die grundlegende Voraussetzung zur Herstellung physischer Objekte mittels additiver Fertigungsverfahren ist die Verfügbarkeit von digitalen und vollständig geschlossenen dreidimensionalen Volumenmodellen. Zur Erzeugung derartiger digitaler Volumenmodelle stehen grundsätzlich drei Wege zur Verfügung: • Direkte Modellierung in einem 3D-CAD-System (Computer Aided Design) • Nutzung existierender Modelle • 3D-Digitalisierung (z.B. 3D-Scan) mit anschließender Datenaufbereitung. Nach der Erstellung der digitalen Objektdaten (entweder durch Forward Engineering oder Reverse Engineering) werden diese in der Regel als standardisiertes Facettenmodell in STL (Standard Triangulation Language; *.stl) oder AMF (Additiv Manufacturing Format; *.amf) für Folgeprozesse bereitgestellt (siehe hierzu auch Kap. 6). Der Konstruktionsprozess für die Additive Fertigung umfasst aber noch viele weitere Aktivitäten wie das Planen, die Materialauswahl, das Simulieren/Optimieren und die Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen auf die im Folgenden noch detailliert eingegangen wird.

2.1.2 Aspekte des Pre-Prozesses (Computer Aided Planning) Die weiteren Prozessschritte, der Pre-Prozess wird bei einigen Anlagen direkt in der Anlagensoftware durchgeführt, andere Anlagen verwenden für die Aufbereitung der Daten eine separate Software wie zum Beispiel Cura oder Magics. In dieser Software wird im ersten Schritt das Bauteil im Bauraum platziert und Stützstrukturen werden erstellt. Die Daten werden anschließend verfahrensgerecht aufbereitet. Dieser Prozess umfasst den für alle Additiven Technologien gleichermaßen notwendigen Slice-Prozess, das heißt, das Zerschneiden des Facettenmodells in Schichten entsprechend verfahrensdefinierter Schichtdicke und das gleichzeitige Ermitteln der Schichtinformationen - bzw. Konturlinien pro Schicht - sowie die Definition weiterer Maschinenparameter. Zum Beispiel können so Laserleistung und Scangeschwindigkeit, Materialbeschaffenheit oder Filamentvorschub im Maschinensetup eingestellt werden. Das Maschinensetup beinhaltet je nach Verfahren auch die Einstellung von Bauraum- und Bauplattformtemperatur oder die Definition einer Schutzgasatmosphäre. Professionelle Software bietet inzwischen zudem die Möglichkeit, basierend auf den vorgenommenen Einstellungen, Fertigungssimulationen durchzuführen, um sicherzustellen, dass es im Bauprozess zu keinen Qualitätsproblemen oder Prozessabbrüchen kommt. Bevor mit dem eigentlichen Bauprozess begonnen werden kann, muss die Maschine dann mit Bauplattform, Material und gegebenenfalls Schutzgas bestückt sein.

2.2  Katalog der additiven Fertigungsverfahren

11

2.1.3 Aspekte des In-Prozesses (Computer Aided Manufacturing) Im automatisierten Bauprozess werden die gewünschten Objekte nun schichtweise aufgebaut. Dabei kommen hinsichtlich der Materialien, Materialzufuhr und Bindemechanismen (z. B. aufschmelzen, verschmelzen über Binder, verkleben, UV aushärten) eine Vielzahl von Verfahren zum Einsatz, die große Unterschiede bezüglich der aufzubringenden Energie, der realisierbaren Bauteilgröße sowie der Bauteilqualität und entstehenden Kosten aufweisen. Bisher können unter anderem die ingenieurtechnisch relevanten Materialgruppen der Kunststoffe (Thermoplaste und Duroplaste), viele Metalle, Keramiken und bedingt sogar Glas verarbeitet werden. Kamera- oder pyrometerbasierte Prozessüberwachungen erkennen Qualitätsprobleme und ermöglichen Eingriffe und Nachregelung oder dokumentieren den erfolgreichen In-Prozess.

2.1.4 Aspekte des Post-Prozesses Je nach Fertigungsverfahren und Bauteilanforderung schließt sich an den In-Prozess ein mehr oder weniger aufwändiger Post-Prozess an. In diesem wird das Bauteil von der Bauplattform getrennt, es wird von überschüssigem Material gereinigt und Stützstrukturen werden entfernt. Das überschüssige Material, wird aufbereitet und wiederverwendet. Qualitätssichernde Maßnahmen, wie zum Beispiel das Vermessen der Bauteiloberfläche oder Röntgen der Bauteile, können stichprobenweise oder aber in größerem Umfang erfolgen. Ausschlaggebend ist dafür meist die Anwendung als Prototyp, Werkzeug oder Serienteil. Entsprechend sollten Serienteile einer intensiven Prüfung unterliegen. Prototypen unterliegen hingegen keinen sicherheitskritischen Zulassungen, sodass die Prüfung in der Regel durch einfachere Mechanismen erfolgen kann. 

2.1.5 Finishing In der Regel müssen in einem weiteren Nachbearbeitungsschritt die Funktionsflächen der Bauteile mechanisch aufbereitet werden. Zur Homogenisierung des Materials sowie zum Abbau innerer Spannungen kann, abhängig vom gewählten additiven Fertigungsverfahren und dem Material, das Bauteil auch einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Weiterhin ist eine chemische oder optische Nachbearbeitung möglich und insbesondere zum Korrosionsschutz oder bei designrelevanten Teilen häufig  zu empfehlen [Lipp18, VDI3405].

2.2

Katalog der additiven Fertigungsverfahren

Zur Beschreibung, Klassifizierung und Differenzierung der zahlreichen Additiven Fertigungsverfahren wird im Folgenden, der in Abb. 2.3 dargestellte Konstruktionskatalog verwendet. Er gliedert die Verfahren nach dem Aggregatzustand des verarbeiteten Materials

12

2 Grundlagen

Elektronen-Strahlschmelzen

X

Laser-Pulver-Auftragsschweißen

X

3D-Drucken

X

Fused Layer Modeling / Manufacturing

X

Laser-Draht-Auftragsschweißen

Layer Laminated Manufacturing

X

Stereolithografie Multi-Jet Modeling Zwei-Photonen-Polymerisation Digital Light Processing

X X X X

< 10 10-100 X 10-100 X

X

>200

X > 100

Bauraum

X

Multimaterialfähigkeit

X X

Kammergebunden

X

Stützstruktur

Laser-Sintern Laser-Strahlschmelzen

Schichtdicke [µm]

Bezeichnung

Metall

Zugriffsteil

Keramik

Hauptteil

Kunststoff

Bindungs-

mechanismus

Verkleben Verschmelzen Binder Verschmelzen UV

Form Liquid

Flüssig

Folie

Strang

Fest

Pulver

Aggregatszustand

Gliederungsteil

Ja

Begrenzt

mittel

Ja

Begrenzt

mittel

Ja

Begrenzt

klein

Nein

Ja

mittel

Ja

Nein

groß

Ja

groß

10-100 X Nein X

>200

Nein

Ja

mittel

X

X 10-100 X

Ja

Nein

groß

X < 10 X X 10-100 X (X) < 1 X 10-100 X

Ja Ja Ja Ja

Nein Ja Nein Nein

groß mittel klein mittel

Abb. 2.3  Konstruktionskatalog additiver Fertigungsverfahren

(fest oder flüssig), der Form des Materials (Pulver, Strang, Folie oder Flüssigkeit) sowie dem eingesetzten Bindemechanismus (direktes thermisches Verschmelzen, Verschmelzen über Binder, verkleben oder Aushärten mittels UV). Im Hauptteil des Konstruktionskataloges sind wesentliche Additive Fertigungsverfahren aufgeführt. Neben zahlreichen Veröffentlichungen sind die Verfahren der additiven Fertigung auch in der VDI-Richtlinie 3405 beschrieben [VDI3405]. Deshalb werden im Folgenden nur der Aufbau und Bauprozess für das Fused Layer Modeling (FLM) zur ­Verarbeitung thermoplastischer Filamente, das Selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) zur Erstellung metallischer Bauteile aus Pulver, die Stereolithografie (SLA) und das Polyjetmodelling (PJM) exemplarisch erklärt. Der Konstruktionskatalog unterscheidet im Zugriffsteil über die zu verarbeitenden Materialien, die erzielbare Präzision der Schichten und die Notwendigkeit des Einsatzes von Stützstrukturen bei konstruktiven Überhängen. Über das Merkmal „kammergebunden“ ist definiert, ob das Verfahren einen geschlossenen, oftmals komplett mit Rohmaterial gefüll-

2.2  Katalog der additiven Fertigungsverfahren

13

ten Bauraum benötigt, oder ob das Material frei im Raum verarbeitet wird. Schließlich gibt der Katalog noch Hinweise darauf, ob mehrere Materialien, zum Beispiel verschiedenfarbige Kunststoffe oder unterschiedliche Bau- und Stützmaterialien, in einem Prozess verarbeitet werden können und wie groß zum gegenwärtigen Zeitpunkt typische Bauräume/Teile für das jeweilige Verfahren sind. Zu erwähnen bleibt noch, dass die Verfahrensentwicklung keineswegs abgeschlossen ist, sondern neben Materialien, Effekten und Qualität auch der Aufbau von immer neuen Maschinenkonzepten die fortschreitende Entwicklung der Additiven Fertigung prägt. Das meistgenutzte additive Fertigungsverfahren im Jahr 2018 war das Fused Layer Modeling (FLM), auch als Fused Deposition Modelling (FDM) bezeichnet, mit dem Kunststofffilament verarbeitet werden kann. Aufgrund geringer Anschaffungs- und Fertigungskosten sowie des einfachen Aufbaus und Umbaus der notwendigen Maschinen ist dieses Verfahren beim privaten Endkunden, aber auch für das einfache Rapid Prototyping, am weitesten verbreitet. Der Aufbau einer FLM-Anlage ist in Abb. 2.4 schematisch dargestellt. Die beheizten Düsen verfahren für den Schichtauftrag in der x-y Ebene. Das fadenförmige Ausgangsmaterial (Filament) wird durch die beheizten Düsen aufgeschmolzen, sodass die Konturlinien nacheinander auf die Bauplattform abgelegt werden. Nachdem eine Schicht aufgetragen ist, verfährt die Bauplattform in negativer z-Richtung um die Schichtdicke h. Mitunter verfügen Anlagen zum Fused Layer Modeling über zwei Düsen, wobei eine für den Materialauftrag des Bauteils und die andere für das Generieren der Stützstrukturen verwendet wird. Dabei können für Stützstrukturen spezielle Materialien verwendet werden, die sich leicht auswaschen lassen, um keine Rückstände am Bauteil zu hinterlassen. Im Vergleich zum Standardfilament als Stützstruktur, wird dadurch eine bessere Oberflächenqualität und vereinfachte Nachbearbeitung realisiert. Mehrere Düsen kommen auch zum Einsatz, um zum Beispiel mehrfarbige Bauteile oder Bauteile unterschiedlicher Materialqualität zu erstellen. Für viele Anwendungen von Strukturbauteilen ist die additive Fertigung metallischer Bauteile wesentlich. In der Industrie haben sich dabei besonders das Selektive Laserstrahl-

1) Beheizte Düsen 2) Linie-für-Linie-Auftrag 3) Materialvorrat in Drahtform 4) Generiertes Bauteil 5) Stützkonstruktion 6) Bauplatte 7) Bauplattform mit Hubtisch

Abb. 2.4  Aufbau einer Anlage zum Fused Layer Modeling (FLM) [Lach18]

2 Grundlagen

14

x-y Scanner

Laser

Verfestigungszone

Bauteil Beschichter

Stützstruktur

Pulvervorratsbehälter

Überlaufbehälter z

Bauplattform Hubtisch

Abb. 2.5  Aufbau einer Anlage zum Selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) [Lach18]

schmelzen (SLM, englisch: Selective Laser Melting) sowie das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) etabliert. Das selektive Laserstrahlschmelzen, dargestellt in Abb. 2.5, eignet sich zur Herstellung von Strukturbauteilen mit hohen Anforderungen an Oberflächengüte, Materialqualität und Formgenauigkeit. Bei diesem pulverbettbasierten Verfahren werden die Pulverkörner durch einen Laser thermisch aktiviert und dadurch m ­ iteinander verschmolzen. Mithilfe des x-y-Scanners wird der Laserstrahl umgelenkt, um die Kontur im Pulverbett zu belichten und aufzuschmelzen. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schicht in z-Richtung abgesenkt. Gleichzeitig wird das Pulver aus dem Pulvervorratsbehälter nach oben befördert, sodass der Beschichter eine neue Pulverschicht auftragen kann. Charakteristisch für dieses Verfahren ist, dass für Überhänge die einen bestimmten Winkel unterschreiten Stützstrukturen verwendet werden müssen. Diese Stützstrukturen dienen ebenfalls zur Wärmeabfuhr aus dem Bauteil und helfen Wärmeverzug vorzubeugen. Um Oxidation des Metalls zu vermeiden wird der Bauraum mit Schutzgas wie Argon oder Stickstoff geflutet und auch reaktive Metalle wie Titan oder Aluminium können verarbeitet werden. Nach dem Bauprozess wird das Bauteil aus der Prozesskammer entnommen, muss von der Bauplattform getrennt und in der Regel thermisch und spanend nachbearbeitet werden. Auch lang bekannte Verfahren wie das Pulver- oder Drahtauftragsschweißen, die keinen geschlossenen Bauraum benötigen, können robotergeführt zum Materialauftrag im Sinn des Additiv Manufacturing genutzt werden. Im Gegensatz zum SLM unterliegen diese geringeren Bauraumrestriktionen realisieren im Gegenzug aber wesentlich geringere Abbildungsqualitäten der Bauteilgestalt. Bei der Stereolithografie (SLA), dargestellt in Abb. 2.6, wird ein flüssiges Photopolymer von einem UV Laser in dünnen Schichten ausgehärtet. Nach der vollständigen Belichtung einer Schicht wird das generierte Bauteil um eine Schichtdicke in das flüssige Harz abgesenkt. Der Beschichter verteilt anschließend das Material gleichmäßig über dem generierten Bauteil und die nächste Schicht wird verfestigt.

2.3  Produktentwicklungsprozess der Additiven Fertigung

15

1) Laser 2) Beschichter 3) X-Y-Scanner 4) Verfestigungszone (Polymerisation) 5) Generiertes Bauteil 6) Flüssiges Harz (Polymerbad) 7) Stützkonstruktion 8) Bauplatte 9) Bauplattform mit Hubtisch

Abb. 2.6  Stereolithografie [Lach18]

Beim Polyjet-Modelling wird die ursprünglich aus der Stereolithografie kommende Verfestigung von flüssigem Material durch UV Aushärtung genutzt. Dabei wird das flüssige Material durch den Einsatz mehrdüsiger Druckköpfe lokal aufgebracht während das UV Licht mittels einer Lampe großflächig für das Aushärten sorgt. Der Prozess ist deutlich schneller als die Stereolithografie. Neben diesen hier exemplarisch erläuterten Verfahren befinden sich die weiteren Beschreibungen der im Katalog erwähnten Verfahren im Anhang.

2.3

Produktentwicklungsprozess der Additiven Fertigung

Produktentwicklungsprozesse beschreiben als einen durchgängigen Vorgang das Erkennen einer Marktchance, deren Umsetzung in ein valides Produkt, dessen Realisierung in der Produktion und die erfolgreiche Platzierung des Produktes am Markt. Diese Definition gilt für alle Produktentwicklungsprozesse im weiten Sinne und schließt auch die Entwicklung der Produktionsprozesse und die erstmalige Herstellung des Produktes sowie dessen Platzierung am Markt ein. Die Produkterstellung meint darüber hinaus die wiederholte Fertigung und Montage des Produktes in Serie sowie Vertrieb, Versand und Inbetriebnahme desselben. Neben dieser allgemeinen Definition kann man unterschiedlichste Perspektiven in Bezug auf den Produktentwicklungsprozess einnehmen. Von diesen interessiert uns hier insbesondere die Frage welchen Impact die Additive Fertigung auf die Produktentwicklung hat. Neben den allgemeinen Betrachtungen, welche uns später zur Strukturierung des Themas dienen, werden wir die Besonderheiten, Methoden und Entwicklungsumgebungen behandeln. Abb. 2.7 zeigt den Produktentwicklungsprozess im Kontext von „Time to Market“ und „Order to Delivery“. Dabei wird dieser hier grob in vier Phasen gegliedert: • Produktplanung (Geschäftsidee, Aufgabe) • Vorentwicklung (Exploration, Feasibility, Transfer)

16

2 Grundlagen

Abb. 2.7  Produktentwicklung im Kontext von „Time to Market“ und „Order to Delivery“

• Konstruktion (Ausformulierung der Aufgabe, Konzeption, Entwerfen, Ausarbeitung) • Produktionsplanung/Qualität/Prozessfreigabe Je nach Aufgabe müssen alle oder nur Teile dieser Phasen mehr oder weniger ausführlich durchlaufen werden. Insbesondere werden in Unternehmen deutlich differenziertere Prozessmodelle eingesetzt, als das hier zur Gliederung des Stoffs vorgestellte. Neben der „Time to Market“ Prozesskette enthält Abb. 2.7 auch den, im Folgenden weniger diskutierten „Order to Delivery Prozess“, in dem marktreife Produkte je nach Bestellsituation reproduziert und vertrieben werden. Produktplanung Am Beginn jeder Entwicklung steht eine Geschäftsidee, hier im Kontext der Additiven Fertigung. Im engeren Sinn bedeutet dies die Überlegung, wie durch eine Invention ein positives wirtschaftliches Ergebnis erzielt werden kann. Da in der Regel kein Mangel an Ideen herrscht bzw. diese durch einfache Maßnahmen wie Mitarbeiterbefragungen, Kundenbefragungen, Marktanalysen auch in Bezug zur Additiven Fertigung erhoben werden können, liegt die Herausforderung der Produktplanung in der Potenzialanalyse und richtigen Auswahl von Ideen, mit denen man eine Vorentwicklung oder Serienentwicklung einleitet. Vorentwicklung Die Vorentwicklung dient der Vorbereitung der serien- und marktorientierten Produktentwicklung. Ihr Schwerpunkt liegt in der schnellen Klärung neuer Technologien in Bezug auf Ihre Umsetzbarkeit und Übertragbarkeit in das eigene Produktportfolio. Durch strukturierte Vorentwicklung soll das technische Risiko aus Serienprojekten herausgehalten

2.3  Produktentwicklungsprozess der Additiven Fertigung

17

werden und es sollen mit möglichst geringem Aufwand schnell viele Ideen evaluiert werden. In vielen Unternehmen werden heute aufgrund der relativen Neuigkeit der ­Technologien Ideen zur Nutzung der Additiven Fertigung zunächst in Vorentwicklungsprojekten analysiert. Wir gliedern die Vorentwicklung entsprechend den Phasen Exploration, Feasibility, Transfer: Exploration bedeutet dabei eine Idee zu analysieren und zunächst hinsichtlich ihrem „Strategic Fit“ zur Unternehmensentwicklung und der grob abgeschätzten notwendigen Aufwendungen zu bewerten. Bezogen auf die Additive Fertigung kommt die Idee häufig aus der Überlegung „wir müssen mal schauen was wir damit machen können“. Bezogen auf den Strategic Fit ist es dann wichtig, dass der konstruktive Lösungsraum groß genug gewählt wird, da das reine Ersetzen bekannter Konstruktionen und Prozessketten durch Additive Fertigung, außer beim Prototyping, nur selten Mehrwert generiert. Feasibility bedeutet das grobe Skizzieren der zugehörigen Prozesskette, sowie erste Überlegungen zur Realisierung der notwendigen Qualität und erneut eine Überprüfung der Aufwendungen. Hier ist es besonders wichtig die richtigen Entwicklungspartnerschaften zu identifizieren und bei den Aufwendungen auch mit nicht geplanten Herausforderungen zu rechnen. Zum Transfer in die Entwicklung eignen sich dann die Ideen, für die ein Zielprodukt identifiziert wurde, für deren Umsetzung die notwendige Kapazität bereitgestellt werden kann und deren „Return on Invest“ Ziel mindestens die Vorgaben der Unternehmensleitung erfüllt. Kritisch in Bezug auf die sich schnell entwickelnde Technologie der Additiven Fertigung sind hier langfristige Business Cases, wie wir sie aus dem klassischen Maschinenbau kennen. Geschäftsmodelle und Pläne sollten eher denen der IT-Branche ähneln. Konstruktion Die Konstruktion für die additive Fertigung wird wie Konstruktionsprozesse im Allgemeinen geprägt durch die Phasen: • • • •

Planen Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten

Abb. 2.8 zeigt den Konstruktionsprozess für eine additiv gefertigte ultraleichte Tretkurbel. Die Spezifikation erfolgt über die Definition der Anforderungen hinsichtlich Kräften und Geometrie sowie die Herausforderung mit außerordentlich geringer Bauteilmasse auszukommen. Als Konzept kann man die Wahl der Additiven Fertigung und die Materialauswahl sowie einige Gestaltungsziele verstehen. Der Entwurf erfolgt durch den Einsatz der Topologieoptimierung sowie verschiedene Simulationen.

Net-Shape Geometrie

Fertigungsrestriktionen

Lebensdauersimulation

Dynamische Festigkeitssimulation

Statische Festigkeitssimulation

Topologieoptimierung

Simulation / Optimierung

Abb. 2.8  Konstruktion für die Additive Fertigung am Beispiel Tretkurbel

• Topologieoptimierung • Wirkflächenbasierte Gestaltung • Einsatz Innerer Strukturen • Restriktionsgerechtes Gestalten

Gestaltungsmethoden

• Dünnwandigkeit • Materialersparnis • Kraftflussanpassung

Gestaltungsziele

• AlSi10Mg

Materialauswahl

• Last F = 1500 N • Rm = 350 N/mm² • m < 217 g ...

Anforderung festlegen

18 2 Grundlagen

Literatur

19

Die Ausarbeitung schließlich berücksichtigt die Gestaltungsregeln der Additiven Fertigung mit Bezug zur Fertigungsmaschine und ihren Parametern sowie gewählten Materialeigenschaften im Detail. Üblicherweise wird die Entscheidung für ein Fertigungsverfahren erst beim Entwerfen getroffen und beeinflusst dann das Ausarbeiten im Detail. In Bezug auf die Additive Fertigung gibt es zwar keinen grundsätzlich anderen Konstruktionsprozess, man muss jedoch, wie bei anderen Technologieinnovationen auch, schon beim Planen über die Möglichkeiten der Additiven Fertigung reflektieren um das „Unmögliche“ denkbar werden zu lassen. Insbesondere in der Konzeptphase können – wie noch zu zeigen ist – dann völlig neue Lösungen entstehen. Auf Beispiele, Heuristiken, Methoden und Hilfsmittel, die wir im Konstruktionsprozess für die Additive Fertigung nutzen, wird in den nächsten Kapiteln detailliert eingegangen. Produktionsplanung und Prozessfreigabe Da es sich bei der Additiven Fertigung um eine innovative Technologie handelt, ist für alle Produktionsplanungsaspekte, Mensch, Maschine und Material besondere Aufmerksamkeit geboten: • Bezogen auf die Mitarbeiter sind in der Regel besondere Schulungen zur Konstruktion, Maschinenbedienung und Qualitätssicherung erforderlich. Hier müssen strategische Überlegungen und Personalentwicklungsmaßnahmen mit Planungen synchronisiert werden oder gegebenenfalls auch Partner gefunden und qualifiziert werden. • Bezogen auf die Maschine stellt - neben den Fragen nach Verfügbarkeit und Auslastung  - insbesondere bei firmenspezifischen Bauteilen das Thema der Qualifizierung und Validierung eine Herausforderung dar. • Die Materialqualität hängt neben dem Ausgangsmaterial auch von seiner Aufbereitung ab. Bei Pulvern geht es zum Beispiel um die Körnung und ihre Verteilung, um die Form der Körner oder auch um den Wassergehalt oder Oxidationszustand der Oberflächen. Bei Filamenten spielen der Durchmesser und die Oberflächenqualität ebenso eine Rolle wie die Reinheit des Materials. Entscheidungen über Outsourcing oder Maschinen und Materiallieferketten müssen getroffen und verifiziert werden.

Literatur [Gebh16]

Gebhardt, A.: Additive Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion; Hanser Verlag; Deutschland München; 2016; ISBN: 978-3446444010

20 [Kran17]

2 Grundlagen

Kranz, J.: Methodik und Richtlinien für die Konstruktion von laseradditiv gefertigten Leichtbaustrukturen, Springer Vieweg Verlag, Deutschland Berlin Heidelberg, 2017, ISBN: 978-3662553381 [Lach16] Lachmayer, R.; Lippert, R.B. und Fahlbusch, T. (Hrsg.): 3D-Druck beleuchtet: Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung; Springer Vieweg Verlag; Deutschland Berlin Heidelberg; 2016; ISBN: 978-3-662-49055-6 [Lach18] Lachmayer, R.; Lippert, R. B.; Kaierle, S. (Hrsg.): Additive Serienfertigung – Erfolgsfaktoren und Handlungsfelder für die Anwendung, Springer Vieweg Verlag, Deutschland Berlin Heidelberg, 2018, ISBN: 978-3-662-56462-2 [Lipp18] Lippert, R. B.: Restriktionsgerechtes Gestalten gewichtsoptimierter Strukturbauteile für das Selektive Laserstrahlschmelzen, TEWISS – Technik und Wissen GmbH Verlag, Garbsen, 2018, ISBN: 978-3-95900-197-7 [VDI3405] VDI Gesellschaft Produktion und Logistik – VDI 3405: Additive Fertigungsverfahren – Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibungen; VDI Handbuch; Beuth Verlag; Deutschland Berlin; 2014 [Wohl18a] Wohlers; Terry, T.: WOHLERS REPORT; WOHLERS Associates Verlag; USA Fort Collins; 2018; ISBN: 9780991333240 [Zgha16] Zghair, Y. A.: Rapid Repair hochwertiger Investitionsgüter, in: Lachmayer, R.; Lippert, R.B. und Fahlbusch, T. (Hrsg.): 3D-Druck beleuchtet – Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung; Springer Verlag; Deutschland Hannover; 2016; ISBN: 978-3-662-49055-6 [Zgha18] Zghair, Y. A.: Additiv Repair Design Process for Aluminium Components; TEWISS Verlag; Deutschland Garbsen; 2018; ISBN: 978-3-95900-317-9

3

Planung, Potenziale und Spezifikation

Die Frage wann und mit welchem Nutzen die Verfahren der Additiven Fertigung im industriellen Kontext eingesetzt werden können ist nicht einfach zu klären und wird häufig mit Musterbau, Kleinstückzahlen oder Leichtbau beantwortet. Gelegentlich wird auch versucht für klassische Herstellverfahren konstruierte Bauteile auf Additive Fertigung umzustellen. Zu zeigen, dass die Stärken der Technologie, insbesondere in Bezug auf die Additive „Serienfertigung“, viel größer und vielfältiger sind und wie man diese erkennen und umsetzen kann, soll ein wesentlicher Beitrag dieses Buches sein. Zur Motivation soll die in Abb. 3.1 und 3.2 gezeigte eindrucksvolle Zusammenstellung erfolgreicher Anwendungen der Technologie dienen. Im Folgenden wird zur Unterstützung der eigenen Ideenfindung und Planung eine Betrachtung der Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der Additiven Fertigung durchgeführt. Es werden außerdem elf Gestaltungsziele vorgestellt für deren Umsetzung die Additive Fertigung vorteilhafte Lösungen bietet. Als Methoden der Potenzialbewertung im Unternehmenskontext werden dann Aspekte der prinzipiellen Eignung diskutiert, es wird exemplarisch eine Kalkulation vorgestellt und ebenso eine Methode zur Bauteilportfolioanalyse. Abschließend für diese Kapitel wird gezeigt, wie – je nach Aufgabenstellung – konkrete Anforderungen an die Vorentwicklung und Konstruktion abgeleitet werden können und wie sich diese am Beispiel einer Spezifikation in der Anforderungsliste wiederspiegeln.

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_3

21

22

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

Abb. 3.1  Additive Fertigung, (Quelle: 1) Trumpf, 2) DMG Mori, 3) SLM Solutions, 4) IPeG Hannover)

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

23

Abb. 3.2  Additive Fertigung, (Quelle: 1) DMG Mori, 2) SLM Solutions, 3) Prof. Kowalski, 4) EOS, 5) IPeG)

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3.1

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

 tärken, Schwächen, Chancen und Risiken der S Additiven Fertigung

Die Notwendigkeit einer Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung begründet sich auch aus der Analyse ihrer Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken. Hier zeigen sich zum einen erneut die Vielschichtigkeit des Themas und damit der Herausforderungen für seine sinnvolle Nutzung. Es zeigen sich aber auch die von Ingenieuren zu findenden Antworten in Bezug auf die Potenzialidentifikation und Umsetzung im Entwicklungsprozess. Stärken beschreiben – ebenso wie Schwächen – entsprechend der hier genutzten Methode die Technologie im als aktuelle Entwicklungsreife. Chancen und Risiken verweisen hingegen auf die Zukunft und zeigen insofern immer nur eine Abschätzung in Bezug auf den heute wahrscheinlich erscheinenden Fortschritt.

3.1.1 Stärken Die Stärken der Technologien der Additiven Fertigung liegen in sehr unterschiedlichen Bereichen: Durch die einfache Herstellung von Prototypen und Funktionsmustern können Fehler in der Produktentwicklung vermieden werden. Dies resultiert in einer Verkürzung der Entwicklungszeit und Verbesserung des Entwicklungsergebnisses. Durch den voxelweisen Materialauftrag bei der Additiven Fertigung können komplizierte Geometrien relativ einfach erzeugt werden und es ergeben sich konstruktive Freiheiten und Gestaltungsräume, die in anderen Herstellungsverfahren nicht oder nur mit größerem technischen sowie wirtschaftlichen Aufwand realisierbar sind. Dies ermöglicht Designern und Künstlern neue Ausdrucksformen sowie in der industriellen Anwendung die Herstellung von topologie- und gestaltoptimierten Bauteilen. Komplexe Bauteile können werkzeuglos innerhalb weniger Stunden gefertigt werden. Als Personaleinsatz wird dazu der Maschinenbediener nur zum Daten- und Materialladen sowie am Ende des Prozesses zur Bauteilentnahme und zur Nachbearbeitung benötigt, während der eigentliche Herstellungsprozess automatisch abläuft. Bei der industriellen Fertigung ist ein wesentlicher Kosten- und Zeitfaktor die Herstellung von Werkzeugen und Montagehilfen. Für diese können oft konventionelle Fertigungsverfahren durch Additive Fertigung ersetzt werden, so dass auch hier ein wirtschaftlicher Vorteil resultiert und schneller Lösungen erzeugt werden. Additive Fertigung ermöglicht die Produktindividualisierung mit dem Ziel der Personifizierung oder Differenzierung an spezifische Bedürfnisse. Anforderungen des Mass-­ Customization, modularer Produktstrukturen und damit Differenzierungsstrategien können so unterstützt werden. Ultra-Leichtbau Konzepte können durch neue Gestaltungsansätze, z. B. aus der Bionik, inneren Strukturen in Bauteilen sowie Topologieoptimierung, mittels Additiver Fertigung realisiert werden. So können Ressourcen sowohl bei der Fertigung, als auch über den Produktlebenszyklus eingespart werden, was insbesondere bei bewegten Massen Relevanz hat.

3.1  Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der Additiven Fertigung

25

Durch hohe Gestaltungsfreiheit können auch neue Funktionen in ein Bauteil integriert werden, wie z. B. innere Kühlkanäle. Hohe Funktionsintegration führt aber auch zu geringerem Montageaufwand und in der Regel reduzierter Bauteilanzahl sowie kleinerem Bauraum. Durch digitale Modelle und hohe Fertigungsflexibilität einzelner Additiver Fertigungsanlagen können Produktionsprozesse dezentralisiert werden. Dies vereinfacht den Einsatz von Lohnfertigung in der Prozesskette. Bei besonderer Ausprägung kann das dazu führen, dass der Kunde die Rolle des Produzenten übernimmt, indem er gekaufte Modelle selber ausdruckt. Teile können mittels Additiver Fertigung ohne großen Logistikaufwand vor Ort hergestellt werden, dadurch können ggf. Lager und Logistikkosten eingespart werden. Effekte können durch Additive Fertigung optimiert, Störgrößen reduziert werden. „Zusammenfassend kann man bezogen auf die Konstruktion sagen, dass mit der Additiven Fertigung vor Allem wesentliche Aspekte der Gestaltkomplexität adressiert und Einschränkungen überwunden werden können. Hierzu zählen im Einzelnen: • die Formkomplexität (durch z. B. topologieoptimierte Formen) • die hierarchische Komplexität durch Micro- und Makrostrukturen • die Materialkomplexität im Sinne von gezielt ins Material eingebrachten Inhomogenitäten oder Materialmischungen (Gradierungen) • Logistische Komplexität sowie • die Funktionale Komplexität durch Funktionsintegration“ [Kumk18].

3.1.2 Schwächen Der Herstellungsprozess der Additiven Fertigung läuft meist innerhalb einer, bei den meisten Maschinen, relativ kleinen Prozesskammer ab, welche die Bauteilgröße einschränkt. Dem entgegen stehen Verfahren wie das Fused-Layer-Modelling und das Auftragsschweißen deren Prozesskammern durchaus groß sein können oder die roboterbasiert frei im Raum ausgeführt werden können. Hier liegen die physikalischen Limitationen in der erzielbaren Genauigkeit. Durch die oft langen Prozesszeiten im In-Prozess fallen hohe Maschinenkosten für die Herstellung Additiver Bauteile an und auch die speziell aufbereiteten Rohmaterialien sind oft teuer. Aufgrund des Urformcharakters der Additiven Fertigung stellt die Qualitätssicherung hohe Anforderungen an die Überwachung von Maschinen und Rohmaterial, um nachweislich einwandfreie Bauteile zu dokumentieren. Entgegen häufiger Wahrnehmung arbeitet die Additive Fertigung nicht ohne Restmaterial. Dieses ergibt sich je nach Verfahren aus Ausschuss, Stützmaterial aber auch nur anteilig wiederverwendbarem Restmaterial aus dem Prozess. Insbesondere durch die Kommerzialisierung von 3D-Druckern für den Heimgebrauch ist mit einer zunehmenden Umweltbelastung durch die vermehrte Herstellung von Kunststoffteilen zu rechnen.

26

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

Die Additive Fertigung kann je nach Verfahren und Material für den Menschen gefährliche Emissionen freisetzen. Dies sind z. B. giftige Dämpfe beim Aufschmelzen bestimmter Kunststoffe oder feines Metallpulver in der eingeatmeten Luft. Zur Vorbeugung von Gesundheitsschäden werden deshalb in der Industrie Schutzmaßnahmen für das Personal vorgeschrieben, wie z. B. das Tragen eines Atemschutzes oder speziell belüftete Räume. Bei der Heimanwendung von 3D-Drukern gibt es derzeit keine gesetzlichen Regularien. Lange Fertigungsdauern im In-Prozess machen es unmöglich heutige Additive Fertigung in verkettete Produktionen zu integrieren. Eine deutliche Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit oder das Überdenken von Anlagenkonzepten wäre notwendig, um hier ­Abhilfe zu schaffen. Ansätze werden z.  B. durch die Parallelisierung von Anlagen und Druckköpfen für den Materialauftrag verfolgt. Aber auch das Handling von Pre- und Post-Prozessen steht im Fokus von Rationalisierungen.

3.1.3 Chancen Mit der Additiven Fertigung können neue Werkstoffe verarbeitet werden. Chancen reichen von der Herstellung von porösen oder gradierten Materialien bis hin zum Bio-Printing, also der Herstellung von patientenspezifischen Organen aus bioresorbierbaren oder biokompatiblen Materialien und Zellen. Auch für Foodprinting und die 3D-Rekonstruktion von Kunst und Kitsch sowie viele andere Anwendungen ausgefallener Materialien bietet die Additive Fertigung Innovationspotenzial. Durch die Additive Fertigung ist die Reduzierung des Materialeinsatzes möglich, um eine verbesserte Materialausnutzung zu erlangen und folglich Abfall zu minimieren. So lassen sich topologie- und gestaltoptimierte Bauteile mit bestmöglicher Materialverteilung herstellen. Die Bauteilkosten implizierten derzeit einen hohen Innovationszuschlag, da Maschinen und Ausgangsmaterialien bei zunächst kleinen Stückzahlen und Volumina teuer sind. Die Chance liegt aufgrund der allgemein geringen menschlichen Arbeitsanteile bei steigender Effektivität der Anlagen in einer deutlichen Preisreduktion und damit auf dem Raumgreifen der Verfahren für mittlere Losgrößen. Neue Geschäftsmodelle ergeben sich aus den Megatrends der Digitalisierung, Individualisierung und insbesondere im Kontext der Produkt-Service-Systeme. Diese sind zum Beispiel Co-Design, die Verschiebung von Wertschöpfungsketten, Schulungskonzepte, der Verkauf hoch spezialisierten Maschinen und Modellen, der Vertrieb von speziellen Materialien oder vor- und nachbereitende Tätigkeiten. Abb. 3.3 zeigt Schwerpunkte der Entwicklung bezogen auf die Domänen Gestaltung, Materialien, Maschinen und Standardisierung für die Anwendungen in Automobil- und Luftfahrtindustrie, Maschinen- und Anlagenbau, Architektur und Design, Pharmazie und Medizin, Elektronik sowie Zukunftstechnologien. Viele Forschung- und Entwicklungsfelder zur Additiven Fertigung entwickeln sich sehr dynamisch. So werden ständig neue Materialien für die unterschiedlichen Prozesse qualifiziert und für spezielle Herausforderungen – wie zum Beispiel das Drucken von Kupfer und Silikon – Lösungen entwickelt.

3.1  Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der Additiven Fertigung

27

Domänen Leichtbau Funktionsintegration Materialien

Metalle Hybride Lösungen

Gedruckte Elektronik

4D-Druck Lebensmittel

Kunststoffe

Robotik

Maschinen

Standardisierung

Prothetik

BioMed

Qualifikation

Automobil & Maschinen- & Architektur & Pharmazie & Luftfahrt Anlagenbau Design Medizin

Elektronik

Zukunftstechnologien

Anwendungen

Gestaltung

Abb. 3.3  Forschungs- und Entwicklungsfelder zur Additiven Fertigung

Vor dem Hintergrund gedruckter Effekte, etwa beim Reparieren von Bauteilen im Kontext elektromagnetischer Felder oder fluidisch-thermischer Problemstellungen, kommen immer häufiger Verfahrensideen in die Diskussion, die es ermöglichen gradierte Materialien zu drucken oder Materialkombinationen zu verarbeiten. Während bisher häufig die Optimierung der Bauteilgestalt im Fokus der Anwendung stand, werden zukünftig völlig neue Realisierungen der Funktion als Treiber der Entwicklung eine große Rolle spielen. Dies wird oft auch unter dem Begriff 4D-Druck, dem Drucken von Bauteilen mit sensorischen und aktorischen Eigenschaften durch veränderlicher Gestaltmerkmale, adressiert.

3.1.4 Risiken Replikationen ermöglichen neue Dimensionen der Produktpiraterie. Dabei stellen 3D-Scanner sowie Tauschbörsen ein Risiko für den Schutz des geistigen Eigentums dar. Besonders Einzelteile können einfach repliziert werden, sodass bestehende Geschäftsmodelle (günstige Anschaffung, teure Wartung) redundant werden. Durch die Heimanwendung von 3D-Druckern können nach Belieben Geometrien modelliert und materialisiert werden, ohne dabei gesetzliche Regularien zu berücksichtigen. Dies gilt sowohl für den Schutz des geistigen Eigentums und neue Dimensionen der Produktpiraterie als auch für die Herstellung von verbotenen Gegenständen oder sicherheitskritische Anwendungen, wie zum Beispiel die Verwendung ungeeigneter Materialien und Geometrien für Kinderspielzeug. Durch die Möglichkeiten der dezentralen Fertigung entstehen neue Fragestellungen bezüglich der Produkthaftung. Bei größeren Schäden oder Verletzung eines Menschen stellt sich die Frage der Verantwortung von Maschinenhersteller, Materiallieferant, An-

28

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

bieter des CAD-Modells sowie Maschinenbediener. Gleiche Fragestellungen kommen bei Qualitätsaspekten und Zertifizierungen zum Tragen. Cornell Bioengineer gelang die Herstellung eines künstlichen Ohrs, welches sich natürlich verhält und aussieht. Das Unternehmen „Organovo“, druckt Leberzellen sowie Augengewebszellen. Wissenschaftler haben zudem menschliche Stammzellen mit Muskelzellen von Hunden vermischt, um ein verbessertes Organgewebe zu schaffen. Ethische Risiken des Bio-Engineerings sind allerdings nicht für die Additive Fertigung spezifisch, sondern werden mit wachsenden technischen Möglichkeiten an vielen anderen Stellen der Entwicklung zu diskutieren sein.

3.2

Gestaltungsziele

Hague et al. beschreiben erstmals die Auswirkungen der additiven Fertigung auf die Produktgestaltung. Die Gestaltpotenziale werden hinsichtlich einer besseren Produktperformance, der Kostenreduktion durch substituierte Montageschritte oder der Umsetzung innovativer Designelemente beschrieben [Hagu03, Hagu04]. Becker et al. beschreiben eine Liste genereller Gestaltungsvorschläge und beziehen sich auf das Potenzial der Funktionsintegration und Bauteilzusammenführung [Beck05]. Auch Burton zielt auf die Bauteilzusammenführung durch die additive Fertigung und beschreibt ein Hilfsmittel zum Wissenstransfer für Konstrukteure [Burt05]. Weitere Arbeiten zeigen die Gestaltungspotenziale der additiven Fertigung anhand konkreter Fallstudien. Eyers und Dotchev beschreiben das Beispiel der Produktindividualisierung von Medizinprodukten durch Mass Customization [Eyer10]. Auch Petrovic et  al. beschreiben eine Fallstudie zur Ausnutzung der Gestaltungsfreiheiten additiver Fertigung. Dabei wird das Gestaltungsziel von integrierten Kühlkanälen untersucht [Petr11]. Bin Maidin et al. beschreiben eine umfassende Datenbank mit Gestaltungselementen, um Konstrukteuren Vorschläge während der Bauteilgestaltung aufzuzeigen [Bin12]. Doubrovski et al. greifen diese Idee auf und zeigen ein Konzept für eine gemeinschaftlich editierbare Wissensdatenbank, analog zu einem Wiki-System [Doub12]. Mit Bezug auf den Produktangebotswandel und den Prozesswandel entsprechend der Klassifizierung nach Boyton, Victor und Pine liegen die Potenziale der Additiven Fertigung insbesondere in den Bereichen der Innovation  – dem schnellen Time to Market – und der kundenindividuellen Massenfertigung – Mass Customization. Die wissenschaftlichen Arbeiten zeigen, dass wiederholt gleiche oder ähnliche Gestaltungspotenziale insbesondere in Bezug zum Selektiven Laserstrahlschmelzen diskutiert werden. Wie in Tab. 3.1 dargestellt, können diese zu elf Gestaltungszielen zusammengefasst werden [Lipp16a, Lipp16b]. Dabei ist der Aspekt Zeitersparnis kein Gestaltungsziel im engeren Sinn, spielt jedoch in Bezug auf das Potenzial der Additiven Fertigung eine große Rolle, da in vielen Fällen verkürzte Durchlaufzeiten realisiert werden können. Um einen technisch sinnvollen und wirtschaftlichen Einsatz sicherzustellen, ist die parallele Erfüllung mehrerer Gestaltungsziele anzustreben. Dabei sollten ein Hauptziel und Nebenziele klassifiziert oder eine Gewichtung innerhalb der multikriteriellen Zielfunktion vorgenommen werden.

3.3 Potenzialabschätzung

29

Tab. 3.1  Gestaltungsziele der Additiven Fertigung # 1.

Beschreibung Reduzierung des Materialeinsatzes sowie Ressourceneinsparung durch Erhöhung der Materialausnutzung. 2. Funktionsintegration Umsetzung einer möglichst großen Anzahl technischer Funktionen durch einen minimalen Einsatz an Bauteilen. 3. Dünnwandigkeit Einsatz von dünnwandigen und filigranen Geometrien zur Reduzierung des Gewichts bei konstanten Rahmenbedingungen. 4. Kraftflussanpassung Materialanordnung entsprechend der Beanspruchungen zur Gewichtsreduktion oder Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften. 5. Integrierte Kanäle Verwendung von innen liegenden Kanälen für die Erfüllung spezifischer Anwendungen, wie die Durchströmung mit Flüssigkeiten oder die Integration von Kabelführung. 6. Mass Customization Adaption eines Bauteils an spezifische Kundenanforderungen durch individuelle Lösungen oder der Einbeziehung des Kunden in den Produktentwicklungsprozess. 7. Design Umsetzung von Freiformflächen sowie Erhöhung der Ergonomie und Nutzbarkeit eines Bauteils. 8. Net-Shape Geometrien Umsetzung von vordefinierten, komplizierten Fertigteilflächen auf Basis von Simulationsergebnissen, wie strömungsoptimierte Flächen oder Lichtverteilungen. 9. Lokale Eigenschafts-­ Lokale Einstellung der Eigenschaften eines Voxels durch anpassung Materialgradierung oder Parametervariation. 10. Innere Effekte Umsetzung von aktorischen oder sensorischen Eigenschaften durch Pulvereinlagerungen, Variation des Aufschmelzverhaltens oder geometrischen Maßnahmen 11. Zeitersparnis Rapid Prototyping, Rapid Repair, Rapid-X

3.3

Gestaltungsziel Materialersparnis

Potenzialabschätzung

Im Sinne eines Vorentwicklungsprozesses gliedern wir die Potenzialabschätzung in die Phasen Exploration, Feasibility und Transfer. Anhand des Strategic Fit zum Unternehmen sowie einer groben Abschätzung von Aufwänden und benötigtem Know-How können wir im Sinne der Exploration Ideen generieren und grob selektieren. Methodisch stehen dafür alle Arten intuitiver Kreativitätstechniken, wie zum Beispiel Brainstorming, Brainwriting, Methode 653, Galeriemethode oder die Fünf Hüte Methode unterstützend zur Verfügung. Als diskursive Methode können zum Beispiel die in der Tab. 3.2 dargestellten Bewertungskriterien systematisch abgearbeitet werden. In die Bewertung können dabei je nach Dominanz der Gestaltungsziele ein, zwei oder mehr Kriterien einfließen: Beispielhaft ist Für mache Anwendungen in der Raumfahrt der Aspekt Gewicht (W) so dominant, dass schlicht das leichteste funktionale Bauteil die Lösung darstellt.

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

30

Tab. 3.2  Bewertungskriterien zur Evaluierung der Bauteileignung Bewertungskriterium Stückzahl Material Größe (G) Kompliziertheit der Geometrie (K) Gewicht (W) Ökologische Nachhaltigkeit (öN) Fertigungsdauer (FD) Nachbearbeitung (N) Individualisierungs-grad (I)

Bewertungsgröße und Skalierung Kleine Stückzahl; mittlere Stückzahl; große Stückzahl KO – Kriterium falls kein Druckfähiges Material genutzt werden kann Bewertung anhand der Größe des Hüllkörpers – Limitierung durch Bauraummaße von AM-Maschinen Bewertung anhand des Volumens, der Oberfläche, und der Anzahl der Löcher des Bauteils – Je komplizierter, desto interessanter für AM Bewertung anhand des Verhältnisses von Bauteilvolumen zum Volumen des Hüllkörpers Bewertung anhand des CO2-Ausstoß des Bauteils im Verhältnis zu einem Bezugswert Bewertung anhand der Fertigungshöhe Bewertung anhand des Anteils an der Oberfläche der Nachbearbeitet wird Bewertung anhand des Einflusses den der Kunde auf die Wertschöpfung hat

Wird der Lösungsraum in zwei Dimensionen, aufgespannt so kann ein Portfolio, wie in Abb. 3.4 gezeigt, den übersichtlichen Vergleich von Projektideen erleichtern. Im Beispiel wird gezeigt, wie die Akzeptanzkurve für die Additive Fertigung von Individualisierungsgrad und Losgröße abhängt und dass insbesondere im Bereich der individualisierten Produktion erhebliche Potenziale liegen. Das Arbeiten mit Portfolios ist auch geeignet, um Technisch-Wirtschaftliche-­Bewer­ tungen auf den beiden verfügbaren Achsen vorzunehmen. In Abb. 3.5 ist der Zusammenhang zwischen Kompliziertheit des Bauteils und Herstellungskosten im Vergleich zwischen konventioneller Fertigung zu Additiver Fertigung dargestellt. In diesem Zusammenhang wird mit der Additiven Fertigung häufig der Slogan „Complexity for Free“ verknüpft, den wir nicht ganz teilen, da Kompliziertheit immer Mehraufwendungen bedeutet und deshalb Abb. 3.4  Portfolio der Eignung für die Additive Fertigung

Ungeeignet für Additive Fertigung

Losgröße

Generalisierte Massenproduktion

Generalisierte Einzelproduktion

Potential für Additive Fertigung Individualisierte Massenproduktion

Individualisierte Einzelproduktion

Individualisierungsgrad

31

3.4 Bauteilportfolioanalyse Additive Fertigung

Herstellungskosten

Konventionelle Fertigung

Break-even point Konventionell nicht herstellbar gering

mittel

Konventionelle Gestaltung

Bauteilkompliziertheit

hoch

Gestaltung für additive Fertigung

Abb. 3.5  Complexity for Free

stets so einfach wie möglich konstruiert werden sollte. Andererseits ist aber richtig, dass Kompliziertheit mittels Additiver Fertigung einfacher zu beherrschen ist als durch zum Beispiel rein spanende Bearbeitung. Außerdem ergibt sich im Portfolio Abb. 3.5 ein interessanter Bereich in dem Lösungen nur mittels Additiver Fertigung überhaupt realisierbar sind.

3.4

Bauteilportfolioanalyse

In einem nächsten Schritt, der Feasibility, müssen die Fähigkeiten und Restriktionen der angedachten Fertigungsverfahren analysiert werden, um diese mit den Bauteilanforderungen zu vergleichen um geeignete Fertigungsverfahren zu filtern, die technisch und ökonomisch sinnvoll zum Einsatz kommen können. Liegen keine ausreichenden eigenen Erfahrungen vor gibt es einige wissenschaftliche Arbeiten die sich mit der Frage beschäftigen, wie anhand allgemeiner Ähnlichkeiten Abschätzungen über den sinnvollen Einsatz der Additiven Fertigung durchgeführt werden können. Um auf Basis dieser Ähnlichkeiten Vorhersagen treffen zu können, muss die Bauteilgeometrie nicht im Einzelnen bekannt sein. Jedoch müssen quantifizierbare Größen erfasst werden, welche die geometrischen Eigenschaften des Bauteiles wiedergeben. Neben dem Volumen wird in der Regel eine Kompliziertheit beschreibende Kennzahl genutzt, durch die man zwischen einfachen Würfeln und mehr oder weniger komplizierten Bauteilen unterscheidet. Einer dieser Ansätze soll hier im Folgenden erläutert werden. Er basiert auf der, für die Additive Fertigung ohnehin notwendigen, Transformation des CAD-Modells des Bauteils in das Standard Triangulation Format (STL-Format). Das STL-Format basiert auf der Modelloberflächentriangulationsmethode. Diese einfachste dreidimensionale Triangulation bietet die Möglichkeit, komplexe geometrische Figuren höherer Ordnung derart zu be-

32

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

schreiben, dass eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der synthetisierten Oberfläche erreicht werden. Das STL-Format ist für eine algorithmische Verarbeitung geeignet und ermöglicht es, Informationen über die Oberfläche des Bauteils und dessen Volumen durch einfache mathematische Berechnungen zu erhalten. Jede Facette in STL wird durch drei Scheitelpunktkoordinaten und einen Normalenvektor beschrieben, der die Facettenorientierung beschreibt. Der vorgeschlagene Ansatz zum Aufbau eines Bauteilportfolios basiert auf der Berechnung von zwei Größen (Indikatoren). Nennen wir den ersten Indikator das Flächenpotenzial. Da die Anzahl der Triangulationsflächen vom verwendeten Triangulationsalgorithmus abhängt und mit zunehmender Qualität ansteigt, soll die Anzahl der Normalenvektorenrichtungen bezogen auf die Oberfläche diese zunehmende Komplexität ausgleichen und es ermöglichen, die Komplexität der Oberfläche anhand einer einfachen Beziehung zu erkennen. Somit kann das Flächenpotenzial wie folgt berechnet werden:

 = 1− Flachenpotential

Anzahl von Normalvektorenrichtungen . Anzahl von Facetten

Bei einer großen Anzahl unterschiedlicher Normalvektorenrichtungen können diese in Klassen (Sektoren) zusammengefasst (gruppiert) werden. Die Verwendung dieser Formel impliziert die Effizienz des Oberflächen-triangulationsalgorithmus zum Transformieren des CAD-Modells in das STL-Format. Die mit der Auswahl einer optimalen Auflösung verbundenen Probleme sind insbesondere bei komplexen Oberflächen von Bedeutung. Es werden iterative Methoden verwendet, die verschiedene Modifikationen der bekannten Delaunay-Triangulationsalgorithmen und verschiedene Frontalmethoden umfassen, deren zusätzlicher Vorteil die Möglichkeit einer direkten Erzeugung von Knoten beim Aufbau eines Triangulationsnetzwerks ist. Als zweiter Indikator kann bei der Analyse eines Portfolios das Volumen des Bauteils verwendet werden. Nehmen wir analog zu den Methoden der topologischen Optimierung das Quaderquadrat, in das das Teil vollständig passt, so kann das Gesamtvolumenpotenzial nach folgender Formel berechnet werden:

Volumenpotential = 1 −

Endvolumen , Anfangsvolumen

wobei das Anfangsvolumen das Volumen des Quaderquadrates und das Endvolumen das Volumen des Bauteils ist. Das STL-Format kann hier auch zur Berechnung des endgültigen Teilevolumens verwendet werden. Es ist zu erkennen, dass beide gegebenen Indikatoren für die Beurteilung des Potenzials eines Bauteils im Bereich von 0 bis 1 liegen. Somit kann der Diagrammraum für die Entscheidung der Eignung eines Teils für die Herstellung durch Additive Fertigungsverfahren als Einheitsquadrat dargestellt werden. Siehe hierzu Abb. 3.6. Als zusätzliche Faktoren können Kosten pro Volumen und Belegung des Bauraums innerhalb der Maschine verwendet werden. Kosten können zum Beispiel als Kreise unterschiedlicher Fläche zusätzlich im Portfolio dargestellt werden.

3.4 Bauteilportfolioanalyse

33

Volumenpotential

1

0

Bauteile mit großem Potential für die Herstellung mittels AF-Verfahren

Bauteile mit niedrigem Potential für die Herstellung mittels AF-Verfahren Flächenpotential

1

Abb. 3.6 Bauteilportfolioanalyse-Diagramm

Die Nachteile des beschriebenen Ansatzes sind seine Subjektivität in Bezug auf die Definition der Paretofront sowie die Nachteile des STL-Formats selbst: Geringe Genauigkeit der Geometrie und große Dateigröße für komplexe Modelle. Das Ergebnis ist zudem von dem verwendeten Algorithmus und der Qualität der Flächentriangulation bei der Konvertierung des CAD-Modells in das STL-Format beeinflusst. Je nach Zielfunktion sind die, mit oben geschilderten Algorithmen, auffindbaren Potenziale oft jedoch sehr gering. So können bei Durchsicht tausender Teile oft nur zehn oder weniger Teile mit Potenzial definiert werden, von denen dann, bei genauerer Analyse eventuell nur ein oder zwei wirklich lohnenswerte Prozessumstellungen zu identifizieren sind. Dies liegt nicht an den Methoden der Potenzialidentifikation sondern an der Definition der Paretofront, welche die oben erläuterten heute noch extrem hohen Kosten der Additiven Fertigung zu berücksichtigen hat und eine Umstellung nur bei sehr großen Zerspanraten, teuren Materialien und komplizierten originären Fertigungsprozessen oder neuen Konzepten kommerziell sinnvoll macht. Bei multikriteriellen Zielfunktionen können die einzelnen Zielerfüllungsgrade auch als Zielspinnen dargestellt werden. Abb. 3.7 zeigt den Vergleich eines spanend hergestellten Spezialreflektors mit dem gleichen durch 3D-Druck gefertigten Bauteil. Die maximale Zielerfüllung wird dabei hier mit 10 Punkten bewertet. Als Bewertungsverfahren für die Beurteilung der Ideen und Potenziale Additiver Fertigung empfehlen wir darüber hinaus auch die in VDI2225 näher beschriebenen Methoden der Technisch-Wirtschaftlichen Bewertung. Besonderheiten von Prozesskette und Kalkulation Bevor es zum Transfer identifizierter Ideen und Potenziale in die Anwendung kommt, ist im Zuge der Feasibility auch detailliert zu klären, wie eine Prozesskette aussehen könnte.

34

3  Planung, Potenziale und Spezifikation Individualisierung Nachbearbeitung Größe

Stückzahl

Gewicht

10

8

6

4

2

Nachhaltigkeit

Kompliziertheit

Fertigungsdauer

Additive Fertigung

Abb. 3.7  Zielspinne für einen 3D-gedruckten Spezialreflektor Gewinnung des Rohmaterials

Aubereitung des Rohmaterials

Bauxitgewinnung

Legieren

Tonerdewerk

Pulverisierung

Aluminiumhütte

Recyc. Aluminum

Recycling des Ausschusses

Ausschuss

Schmelzvorgang

Logistik

Produktion

Transport

Fertigung

Lagerung

Vorbereitung

Recyceltes Pulver

Nachbearbeitung

Stützstrukturen

Werkstück (AF)

Abb. 3.8  Materialfluss für die Additive Fertigung eines Aluminiumbauteils

Abb. 3.8 zeigt exemplarisch den Materialfluss für die Additive Fertigung eines Aluminiumbauteils von der Gewinnung des Rohmaterials über die Aufbereitung des Rohmaterials, den eigentlichen Produktionsvorgang, das Recycling sowie die notwendige Logistik. Es wird ersichtlich, dass in der Regel nicht alle Prozessschritte in einem Unternehmen liegen werden. Also müssen Konzepte von Wertschöpfungs- und Unternehmensnetzwerken definiert werden, die sich durchaus von denen bei klassischer Fertigung deutlich unterscheiden können. Zum Transfer in die Entwicklung eignen sich, wie oben gesagt, Ideen für die ein Zielprodukt identifiziert wurde und für deren Umsetzung die notwendige Kapazität bereitgestellt werden kann. Um die finanziellen Erwartungen abzusichern ist allerdings zumindest eine überschlägige Betrachtung von Kosten durchzuführen. Die Kostenkalkulation für die Additive Fertigung kann dabei klassisch als Zuschlagskalkulation durchgeführt werden. Sie stellt sich allerdings als ein herausforderndes Themengebiet dar, da durch die gewonnene Gestaltungsfreiheit in der Konstruktion und das hohe Innovationspotenzial der Bauteile und Technologie oft nur wenige Erfahrungswerte vorliegen. Betrachtet man die Prozesskette der Additiven Fertigung, so können einzelne Positionen der entstehenden Kosten des Bauteils entsprechend dem Schema der Zuschlagskalkulation wie folgt zugeordnet werden:

3.4 Bauteilportfolioanalyse

• • • • • • • • •

35

Kosten für die Geometriebereitstellung (evtl. Entwicklungskosten) Kosten für die Modellaufbereitung und das Slicen Kosten für die Vorbereitung der Maschine Materialkosten für das Bauteil, Stützstrukturen sowie unbrauchbare Reste Kosten für Schutzgase Energiekosten für die Maschine Abschreibungen der Maschine Nachbearbeitung des Bauteils Maschinenreinigung und Aufbereitung des nicht verwendeten Materials Berechnet werden können die Bauteilkosten dann wie folgt: K ges = K Pre + K In + K Post

Wobei gilt:

K Pre = K Konstruktion + K Datenaufbereitung + K Jobvorbereitung



K In = K Fertigung + K Material



K Post = K Reinigung + K Nachbearbeitung

Der In-Prozess ist die Prozessphase, für die sich allein auf Basis der Bauteilgeometrie Kosten bestimmen lassen. Die Materialkosten folgen aus dem Volumen des Bauteils entsprechend den CAD-Daten sowie, je nach Verfahren notwendigen, Zuschlägen für Materialverluste. Es ergibt sich für die Materialkosten:

K Material = Sintervolumen ⋅ Bauteildichte ⋅ Materialpreis ⋅ Faktor + K Prozessgas

Eine Besonderheit ist hierbei der sehr hohe Preis für die aufbereiteten Materialien, Pulver oder Filamente, der bis zu zehnfach über dem Preis des Basismaterials liegen kann. Eine weitere Besonderheit ergibt sich aus den großen Materialüberschüssen bei allen pulverbettbasierten Verfahren, die nur dann wiederverwendet werden können wenn immer wieder Teile aus den gleichen Materialien hergestellt werden müssen und auch dann, je nach Verfahren, oft nur zu 80 %. Auch können Pulverbettmaschinen zwar bauartbedingt unterschiedlichste Materialien entweder Thermoplaste oder Metalle verarbeiten. Ihre Umrüstung stellt, bei entsprechenden Qualitätsanforderungen, jedoch in der Regel einen enormen Aufwand für Reinigungszeiten, Filter und so weiter dar. Um die Fertigungskosten und die Menge an Prozessgas bestimmen zu können, wird zuerst die Fertigungsdauer benötigt. Die Fertigungsdauer/Maschinenlaufzeit ist abhängig vom Fertigungsverfahren. Zum Beispiel ergibt sich für das Selektive Laserstrahlschmelzen die Maschinenlaufzeit wie folgt:

Maschinenlaufzeit =

 Sintervolumen Jobhohe + ⋅ Beschichtungszeit Volumenbaurate Schichtdicke

36

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

Betrachtet man die sehr teuren Maschinen für das selektive Laserstrahlschmelzen von Metallen und die oft sehr langsamen Aufbauraten so ergeben sich Abschreibungen der Maschine von zum Teil 100 € und mehr pro Kilogramm Bauteilgewicht. Für das Prozessgas folgt:

K Prozessgas =

Gaspreis ⋅ Zufuhrrate ⋅ Maschinenlaufzeit Volumeneinheit

Wird Stickstoff eingesetzt ist der Preis für das Prozessgas überschaubar. Bei Argon folgen aus den langen Prozesszeiten und notwendigen Durchströmungen des Bauraums, um Schmauch abzuführen erhebliche Kosten. Der Stromverbrauch kann ebenfalls über die Maschinenlaufzeit und die Leistung der Maschine bestimmt werden. Auch hier ergeben sich, insbesondere bei hohen Vorwärmtemperaturen des Bauraums erhebliche Kosten, die in der Regel einer mangelnden Isolation der Maschinen geschuldet sind. Weniger deterministisch lässt sich die Berechnung der Kosten für Pre- und Post-­Prozess vornehmen. Da hier die wichtigste Größe die investierten Arbeitsstunden sind, können Ähnlichkeiten zu bereits gefertigten Bauteilen herangezogen werden. Die Nachbearbeitungszeit ist auch signifikant davon abhängig, wie das Bauteil aufgebaut wurde, und inwiefern beispielsweise Gestaltungsregeln für die Additive Fertigung berücksichtigt wurden, um eine fehlerfreie Fertigung zu garantieren. Um die Komplexität der Kosten Nutzen Betrachtung für die Additive Fertigung noch einmal zu verdeutlichen soll diese hier am Beispiel eines Ventilgehäuses diskutiert werden. In Abb. 3.9 sind zwei Versionen des Ventilgehäuses dargestellt. Das Ausgangsmodell (links), welches mit spanenden Fertigungsverfahren hergestellt wird, wurde mittels der Gestaltungsfreiheit der Additiven Fertigung konstruktiv überarbeitet (rechts). Dadurch kommt es zu einem enormen Ersparnis an Materialvolumen und zu strömungsangepassten Kanalstrukturen sowie zur Funktionsintegration eines Schalldämpfers. Um Aussagen über die Kosten der jeweiligen Konstruktionen zu treffen, können zum einen das Volumen des Bauteils und damit das benötigte Material und die Maschinenkosten aber zum anderen auch die Lebenszykluskosten betrachtet werden. Das Gewicht des Ausgangsmodells liegt bei 1,2 kg. Das additiv gefertigte Bauteil erreicht ein Gewicht von 0,2  kg. Der geringere Materialverbrauch wird jedoch durch die wesentlich höheren Materialkosten des Pulvers gegenüber dem, für die Zerspanung benutzten, Stangenmaterial und die zusätzlichen Schutzgaskosten kompensiert.

Abb. 3.9  Ventilgehäuse, Ausgangsmodell links und Konstruktion für SLM-Fertigung

3.5  Klären und präzisieren der Aufgabe

37

Bezogen auf das Produktleben in einem Fahrzeug erspart das geringere Gewicht des Additiv gefertigten Bauteils jedoch erheblich Energie und dieses hat auch Mehrwert durch den integrierten Dämpfer und die verbesserte Strömungsführung. Betrachtet man die Prozesszeiten ist deutlich zu erkennen, dass für die Anpassung der Geometrie an die Additive Fertigung erhebliche einmalige Entwicklungskosten aufgelaufen sind, während der Prozess der Maschineneinrichtung und die Durchlaufzeiten für einzelne Fertigungslose erheblich verkürzt werden konnten. Die lohnrelevante Arbeitszeit für die Durchführung eines Bauvorgangs konnte so um ein Drittel verkürzt werden. Die Maschinenkosten fallen hingegen ähnlich aus, da auch für die Durchführung der originär komplizierten Bohr- und Fräsvorgänge erhebliche Zeiten anfallen und die SLM Maschine ebenfalls relativ lang braucht, um das Bauteil zu generieren. Aufwand und Dauer der Nachbearbeitung fallen bei der Additiven Fertigung explizit zusätzlich an, während diese beim Spanen zum In-Prozess gehören und lediglich einige Bohrungen im Nachgang verschlossen werden müssen. Zusammenfassend wird festgehalten, dass im vorgestellten Beispiel die Anpassung der Konstruktion eines Bauteiles an die Additive Fertigung positive Auswirkungen auf Kosten und Durchlaufzeiten für Anwendungen im Sonderfahrzeugbau hat. Die erheblichen Entwicklungsaufwendungen können jedoch durch den funktionalen Zusatznutzen und die Einsparungen im Produktlebenszyklus amortisiert werden.

3.5

Klären und präzisieren der Aufgabe

Beim Übergang von der Vorentwicklung zur Konstruktion müssen die Anforderungen an diese genau geklärt werden. Neben den Gestaltungszielen und der Funktion ergeben sich die Anforderungen an die Konstruktion im Sinne der fertigungsgerechten Gestaltung aus den im Produktionsprozess zur Verfügung stehenden Ressourcen sowie einer Vielzahl von, im Produktlebenszyklus relevanten, Nebenfunktionen und Störgrößen. Daneben sind bezogen auf die eigentliche Konstruktion die Fragen woher kommen die Modelle und wie kann ihre Qualität sichergestellt werden ebenso zu beantworten wie, mittels welcher Werkzeuge sollen die Daten für die Maschinen aufbereitet werden? Bezogen auf den In-Prozess müssen die Material und Maschinenfrage beantwortet werden. Für den Post-Prozess sind die Fragen nach thermischer, mechanischer und sonstiger ­Nachbearbeitungen der Oberflächen zu klären. Daneben spielen Qualitätssicherung und Validierung eine entscheidende Rolle. Tab. 3.3 zeigt eine Checkliste zur Ermittlung der Anforderungen mit Bezug zur Additiven Fertigung gegliedert nach den Prozessschritten Konstruktion, Pre-Prozess, In-Prozess, Post-Prozess und Finishing. Abb. 3.10 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt der Anforderungsliste für eine gedruckte Fahrradtretkurbel gegliedert nach Funktion, Geometrie, Kinematik, Betriebskräfte, Mate-

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

38

Tab. 3.3  Checkliste zur Ermittlung von Anforderungen an AM Bauteile

# 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.6 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.8 1.9 1.10 1.11 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4.1 4.2 4.3 4.4

Kriterien Konstruktion Entwicklungsziel(e) definiert Hauptfunktion(en) definiert Nebenfunktion(en) definiert Material Material ausgewählt Materialkennwerte liegen vor Kosten berechnet Gestaltungsziele priorisiert Gestaltungsmethoden ausgewählt Simulation Topologieoptimierung durchgeführt Festigkeit nachgewiesen Lebensdauer simuliert Fertigungsverfahren ausgewählt Fertigungsrestriktionen beachtet Netshape-Geometrie liegt vor Daten in neutrales Datenformat formatiert Pre-Prozess Auswirkungen der Bauteilorientierung auf die Bauteileigenschaften bedacht Bauteil auf Stützstrukturen gebaut Bauteil Daten gesliced Maschinen Setup ausgewählt Fertigungsprozesssimulation Eigenspannungen simuliert Verzug simuliert und kompensiert Kritische Bereiche identifiziert Stützstrukturen optimiert Konzepte für Post-Prozess ausgewählt Iterationen Gestalt/Prozess Post-Prozess Prozessmonitoring ausgewählt Bauteil von Bauplattform entfernbar Bauteil zu reinigen Bauteil verifizierbar Finishing Thermische Nachbearbeitung Mechanische Nachbearbeitung Qualitätssicherung Bauteil Validierung

Aktueller Status Nicht Erledigt erledigt

irrelevant

3.5  Klären und präzisieren der Aufgabe

39

F: Festforderung Z: Zielforderung W: Wunschforderung Nr. Anforderungen 1. Funktionen Aufnehmen und Leiten 1.1 mechanischer Energie 2. Geometrie 2.1 Abstand Lagerpunkte 2.2 Lagerstelle Pedal 2.3 Lagerstelle Konus 2.4 Lagerstelle Winkel Konus 3. Kinematik 3.1 Bewegungsart 3.2 Bewegungsrichtung 3.3 Max. Drehzahl 3.4 Drehwinkel 3.5 Winkelgeschwindigkeit 4. Kräfte 4.1 Last 4.2 Lastrichtung 4.3 Art der Beanspruchung 4.4 Gewicht 4.5 Verformung 4.6 Lasthäufigkeit 5. Stoff 5.1 Werkstoff 5.2 Dichte 5.3 E-Modul 5.4 Zugfestigkeit 5.5 Dehngrenze Rp0,2 6. Fertigung 6.1 Herstellbare Abmessung 6.2 Fertigungsverfahren 7. Montage 7.1 Bewegungsfreiheit 8. Gebrauch 8.1 Einsatzort 8.2 Temperaturbereich 8.3 Luftfeuchtigkeit

Art

Wert/ Bereich

F

ja

F F

170 12.93

F

+ 0,020

12.73 - 0,050 + 0,1 -0

Fahrrad-Tretkurbel Var./ Einheit

Quelle/ Verweis

l0 in mm ØPedal in mm

DIN 345 DIN 345

bmin in mm

ISO 669:2015(E)

β in °

ISO 669:2015(E)

F

4,0

F F Z F Z

Gleichförmig Rotatorisch 1 360 2π

n in s−1 α in ° ω in rad·s−1

DIN345 DIN345 DIN345 DIN345 2π * n

Z F F Z Z Z

1,500 y - Achse Biegung < 217 100.000

F in N

DIN 345

m in g w in mm z

DIN345

F F Z Z Z

AlSi10Mg 2.68 60 - 70 345 - 350 245

ρ in g/cm³ E in kN/mm² Rm in N/mm² Rp0,2 in N/mm²

Materialdaten Materialdaten Materialdaten Materialdaten

F F

250 x 250 x 325 SLM

b x h x t in mm³

F

ja

-

Bediener

F F F

Fahrrad (-) 20 - (+) 40 50 - 90

T in ° rL in %

DIN345 DIN345

Gestaltungsrichtlinien

Abb. 3.10  Anforderungsliste für eine additiv gefertigte Fahrradtretkurbel (Auszug)

rial, Fertigung, Montage und Gebrauch. Entwicklungsziel ist hier eine ultraleichte Tretkurbel für den Renneinsatz. Die Anforderungen sind nach ihrer Art in Fest-, Ziel- und Wunschforderungen klassifiziert und möglichst genau quantifiziert. Damit sind neben dem Gestaltungsziel und der Funktion bereits wesentliche Aspekte der Prozesskette und Maschinen sowie der zu erreichenden Qualität festgelegt.

40

3  Planung, Potenziale und Spezifikation

Literatur [Beck05] Becker, R.; Grzesiak, A. und Henning, A.: Rethink assembly design; Assembly Automation, 25 (4), S. 262–266; 2005; ISSN: 0144-5154 [Bin12] Bin Maidin, S.; Campbell, I. und Pei, E.: Development of a design feature database to support design for additive manufacturing; Assembly Automation, 32 (3); S. 235–244; 2012; ISSN: 0144-5154 [Burt05] Burton, M. J.: Design for Rapid Manufacturing, Developing an AppropriateKnowledge Transfer Tool for Industrial Designers; Dissertation Loughborough University; 2005 [Doub12] Doubrovski, E.L.; Verlinden, J.C. und Horvath, I.: First steps towards collaboratively edited design for additive manufacturing knowledge; Solid Freeform Fabrication Symposium; USA Austin Texas; S. 891–901; 2012 [Eyer10] Eyers, D. und Dotchev, k.: Technology review for mass customization using rapid manufacturing; Assembly Automation, 30 (1); S. 39–46; 2010; ISSN: 0144-5154 [Hagu03] Hague, R.; Mansour, S. und Saleg, N.: Design opportunities with rapid manufacturing; Assembly Automation, Vol. 23 (4); S. 346–356; 2003; ISSN: 0144-5154 [Hagu04] Hague, R.; Mansour, S. und Saleg, N.: Material and design considerations for rapid manufacturing; International Journal of Production Research, 42 (22); S. 4691–4708; 2004; ISSN: 0020-7543 [Kumk18] Kumke, M.: Methodisches Konstruieren von additiv gefertigten Bauteilen, Springer Verlag, Deutschland Wiesbaden, 2018, ISBN: 978-3-658-22208-6 [Lipp16a] Lippert, R.  B. und Lachmayer, R.: Topology Examination for Additive Manufactured Aluminum Components; Proceedings of the 3rd Frauenhofer Direct Digital Manufacturing Conference (DDMC16); Deutschland Berlin; 2016; ISBN: 978-3-839-61001-5 [Lipp16b] Lippert, R. B. und Lachmayer, R.: Bionic inspired Infill structures for a Light-­Weight Design by using SLM; Proceedings of the International Conference on AM products and applications, Springer Cham, 2017 [Petr11] Petrovic, V. et  al.: Additive layered manufacturing: sectors of ondustrial application shown through case studies; International Journal of Production Research, Vol. 49 (4); S. 1061–1079; 2011; ISSN: 0020-7543

4

Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

Das „Design with/for Additive Manufacturing“ (DfAM) ist im Sinne von DfX ein Forschungsfeld, welches sich mit Heuristiken (im Verständnis von Erfahrungswissen, Daumenregeln oder Eselsbrücken) und Methoden (strukturierten Handlungsanweisungen und systematischen Verfahren zur Gewinnung von Erkenntnissen) für die fertitungsgerechte Konstruktion für Additive Fertigung befasst. Dazu zählen Ansätze zur Nutzung der kon­ struktiven Freiheiten und Potenziale zur Erweiterung des Lösungsraums sowie methodisch aufbereitete Übersichten der Herstellrestriktionen, mit denen der Lösungsraum eingeschränkt wird. Auch werden Methoden aufgestellt, die sich mit der Auswahl von Anwendungsgebieten, von Bauteilen und von Herstellungsverfahren für die Additive Fertigung beschäftigen. Des Weiteren existieren konkrete Ansätze, mit denen ein für die Additive Fertigung ausgelegtes Bauteil hinsichtlich der Herstellbarkeit analysiert werden kann. Abb. 4.1 zeigt die Erweiterung des Lösungsraums in der Konzeptphase durch die Potenziale der Additiven Fertigung (Design with X) und in der Entwurfs-/Ausarbeitungsphase die Notwendigkeiten diesen bis zur konkreten Lösung einzuschränken (Design for X). Auch der Entwurf von Bauteilen für die Additive Fertigung ist bestimmt durch die Regeln: • Einfach • Sicher • Nachhaltig.

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_4

41

Aufgabenstellung

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

Design with X

Opportunistisches DfAM

Größe des Lösungsraums

42

Design for X

Lösung

Restriktives DfAM

Abb. 4.1  Kombination von Design with X und Design for X Ansätzen [Kumk18]

Obwohl Kompliziertheit bei Additiver Fertigung oft leichter zu realisieren ist als bei klassischen Verfahren sollte diese aus Qualitätssicherungs- und Eindeutigkeitsgründen trotzdem so klein wie nötig gehalten werden. Es sollten einfache Konstruktionen bevorzugt werden. In Bezug auf die Sicherheit der gefertigten Bauteile entstehen durch die individuelle Umformung des Materials besondere Herausforderungen an die Prozessüberwachung und Teileprüfung. In Bezug auf Nachhaltigkeit weist die Additive Fertigung sicher hohes Potenzial auf. Dieses ist bisher aber nur partiell erschlossen – worauf wir in Abschn. 8.2 dieses Buches zurückkommen werden. Im Weiteren stellt sich die Frage nach den zum Einsatz kommenden Methoden und Heuristiken und ihrer spezifischen Ausprägung. Dabei ordnen wir in Tab. 4.1 die Methoden, auf die wir in den folgenden Kapiteln näher eingehen, den verschiedenen Aktivitäten der Konstruktion zu. Damit ist keine starre Abfolge der Methoden und Prozessschritte festgelegt, sondern eine flexible Auswahl von geeigneten Methoden kann unternehmenstypologisch und fallspezifisch zum Einsatz kommen. Außerdem können zweckdienlich, neben den hier speziell besprochenen Methoden, auch alle anderen im Kontext der Entwicklung eingesetzten Methoden genutzt werden. Die in Tab. 4.1 genannten Methoden können unterschieden werden in kreative, stimulierende Methoden, opportunistische Methoden (Fallbeispiele), simulierende Methoden (zum Beispiel Optimierungsrechnungen) und restriktive Methoden (Gestaltungsrichtlinien, Gesetzen und Normen). Nachdem wir in Kap. 3 bereits über Ideenfindung und das Präzisieren der Aufgabenstellung geschrieben haben, zeigen wir in Abschn. 4.1 Methoden, welche das Konzipieren unterstützen. Ausgehend von Entwicklungszielen und Widersprüchen behandeln wir Konstruktionsprinzipien sowie die Variation von Struktur und Gestalt (Architektur) inklusive des Einsatzes innerer Strukturen sowie die Optimierung unter den Aspekten Struktur, Parameter und Topologie. Abschn. 4.2 widmet sich dem Entwerfen und Gestalten sowie der Ausarbeitung. Der Entwurf (Abschn. 4.2.1) für die Additive Fertigung wird durch Entwurfsstrategien unterstützt. Einige werden wir mit Bezug zur Additiven Fertigung reflektieren. Unter Gestalten und Ausarbeiten besprechen wir in Abschn. 4.2.2 Gestaltungsrichtlinien. In Abschn. 4.3 diskutieren wir exemplarisch, für das Selektive Laserstrahlschmelzen, konkrete Restriktionen, welche bei der Ausarbeitung zu berücksichtigen sind.

4.1  Ermitteln von Funktionen und Lösungskonzepten

43

Tab. 4.1  Methodensammlung für die Additive Fertigung gegliedert nach Aktivitäten Aktivitäten in der Produktentwicklung Ideenfindung

Methoden und Hilfsmittel mit Bezug zur Additiven Fertigung • Additive Manufacturing im Produktentstehungsprozess • Prozesskette der Additiven Fertigung • Konstruktionskatalog der Additiven Fertigungsverfahren • Anschauungsobjekte (Moodboards) • Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken (Strength Weeknesses Oportunities Threats) Klären und Präzisieren des • Gestaltungsziele Problems bzw. der Aufgabe • Potenzialabschätzung • Prozesskette der Additiven Fertigung • Business Case • Portfolioanalyse • Checkliste zur Ermittlung der Anforderungen • Anforderungsliste Ermitteln von Funktionen und • TRIZ basierte Inventionsmethodik deren Strukturen • Priorisieren von Gestaltungszielen • Bionik • Innere Strukturen • Intuitive und diskursive Kreativitätstechniken • Anwendungsbeispiele (Use-Cases) Bewerten und Auswahl von • Potenzialsystematik Lösungskonzepten • Kalkulation • VDI 2225 Gliedern in Module und • Funktionsintegration/-trennung Schnittstellendefinition • Methode der einteiligen Maschine • FEM-Simulation und Optimierung Gestalten der Module   – Topologieoptimierung   – CFD-Simulation   – Lebensdauersimulation, etc. • Gestaltungsrichtlinien • Fertigungsprozesssimulation Ausarbeiten der Ausführungs- und • 3D-Modelle Nutzungsangaben • STL-Datensätze • Maschinenparameter

Schließlich teilen wir in Abschn. 4.4, unter „Lessons Learned“, unsere Erfahrungen zu Entwurf und Gestaltung von Additive Manufacturing Bauteilen aus zahlreichen Projekten der letzten zehn Jahre mit dem Leser.

4.1

Ermitteln von Funktionen und Lösungskonzepten

Abb. 4.2 zeigt die Verknüpfung von Entwicklungszielen und Hebeln für die Konstruktion. Sie macht auch deutlich, dass häufig oder eigentlich immer, beim Konstruieren Widersprüche aufgelöst werden müssen, wie zum Beispiel zwischen Steifigkeit/Festigkeit und

44

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

Jedem Voxel unterschiedliche Eigenschaften zuweisen Kontinuierliche Materialübergänge Variation der Bauteildichte Pulvereinlagerung Multimaterialbauweise Innere Strukturen Wandstärkenkombination

Lokale Eigenschaftsanpassung

Kontinuierliche Materialübergänge Einbetten zusätzlicher Komponenten Pulvereinlagerung Multimaterialbauweise Innere Effekte

Montage erleichterung

Zuverlässigkeitssteigerung

Reduzierter Nachbearbeitungsaufwand

Energieabsorptionsverbesserung

Funktionsintegration

Bionisches Design Innere Strukturen Kleine Abstände zwischen Features Freiformflächen

Umströmungsverbesserung Wärmeübergangsverbesserung Funktionserweiterung

Höhere Effizienz bei der Energiewandlung und Transport

Design

Konturnahe Kühlung In sich bewegliche Elemente Kleine Abstände zwischen Features Multimaterialbauweise Freiformflächen Innere Strukturen Einbetten zusätzlicher Komponenten Integralbauweise/ Bauteilzahlreduktion

Dünnwandigkeit

Isolationsverbesserung

Verbesserung in Design, Optik und Ästhetik

Äußere Gitterstrukturen Oberflächentexturen Hinterschnitte Freiformflächen Kleine Abstände zwischen Features

Materialersparnis

Gentelligente Bauteile Nachhaltigkeitsverbesserung Spannungsreduzierung Gewichtsreduzierung Dämpfungsverbesserung

Net-Shape Geometrien Konturnahe Kühlung In sich bewegliche Elemente Funktionsintegration Selbsttragende Überhänge Freiformflächen Innere Strukturen

Wandstärkenkombination Fügestellenreduktion Sandwichbauweise Kleine Abstände zwischen Features Multimaterialbauweise Dünnwandigkeit Innere Strukturen Integralbauweise / Bauteilzahlreduktion

Kraftflussanpassung

Durchströmungsverbesserung

Funktionsanpassung Mass Customization

Einbetten zusätzlicher Komponenten Funktionserweiterung Oberflächentexturen Kleine Abstände zwischen Features In sich bewegliche Elemente Hinterschnitte Freiformflächen Integralbauweise/ Bauteilzahlreduktion

Integrierte Kanäle

Konturnahe Kühlung Oberflächentexturen Große Querschnittsänderungen Freie Radiengestaltung Hinterschnitte Freiformflächen Innere Strukturen Poröse Strukturen

Bionisches Design Topologie Optimierung Hinterschnitte Fügestellenreduktion Freiformflächen Innere Strukturen Wandstärkenkombination Kontinuierliche Materialübergänge

Abb. 4.2  Entwicklungsziele, Widersprüche und konstruktive Hebel

Gewicht. Konkret kann Abb. 4.2 als Checkliste genutzt werden, um weitere ­Anforderungen zu identifizieren und innere Widersprüche zu erkennen, die aufgelöst werden müssen, um eine sinnvolle Aufgabenstellung für die Konstruktion zu formulieren. Die Additive Fertigung bietet hier besondere Möglichkeiten, da dem Konstrukteur bezogen auf die Gestaltung gegenüber anderen Fertigungsverfahren viele Freiheiten gegeben werden. Dies bezieht sich zum einen auf die Gestaltung der Geometrie: • • • •

Form – Freiformflächen und Funktionsintegration Topologie – auch zum Beispiel innere Strukturen Maße – bis hin zur Multiskaligkeit Zahl von Flächen – relativ geringer Kompliziertheitsaufwand.

Aber auch hinsichtlich des Parameters Werkstoff besteht Gestaltungsraum indem das Paradigma des homogenen Werkstoffs verlassen wird: • Durch Maschineneinstellungen können Werkstoffparameter im Bauteil gradiert werden und so Materialgradierungen gezielt eingesetzt werden • Auch können, je nach Verfahren, Materialien im Prozess kombiniert werden und so multimaterialbauteile realisiert werden.

4.1  Ermitteln von Funktionen und Lösungskonzepten

45

4.1.1 Konstruktions-Prinzipien Eine gute Möglichkeit mit den inneren Wiedersprüchen beim Konstruieren umzugehen, ist das Nutzen von Erfahrungswissen, welches in Konstruktions-Prinzipien formuliert ist. Als Prinzipien kommen, wie beim Konstruieren oft, zum Beispiel folgende zur An­ wendung: • • • • • • • •

Kombination und Variation elementarer Strukturelemente Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung Prinzip des effektiven Materialeinsatzes Prinzip der abgestimmten Halbzeuge Prinzip der abgestimmten Verformungen Prinzip des Kraftausgleichs Prinzip der Stabilität

Es gibt zudem Additive Manufacturing spezifische Prinzipien, wie sie zum Beispiel in folgenden Arbeiten beschrieben werden Jedoch wird dabei der Begriff Prinzip nicht immer ganz korrekt eingesetzt. • • • • •

Conception of design principles for AM [ICED2019, University of Zagreb] AM Design Catalogue Weiss 2016 [Weis16] AM Design Heuristics Blösch Shea 2017 [Bloe17] AM design Database Maidin 2012 [Maid12] Prinzip der einteiligen Maschine [Kumk18]

Auch können, durch die oben genannten Möglichkeiten, gezielt Effekte durch additive gefertigte Bauteile optimal realisiert werden (siehe hierzu auch Abschn. 4.1.5).

4.1.2 Variation von Produktstruktur und Gestalt In Bezug auf die Optimierung von Bauteilen und Baugruppen haben auch im Kontext der Additiven Fertigung die systematische Kombination und Variation von Produktstruktur und Gestalt sowie die Bionik – insbesondere mit ihren Anregungen zum Einsatz innerer Strukturen – eine besondere Bedeutung. Grundsätzlich werden beim Konstruieren Wirkräume, Wirkflächen und Wirkflächenpaare definiert und die Gestaltparameter Topologie, Fläche, Maße, Anzahlen, Oberfläche und Material sowie Toleranzen sukzessive konkretisiert. Hier bietet es sich an Bauteilentwürfe unter dem Aspekt der Additiven Fertigung hinsichtlich Ihrer Gestaltparameter zu überdenken und diese gezielt zu variieren, um zu neuen Konzepten zu gelangen:

46

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

• Die Topologie von Bauteilen kann durch das Vertauschen von Innen und Außen genutzt werden, um Montagen zu reduzieren oder zu vereinfachen. Häufig gezeigte Beispiele sind in diesem Kontext Bauteile, die komplett umdruckt werden, so dass Sie von anderen Teilen umschlossen sind, z. B. Kugeln in Lagern oder Verzahnungen respektive komplette Getriebemodule. • Flächenformen können variiert werden, um Effekte effizienter zu realisieren oder die erzielbare Präzision durch geänderte Prozessketten und ggf. Nachbearbeitungsschritte zu erhöhen. • Maße können variiert werden und insbesondere kann multiskalig (in der Kombination großer und kleiner Strukturen) gedacht werden. • Hochintegrierte Lösungen können insbesondere beim Druck von Kunststoffbauteilen prinzipiell durch die Integration von Filmgelenken, Scharnieren, Haken und Klettverschlüssen realisiert werden und die Anzahl von Bauteilen und Verbindungselementen reduzieren helfen. • Oberflächen können unter tribiologischen Aspekten in ihrer Rauheit definiert werden. • Es stehen zwar nicht alle Materialien für die Additive Fertigung qualifiziert zur Verfügung jedoch können oft Lösungen durch Materialalternativen gefunden werden. • Toleranzen und Toleranzketten müssen je nach Verfahren neu gedacht werden.

4.1.3 Bionik Die Bionik – aber auch Fallbasen bestehend aus digitalen oder physischen Anschauungsobjekten – eignen sich besonders zur Ideenfindung. Durch die Visualisierung und Haptik kann sich der Konstrukteur in kurzer Zeit einen guten Überblick verschaffen, um Anregungen und Ideen für die eigene Aufgabe zu finden. Mit Blick auf die Natur bietet die Additive Fertigung in Kombination mit CAE Werkzeugen gegenüber klassischen Verfahren gute Möglichkeiten, um die Formsprache biologischer Vorbilder zu übernehmen. Schlüssel dabei sind die Technologie der Freiformflächen, der Wechsel zwischen Micro- und Makrostrukturierung sowie innere Strukturen und der Einsatz umfangreicher Simulationen. Daneben können durch das gezielte Einstellen von Oberflächeneigenschaften, insbesondere Rauigkeiten, Effekte aus der Natur – wie Klettwirkung – und gezielte Benetzbarkeit nachgebildet werden. Auch können Materialparameter gezielt variiert werden, um gradierte Materialien und Materialkombinationen im Bauprozess zu erzeugen und so das technische Paradigma des homogenen Materials zu überwinden.

4.1.4 Innere Strukturen Besonderes Augenmerk wird zunächst auf innere Strukturen, wie sie eigentlich überall in der Natur belastungsangepasst zu finden sind, gelegt. Abb. 4.3 zeigt dazu exemplarische Strukturen aus biologischen Vorbildern.

4.1  Ermitteln von Funktionen und Lösungskonzepten

47

Fachwerke

Bienenwabe Schachtelhalm

Knochen Bambus

Spinnennetz

Kieselalge

Abb. 4.3  Strukturen aus Biologie und Technik

Diese werden häufig eingesetzt, um bei wenig belasteten Bauteilen den Baufortschritt im Inneren zu erhöhen und Material einzusparen. Werden Strukturen jedoch auch unter Berücksichtigung von Belastungen ausgewählt, so werden drei Vorgehensweiten unterschieden: • Periodisch – das Befüllen des Bauraums mit Regelstrukturen • Quasi periodisch – das Verwenden von Regelstrukturen mit Variation einzelner Parameter, zum Beispiel der Stegdicke • Zufällig/  Random  – die stochastische Anpassung der Strukturen, z.  B. unter  dem ­Paradigma der konstanten Beanspruchungen im Material mittels Topologie-Optimie­ rungsrechnungen. Beim Einsatz von Regelstrukturen stellt sich die Frage, unter welchen Belastungen welche Strukturen geeignet eingesetzt werden können. Tab.  4.2 zeigt dazu die für eine Vorauswahl geeignete Übersicht. Kritisch beim Einsatz von periodischen Strukturen sind die, je nach Lastfall sehr unterschiedlichen Beanspruchungen im Material, insbesondere in den Übergangsbereichen z. B. zum Vollmaterial. Bedingt kann eine Verbesserung erzielt werden, indem die Stegdicken der Strukturen variiert werden – Quasi periodische Strukturen. Zu beachten ist allerdings, dass Mindeststegdicken realisiert werden müssen und auch im inneren der Strukturen Kerbwirkungen klein gehalten und berücksichtigt werden sollten. Auch muss bei einigen Verfahren dafür Sorge getragen werden, dass z. B. Pulver aus den Kavitäten der Strukturen entfernt werden kann. Weitere, bessere Möglichkeiten zur Anpassung innerer Strukturen an die Belastung ergeben sich durch die stochastische auf Optimierungsrechnungen basierende Auslegung von zufälligen/ Random Strukturen.

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

48

Tab. 4.2  Geeignete Strukturen nach Belastungsart Innere Struktur Vollmaterial

Rang Biegung -

Rang Zug/Druck -

Rang Gewicht -

Hauptanwendung -

Streben

10

11

2

Biegung

Quader

7

5

3

Biegung, Druck

Wabe

4

3

8

Biegung, Druck

Wabe versteift

1

1

11

Biegung, Druck

Fachwerk kfz

11

4

1

Biegung

Fachwerk krz

8

2

3

Biegung, Druck

Bambus

2

6

9

Biegung, Torsion

Spinnennetz

9

7

3

Torsion

Schachtelhalm

5

10

6

Torsion, Biegung

Polygone

6

9

7

Biegung

Kieselalge

3

8

10

Biegung, Torsion

4.1.5 Optimierung Auch beim Konzipieren von Bauteilen und Lösungen im Kontext der Additiven Fertigung kommen mathematische Optimierungen zum Einsatz. Grundsätzlich bieten sich sowohl die Methoden der parameterbasierten Formoptimierung, als auch die Methoden der netzbasierten Formoptimierung und die netzbasierte Topologieoptimierung an (siehe Abb. 4.4). Der Hauptunterschied zwischen den Methoden liegt in den Designvariablen und somit in der Art der Änderung. • Bei der Dimensionierung wird, ohne Änderung der Form, die Größe der vorhandenen Strukturelemente optimiert. Die Designvariablen sind die geometrischen Parameter, hier zum Beispiel die Stegdicken von Regelstrukturen. • Bei der Formoptimierung wird die optimale Form für bereits vorhandene Strukturelemente ermittelt. Bei dieser sogenannten netzbasierten Optimierung sind die Designvariablen die Koordinaten der Netzpunkte. Häufig ergeben sich dabei Freiformgeometrien als optimierte Lösung. • Bei der Topologieoptimierung wird für einen gegebenen Bauraum die optimale Materialverteilung ermittelt. Die Designvariable ist eine Pseudodichte des Materials, wobei

4.1  Ermitteln von Funktionen und Lösungskonzepten

49

Topologieoptimierung:

Formoptimierung:

Dimensionierung:

Abb. 4.4  Arten der Strukturoptimierung nach [Schu05]

in einem ergänzenden Schritt die Bereiche des Materials mit sehr geringer Dichte entfernt werden und so das Bauteil in seiner Topologie und Form definiert wird. Besondere Möglichkeiten bietet die Additive Fertigung wegen des Fertigungsfreiheitsgrades in Bezug auf topologieoptimierte Geometrien. Der üblich verwendete Ansatz ist der „Solid Isotropic Microstructure with Penalization Ansatz“ (SIMP), welcher auf der Homogenisierungsmethode aufgebaut ist [Bend04]. In der SIMP-Methode wird jedem Element i eine Pseudodichte ηi zwischen 0 und 1 zugeordnet. Dadurch wird das Optimierungsproblem durch folgende Zielfunktion und Restriktion beschrieben:

Zielfunktion : max E K Restriktion : ∑ i =1ηi = V N

wobei K die Steifigkeit ist, E ist der Elastizitätsmodul, N ist die Anzahl der Elemente und V das vorgegebene Volumen. Durch einen iterativen Prozess wird die Pseudodichte laut einer Sensibilitätsanalyse verteilt, die den Einfluss einer Änderung der Pseudodichte auf die gesamte Steifigkeit beschreibt. Deswegen ist eine beschreibende Gleichung der Beziehung zwischen Pseudodichte und Elastizitätsmodul nötig. Diese Beschreibung nach SIMP lautet:

Ei = ηip E0

50

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

a)

b)

c)

Abb. 4.5  a) Gestaltungsraum mit Randbedingungen b) Ergebnis der Topologieoptmierung c) Graphisch nachbearbeitetes CAD Modell der finalen Gestalt

Dabei ist p ein „Bestrafungsfaktor“. Durch diese Gleichung kann man für dazwischenliegende Pseudodichten einen Elastizitätsmodulwert berechnen. Die Funktion des Bestrafungsfaktors ist es, die dazwischenliegende Pseudodichte zu vermeiden und die Werte nahe 0 oder 1 zu bringen, da andere Werte keine physikalische Bedeutung haben. Üblicherweise ist p gleich oder größer als 3. In der Regel werden allerdings die, sich aus der Berechnung ergebenden Geometrien, nicht direkt hergestellt. Vielmehr ist eine Aufbereitung der Berechnungsergebnisse notwendig, wie zum Beispiel das Glätten von Flächen und die Realisierung von Mindestwandstärken. Insbesondere ist auch darauf zu achten, dass für die Additive Fertigung ein geschlossenes Volumenmodell vorliegen muss. Abb. 4.5 stellt diesen Prozess für die Optimierung der Befestigungsstruktur von Fahrzeugpedalen dar. Die optimierte Gestalt ist in der Regel kompliziert und kann durch konventionelle Fertigungsverfahren ohne gravierende Vereinfachungen oft nicht gefertigt werden. Durch die Additive Fertigung können deutlich komplizierte Konstruktion realisiert werden. Abb. 4.6 zeigt die, nach oben erläutertem Vorgehen, mittels Selektiven Laserstrahlschmelzen aus Aluminium hergestellte Befestigungsstruktur einer Pedale.

Abb. 4.6  Gedruckte optimierte Befestigungsstruktur für Fahrzeugpedale

4.2  Entwurf und Gestaltungsrichtlinien

51

4.1.6 Gradierte und kombinierte Materialien Durch den voxelweisen Materialauftrag ist es mittels Variation der Maschinenparameter möglich die Materialeigenschaften bei der Additiven Fertigung innerhalb eines Bauteils zu variieren. Hieraus ergeben sich folgende interessante konstruktive Möglichkeiten: • Die Oberflächenqualität der Bauteile kann durch langsamen Auftrag hoch gehalten werden und gleichzeitig kann im inneren des Bauteils ein schneller Baufortschritt durch hohen Leistungseintrag realisiert werden. Bei mechanisch wenig belasteten Bauteilen wird im Inneren teilweise auch auf ein vollständiges aufschmelzen des Materials verzichtet und Materiallagen werden nur partiell „verklebt“. • Wärmeübergänge und Energieabsorption können durch unzureichendes Verschmelzen von Pulver und quasi poröse Strukturen gezielt variiert werden – Übergänge können so kontinuierlich eingestellt werden. • Unterschiedliche Verfestigungen können als Sollbruchstellen genutzt werden. • Dämpfungs- und Schwingungseigenschaften können durch die Kombination verschmolzenen Materials mit nicht verschmolzenem Pulver optimiert werden. • Die Optimierung von Stoff- und Wärmetransport durch strömungsoptimierte Kanäle und mikrostrukturierte Oberflächen ist möglich. Weitergehend ist die gezielte lokale Kombination von Materialien in Bauteilen möglich, wodurch viele technisch relevante Effekte optimiert werden können. Auch wenn sich hierzu viele Überlegungen noch im Forschungsstadium befinden und die benötigten Maschinenkonzepte zumindest für Metalle im Wesentlichen noch Versuchsaufbauten sind, seien im Folgenden einige Beispiele genannt: • Die hochintegrierte Manipulation elektromagnetischer Felder durch Kombination von leitfähigem und nicht leitfähigem Material im Bauteil. • Die Optimierung von Wärmeübertragung und thermischen Spannungen durch gradierte Materialien. Metalle können so zum Beispiel durch Gradierungen an Keramiken, Gläser oder Kristalle adaptiert werden • Mischmaterialien können auch eingesetzt werden, um bauteilspezifisch und lokal chemische Beständigkeit zu erhöhen. • Auch können durch Mischmaterialien gezielt hochintegrierte tribiologische Systeme anwendungsspezifisch erzeugt werden.

4.2

Entwurf und Gestaltungsrichtlinien

Nach einem kurzen Exkurs über das Vorgehen beim Entwerfen, also der Frage womit fange ich beim Entwerfen an, werden wir in diesem Abschnitt auf die Gestaltungsrichtlinien zu sprechen kommen, welche es bei der Ausführung des Entwurfs auch im Kontext der Additiven Fertigung zu berücksichtigen gilt.

52

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

4.2.1 Vorgehen beim Entwerfen Je nach Produkt und Branche kommen erfahrungsgemäß unterschiedliche Entwurfsvorgehensweisen zum Einsatz. Diese sind mächtige Hebel, um zielgerichtet zu einem ­geeigneten Entwurf zu kommen. Einige davon werden im Folgenden mit Bezug zur Additiven Fertigung reflektiert. Von innen nach außen Insbesondere bei der Konstruktion von Maschinen (Verbrennungs- oder Elektromotoren, Turbinen oder Getrieben …) wird häufig von innen nach außen konstruiert. Das heißt es werden den Leistungsumsatz betreffende Größen berechnet und um diese herum wird die Maschine gestaltet. Auch aufwendig zu fertigende Additive Bauteile können hier, im Zentrum der Maschine zum Beispiel beim Kolben eine Verbrennungsmotors, zu Optimierungen führen, die sich dann auf das gesamte System positiv auswirken Dies kann zum Beispiel umgesetzt werden, indem dieses insgesamt kleiner und leichter wird oder eine optimierte Nachhaltigkeitseigenschaften aufweist. Von außen nach innen Abb. 4.7 zeigt eine Leichtbaustruktur aus dem Polymer PLA, die einen möglichen Bauraum voll ausnutzt. Dies hat erhebliche Vorteile in Bezug auf Steifigkeit und Gewicht gegenüber kleineren massiven Strukturen. Hier wurde von außen – Bauraumrestriktionen – nach innen vorgegangen und die notwendigen Wirkflächen wurden in der Struktur günstig platziert. Derartige Entwurfsstrategien findet man auch wenn Packagevorgaben gemacht werden – wie zum Beispiel für Zulieferkomponenten im Automobilbau oder bei Installation von Anlagen in Schränken oder Containereinheiten.

Abb. 4.7 Selbsttragende Karosserie eines gedruckten Modellautos (Fused Layer Modeling (von PLA)

4.2  Entwurf und Gestaltungsrichtlinien

53

Konfiguration aus Baukästen Im Kontext von Baukästen, wie sie zum Beispiel bei Elektrik- oder Klimainstallationen sowie im Anlagenbau eingesetzt werden, entsteht der Entwurf durch das Konfigurieren von standardisierten Bauteilen. Diese werden in der Regel nicht durch additive Fertigung hergestellt. Bedeutung bekommt die Additive Fertigung in diesem Kontext jedoch durch individualisierte Einzelteile, Adapter, Ersatzteile oder auch Reparaturlösungen vor Ort. Entwicklung von Baureihen Wesentlicher Aspekt der Entwicklung von Baureihen ist die Skalierung bei gleichzeitigem Beibehalten von Funktion und Architektur. Durch die digitalen Modelle als Voraussetzung der Additiven Fertigung ist die Möglichkeit der schnellen und durch die Additive Fertigung sehr individuellen Skalierung auch von Urformteilen gegeben. Maximale Funktionsintegration Beim Konzept der einteiligen Maschine gehen wir so vor als könnte alles in einem Prozess gedruckt werden und setzen nur dort Trennungen und Verbindungselemente wo es unbedingt erforderlich ist. In vielen Fällen führt dieses Gedankenmodell zu einer deutlichen Reduzierung von Schnittstellen und Verbindungselementen.

4.2.2 Gestaltungsrichtlinien Die häufig zitierte völlige Freiheit beim Gestalten Additiv zu fertigender Bauteile muss im konkreten Kontext relativiert werden. Im Sinn des Designs für die Additive Fertigung (DFAM) werden deshalb seit etwa 10 Jahren an vielen Stellen Gestaltungsrichtlinien pu­ bliziert, die dem Konstrukteur in erster Linie eine Hilfestellung zur Berücksichtigung der Fertigungsrestriktionen, die es auch bei der Additiven Fertigung gibt, liefern. Dabei handelt es sich um verallgemeinerte Erkenntnisse eben im Sinn von Richtlinien. Neben diesen werden im konkreten Fall aber auch spezifische Restriktionen von Maschine und Material zu berücksichtigen sein. Wir unterscheiden deshalb zwischen Gestaltungsrichtlinien und konkreten Restriktionen auf die wir unter Abschn. 4.3 exemplarisch eingehen werden. Checklisten sind ein einfaches Hilfsmittel, um Erfahrungswissen zu transferieren und eignen sich für alle Phasen des Entwicklungsprozesses. Kumke führt die 10 wichtigsten für die fertigungsgerechte Gestaltung der Additive Fertigung zu berücksichtigenden Aspekte als Checkliste wie folgt aus [Kumk18]: • • • • •

Genauigkeit/Auflösung Stützstrukturen Oberflächenqualität Anisotrope Werkstoffeigenschaften Pulverentfernung aus Hohlräumen/Kanälen

54

• • • • •

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

Maximale Bauteilgröße Minimale Wandstärke Spaltmaße für Gelenke Eingeschränkte Materialauswahl Nachbearbeitungsverfahren in Konstruktion berücksichtigen /(Aufnahme fürs Fräsen)

Abb. 4.8 zeigt die Auswertung einer Literaturstudie zu Quellen von Gestaltungsrichtlinien für pulverbettbasierte Verfahren zur Verarbeitung von Kunststoffen und Metallen. Für das Selektive Laserstrahl Schmelzen (SLM) befindet sich auch im Anhang eine von uns zusammengestellte Auflistung der relevanten Gestaltungsrichtlinien. Versucht man jedoch mit der einen oder anderen Auflistung von Richtlinien zu kon­ struieren, so fällt schnell auf, dass diese durchaus widersprüchlich sind. Der Konstrukteur ist also, wie häufig, mit den Fragen der Zielpriorität und Chronologie der Bearbeitung konfrontiert. Deshalb empfiehlt es sich die Gestaltungsrichtlinien in eine Chronologie hinsichtlich ihrer Abarbeitung und Priorität zu bringen. Dabei nutzen wir hier das Sortieren nach: • • • •

Platzieren des Bauteils Dimensionieren Abstützen Reinigen

Abb. 4.9 zeigt die so sortierten Gestaltungsrichtlinien für das SLM. Die Zahlenwerte sind für eine konkrete Maschine, die EOS M280, validiert, nähern aber auch den heutigen Stand der Technik anderer Serienmaschinen für das SLM an. Das Platzieren des Bauteils beeinflusst den Treppenstufeneffekt aus dem schichtweisen Aufbau, die Anisotropie durch den schichtweisen Aufbau und damit die Belastungsgerechtigkeit, die Maßhaltigkeit, die realisierbare Bauteilgröße sowie ggf. die Knickung bei dünnwandigen Bauteilen. Beim Dimensionieren sind Mindestwandstärken, Mindestbohrungsdurchmesser, Mindestspalte, Neigungswinkel und Ausmaße ebenso zu berücksichtigen wie Querschnittsübergänge und die Formgenauigkeiten zum Beispiel von Rundungen. Für den Postprozess sind Reinigungsöffnungen, Mindestkanaldurchmesser und Übermaße zu berücksichtigen. In Bezug auf Stützstrukturen sind Überhänge, Hohlkreisdurchmesser und ihre Gestaltung sowie Downskin-Winkel zu berücksichtigen. Abb. 4.10 zeigt, dass Gestaltungsregeln auch für die inneren Strukturen von Bauteilen gelten. Hier sind ebenfalls minimale Wandstärken, Überhänge, Downskin-Winkel und minimale Lochgrößen zu berücksichtigen. Besondere Aufmerksamkeit muss aber vor allem bei den pulverbettbasierten Verfahren auf die Möglichkeit gelegt werden Restmaterial aus den Kavitäten der Strukturen entfernen zu können.

Konkrete Werte

Gerber und Barnard (2008)

x

x

x

Hochschule Bremen (2008)

x

x

Metall

x – Erfüllung eines Kriteriums (x) – Teilweise Erfüllung eines Kriteriums

Thomas (2009)

x

x

Beispiele für gute/ schlechte Umsetzung

Maschinenspezifisch

55

Kunststoff

4.3  Konkrete Restriktionen am Beispiel SLM

x

x

(x)

Gresiak et al. (2009)

x

x

Wartzack et al. (2010)

x

x

Wegner und Witt (2012)

x

Vayre et al. (2012) Empa (2012)

(x)

x

Adam und Zimmer (2014)

x

Emmelmann und Kranz (2015)

x

VDI 3405 (2015)

x

Crucible Design (2015)

x

EOS GmbH (2017)

(x)

x

Seepersat et al. (2014)

x (x) (x)

(x)

x

x

x

x (x)

(x)

x

x

x

x x

x

(x)

x

x

x

x

Abb. 4.8  Literaturübersicht von Gestaltungsrichtlinien für die Additive Fertigung

4.3

Konkrete Restriktionen am Beispiel SLM

Je nach Verfahren, Anlagenpark und eingesetztem Material werden, über allgemeine ­Gestaltungsrichtlinien hinaus, immer auch sehr spezifische und konkrete Restriktionen zu berücksichtigen sein, die wir hier am Beispiel des Selektiven Laserstrahlschmelzens erläutern. Zur Reduktion von Eigenspannungen im verschmolzenen Material wird die Bauplattform beim Selektiven Laserstrahlschmelzen meist erhitzt. Hingegen wird der Bauraum in der Regel nicht erwärmt, da die erzielbaren Vorheiztemperaturen keinen signifikanten Einfluss auf die Verarbeitung von Stählen haben. Anders bei der Verarbeitung von Leichtmetallen wie Aluminium. Aufgrund der geringen Schmelztemperatur, können 200–300 °C Bauraumtemperatur schon einen erheblichen Einfluss auf die Bauteilqualität haben. Weiterhin wird der Bauraum mit einem Schutzgas geflutet, um die Oxidation des Metalls zu

56

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

v

1

v

Knickung

Platzieren

z

Bei geringem Upoder Downskin Winkel

Ø

Verzug durch Wärmeeintrag

z

b

Bohrungen

Øz ≥ 0,6 mm

Dimensionieren

z

β

Reinigen Abstützen

A3

Anzahl n

δ

Querschnittsangleichung A1 = A2 = A3

A1

s

Wandstärke

sβ = 90° ≥ 0,6 mm

β a

a

Aufmaß a

z

a ≈ 1 mm

A2

Reinigungsöffnungen

4

z

rLaser ≤ rBauteil

z

3

AbmessungBauteil ≤ AbmessungBauraum

Rundungen in Folge der Abbildungsgenauigkeit

z z

Bauteilgröße

z

Neigungswinkel sβ = 90° ≥ 0,6 mm sβ = 45° ≥ 0,8 mm sβ = 0° ≥ 0,3 mm

Anisotropie in Folge der Schichtstruktur

Spalte

z s

Belastungsgerecht

b ≥ 0,5 mm

z

z

F

Maßhaltigkeit

Treppenstufen z

2

F

Bei dünnen Geometrien parallel zum Beschichter

Kanäle

Wandstärke s ≥ 1 mm

max.

Downskin-Winkel

δkl. ≥ 80°

z

Stützstrukturen

δ ≥ 45°

Kleine Überhänge

Gestaltung von Kreisen

lf

Zugänglichkeit zur Entfernung sicherstellen z

Überhänge lf ≤ 3 mm

z

Abb. 4.9  Chronologie der Gestaltungsrichtlinien für SLM Bauteile

unterbinden. In Abhängigkeit des zu verarbeitenden Pulvers werden hierzu Stickstoff (z. B. bei Stählen) oder Argon (z. B. bei Aluminiumlegierungen) verwendet. Abb.  4.11 zeigt den Vorgang in der Verfestigungszone [Gu12, VDI3405]. Durch schnelle Bewegung des Umlenkspiegels werden der Laserstrahl und so der Energieeintrag in der Ebene gelenkt. Die Geometrie wird durch einzelne Schichten an die Soll-Geometrie des virtuellen Modells approximiert. Bei einer geringen Schichtdicke h ist eine exakte

4.3  Konkrete Restriktionen am Beispiel SLM

57 s δ

lf

δ s

z

β

z

z

Wandstärke:

Downskin: δ > 45°

s ≥ 0,6 mm

b

lf

y

b x

z

z

Überhänge:

Lochgröße:

lf ≤ 3 mm

b ≥ 0,2 mm

Abb. 4.10  Gestaltungsrichtlinien für SLM Bauteile mit inneren Strukturen

z

Atmosphäre

Laserstrahl

x

y

Umlenkspiegel

h

θ2

vs

Aufgeschmolzenes Material

θ1

Pulver Wärmeeinflusszone

Abb. 4.11  Vorgang in der Verfestigungszone beim SLM

­ bbildung möglich. Bei zunehmender Schichtdicke h sinkt die Abbildungsgenauigkeit. A Dieser sogenannte Treppenstufeneffekt ist in Abb.  4.12 dargestellt. Zur Steigerung der Oberflächenqualität eines Bauteils ist eine geringe Schichtdicke h zu wählen. Hingegen führt die Reduzierung der Schichtdicke h zu einer erhöhten Fertigungszeit [Gu12, Brem11, Buch13]. Der Treppenstufeneffekt tritt ausgeprägt bei Oberflächen mit flachem Aufbauwinkel β in Bezug zur Bauplattform auf. Relevante Grenzwerte lassen sich anhand der Downskin-­ Fläche D, der Upskin-Flächen U, dem Downskin-Winkel δ und dem Upskin-Winkel γ definieren. Wie in Abb.  4.13 dargestellt, weist jede Außenfläche einer Geometrie einen Normalenvektor n auf. Hierbei wird unterschieden, ob der Normalenvektor n in positive (Upskin-Flächen U) oder in negative z-Richtung (Downskin-Flächen D) zeigt. Verläuft der

58

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

IstGeometrie

β2

SollGeometrie

h

z

h = 0,6

h = 1,0

β1

Abb. 4.12  Zusammenhang zwischen Treppenstufeneffekt und Schichtdicke

D

z

δ

Bezeichnung

Beschreibung

Downskin-Fläche D

(Teil-) Fläche, deren Normalvektor Baurichtung z negativ ist.

U

γ

in Bezug auf die

Winkel zwischen der Bauplattform und einer DownskinDownskin-Winkel δ Fläche, der Werte zwischen 0° (parallel zur Bauplattform) und 90° (senkrecht zur Bauplattform) annehmen kann. Upskin-Fläche U

(Teil-) Fläche, deren Normalvektor Baurichtung z positiv ist.

Upskin-Winkel γ

Winkel zwischen der Bauplattform und einer UpskinFläche, der Werte zwischen 0° (parallel zur Bauplattform) und 90° (senkrecht zur Bauplattform) annehmen kann.

Abb. 4.13  Up- und Downskin-Flächen und Winkel nach [VDI3405]

in Bezug auf die

4.3  Konkrete Restriktionen am Beispiel SLM

59

Normalenvektor n parallel zur Bauplattform, steht die Bezugsfläche im rechten Winkel. Die Oberflächenrauheit einer Downskin-Fläche D bzw. einer Upskin-Fläche U steigt bei abnehmendem Downskin-Winkel δ bzw. Upskin-Winkel γ. Zur Verbesserung der Oberflächenqualität ist somit bei der Bauteilplatzierung darauf zu achten, dass relevante Oberflächen mit einem Down- bzw. Upskin-Winkel δ ∩ γ = 0° ∩ 90° zur Bauplattform vorgesehen werden [Atze12, Buch13]. Stützstrukturen dienen zur Abstützung von Geometrien während des Bauprozesses. Der Verzicht auf Stützstrukturen kann zu Fehlstellen infolge einer Höhendifferenzen Δz führen, welche auf die gesteigerte Dichte des aufgeschmolzenen Materials im Vergleich zum darunterliegenden Pulver zurückzuführen ist, siehe Abb. 4.14. Die Notwendigkeit für Stützstrukturen ist durch den Downskin-Winkel δ definiert. Unterschreitet dieser einen verfahrensspezifischen Grenzwert, ist eine Stützstruktur notwendig. Wie in Abb. 4.14 dargestellt wird zwischen Überhängen, Ceilings und Inseln für die geometrische Notwendigkeit von Stützstrukturen unterschieden [Buch13, Shah13]. Eine Ausnahme bilden ggf. kleine Überhänge, welche ohne entsprechende Maßnahmen erzeugt werden können. Ceilings beschreiben einen Überhang, der zu beiden Seiten mit einer Geometrie verbunden ist. Generell muss dabei der überstehende Bereich mit einer Stützstruktur versehen werden. Auch hier stellen kleine Überhänge die Ausnahme dar. Der dritte und gleichfalls kritischste Fall sind Inseln. Im Gegensatz zu Überhängen und Ceilings sind diese in der aktuellen Schicht nicht mit weiteren Geometrien verbunden. Ein Absinken der Geometrien in negative z-Richtung kann nur durch Stützstrukturen vorgebeugt werden [Emme14, Krut98]. Weiterhin dienen Stützstrukturen beim Selektiven Laserstrahlschmelzen als stoffschlüssige Verbindung zur Bauplattform, damit die Position des generierten Bauteils im Bauraum nicht durch den Beschichter beeinflusst wird [ASTM52910].

Kritischer Bereich

Ist Soll Δz

Pulver

Bauteil

z

Bauteil Stützstruktur 1. Überhänge

Abb. 4.14  Stützstrukturen bei Überhängen, Ceilings und Inseln

2. Ceilings

3. Inseln

60

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

Neben den geometrischen Notwendigkeiten werden Stützstrukturen zur Wärmeleitung eingesetzt. Besonders in Bauteilbereichen mit hohem Materialvolumen besteht eine erhöhte Neigung zur Spannungsinduktion durch den lokalen Wärmeeintrag. Da die Wärme im Bauteil nicht über das angrenzende Pulverbett abgeführt werden kann, entsteht Bauteilverzug [Buch13, Mich14]. Auch können Stützstrukturen besonders bei sehr filigranen Bauteilen für die spanende Nachbearbeitung notwendig sein, um z. B. ein Aufschwingen des Bauteils im Fräsprozess zu vermeiden und werden dann erst ganz am Ende der Nachbearbeitung entfernt. Beim Selektiven Laserstrahlschmelzen werden die aufgeschmolzenen Materialbahnen neben- und übereinander positioniert, siehe Abb. 4.15. Ziel ist die Erzeugung homogener Materialvolumina, sodass die Schichtstruktur einen möglichst geringen Einfluss auf die Bauteileigenschaften hat [Thij10]. Werden die Bahnen im späteren Bauteil in z-Richtung belastet, ist die Adhäsion in diesen Bereichen von besonderer Relevanz. Eine zu geringe Haftung führt zum Bauteilversagen. Für den Kraftfluss besser geeignet ist es, wenn der Kraftvektor in x- oder y-Richtung angreift. Dabei wird das Material entlang einer aufgetragenen Schicht beansprucht, sodass die Kohäsion des Materials den ausschlaggebenden Faktor darstellt [Sehr09]. Zur Vermeidung von frühzeitigem Bauteilversagen sind die anisotropen Materialeigenschaften bei der Auslegung eines Bauteils zu berücksichtigen [Nien13]. Wie in Abb. 4.15 dargestellt, bewirkt der Laserstrahl eine Temperaturdifferent ΔT zum Aufschmelzen des Materials im Pulverbett. Entsprechend Gleichung 4.1 ergibt sich die Temperaturdifferenz, welche durch die Laserleistung und die Scangeschwindigkeit eingestellt werden kann, aus der Schmelztemperatur des Materials und der Bauraumtemperatur [Robe09]. ∆T = TS − TBauraum (4.1) Weiterhin resultiert eine Wärmeeinflusszone durch den Wärmeeintrag im Laserfokus, sodass das angrenzende Materialpulver thermisch belastet wird. Dadurch kann der aufgeschmolzene Bereich vom Laserdurchmesser abweichen [Krut07], wodurch eine Geometrieabweichung ØIst > ØLaser aufgrund der partiell aufgeschmolzenen Pulverkörner entsteht, siehe Abb. 4.16. Ein Voxel weicht demzufolge vom theoretischen Wert ab. Die Geometrieabweichung wirkt sich entsprechend auf einen Pfad aus, sodass letztendlich

Laserstrahl

vs

ΔT

z x

Abb. 4.15  Vorgang des Schichtaufbaus und resultierende Materialstruktur

y

4.3  Konkrete Restriktionen am Beispiel SLM

a

ØIst

61

b

ØLaser

y z

c x

Laserfokus

Pulverkorn

Abb. 4.16  Wärmeeinflusszone des Schmelzbades

die Ist-Geometrie des Bauteils von der Soll-Geometrie abweicht. Die Zielsetzung liegt in der Angleichung der Durchmesser ØLaser ≙ ØIst, indem die Größe der Pulverkörner verringert wird. Die Optimierung der Korngrößen ist jedoch durch die Rieselfähigkeit des Materials sowie durch das Herstellungsverfahren des Pulvers physikalisch limitiert [Gath16]. Die geometrische Abweichung ist in den Up- und Downskin-Flächen in Form einer erhöhten Oberflächenrauheit zu erkennen. Eine Verbesserung der Bauteiloberflächen wird durch die Belichtungsstrategie ermöglicht. Wie in Abb. 4.17 dargestellt, können die Upund Downskin-Flächen mit ggf mit spezifischen Parametern versehen werden.

y z x

z

x

Soll-Kontur

Ist-Kontur

Konturlinie mit Offset

y

Δ

Downskin Upskin Core

ψ Überlapp

Laserstrahl

Überlapp

Upskin

Core

hs

Core h

Downskin

ØIst

HatchLinien

ØLaser

hs - Hatch-Abstand ψ - Fehler

Abb. 4.17  Geometrische Abweichungen im In-Prozess

Δ - Offset

62

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion Dünnwandige Geometrien

Ecken Ausgelassener Bereich

s1

Ausgelassener Steg

Øist > s1

Hatch-Linie

Laserstrahl

y z

Zu breiter Steg x

Abb. 4.18  Umsetzungsfehler durch den Laserstrahl

Weiterhin zeigt Abb. 4.17 den notwendigen Überlapp zur stoffschlüssigen Verbindung der Materialbahnen, die Abweichungen der Belichtungsstrategie zur Ist-Kontur sowie den notwendigen Offset der Konturlinie [Manf14]. Neben den geometrischen Abweichungen existieren Umsetzungsfehler beim Selektiven Laserstrahlschmelzen, die nicht durch die Belichtungsstrategie beeinflusst werden können. Wie in Abb. 4.18 dargestellt, kann besonders die Fertigung von Ecken sowie von dünnwandigen Geometrien kritisch sein. Durch die Form des Laserstrahls können spitze Winkel in einer Ebene nicht abgebildet werden. Demzufolge entstehen ausgelassene Bereiche, die in einer geometrischen Abweichung resultieren [Kadd10]. Ist eine Wandstärke s kleiner als der Laserdurchmesser ØIst kann dieser Bereich nicht belichtet werden. Alternativ kann der Laser den Steg entsprechend des tatsächlichen Laserdurchmessers ØIst aufschmelzen. Das Ergebnis ist ein zu breiter Steg, der die minimal herstellbare Stegdicke in z-Richtung definiert wobei dann, bei so dünnen Stegen, auch die Wechselwirkungen mit der Streuung der Pulverkörnung die Qualität massiv beeinflussen [Kadd10].

4.4

Lessons Learned

Die im Folgenden dargestellten Lessons Learned geben einen Einblick auf unsere Erfahrungen im Umgang mit 20 Additiven Fertigungsanlagen unterschiedlicher Technologie der letzten acht Jahre. Die Erfahrungen lassen sich den Bereichen Material, Maschine und Mensch zuordnen. Wir bringen diese Lessons Learned hier als Heuristiken, da sie bereits während der Entwicklung eines Projektes berücksichtigt werden sollten, um Fehler und ökonomische Fehleinschätzungen zu vermeiden.

4.4  Lessons Learned

63

4.4.1 Mensch • Die falsche Festlegung der Auflösung eines Modells führt zu Mehraufwand oder unbrauchbaren Teilen, wobei zu feine Auflösungen zu hohen Fertigungszeiten und Kosten sowie zu grobe Auflösungen zu einer schlechten Bauteilqualität führen. Häufig tendieren Entwickler zu übertrieben feinen Auflösungen. • Die falsche Orientierung von Bauteilen im Bauraum oder das Missachten der Symmetrie von Bauteilen, um Verzug zu vermeiden führt zu schlechter Qualität oder erhöhtem Nachbearbeitungsaufwand. • Falsch skalierte Modelle führen zum Beispiel durch die Festlegung falscher Einheiten beim Dateiexport zu falschen Baujobs und unbrauchbaren Teilen. • Es sollten nicht immer die beste/teuerste Maschine und der teuerste Prozess verwendet werden, sondern nur so genau wie nötig gefertigt werden. • Die Berücksichtigung von Emissionen und Feinstäuben sowie Sicherheitseinweisungen machen Schulungen notwendig. Es werden erfahrene Bediener benötigt. • Unkontrolliertes ändern der Umgebungsbedingungen, zum Beispiel Belüftung kann zu Qualitätsproblemen führen. • Vermischen von Pulvermaterialien sind unbedingt zu vermeiden – Stäube die in andere Materialien gelangen verderben die Qualität und können eventuell sogar zu Bränden führen. • Der Mangel an qualifiziertem Wartungspersonal bei Maschinenherstellern aufgrund großen Marktwachstums führt oft zu Problemen mit der Zuverlässigkeit der Maschinen und hohen Wartungskosten. • Der Nachbearbeitungsaufwand wird häufig unterschätzt. • Auch durch unsachgemäßes Nachbearbeiten können eigentlich gut gefertigte Teile noch zu Ausschuss werden.

4.4.2 Maschine • Wartungen sind notwendig. Garantie und Wartungssicherheit/Ersatzteilversorgung sind aufgrund des dynamischen Herstellermarktes allerdings nicht immer gegeben. • Die Reinigung und das Umrüsten der Maschinen insbesondere auf andere Materialien sind insbesondere bei pulver- und flüssigkeitsbasierten Verfahren teilweise sehr aufwendig und teuer. • Die Verschmutzung optischer Komponenten und das Verstellen der Maschine müssen beobachtet und korrigiert werden. • Druckköpfe zur Verarbeitung von UV aushärtenden Materialien und Klebern neigen zum Zusetzen und können dann zum Teil nur noch teuer ersetzt werden. Vorgeschriebene Reinigungsprozeduren nach einem Baujob sind notwendig auszuführen. • Einige „Drucker“ entsprechen in Bezug auf Lebensdauer sowie Services und Zuverlässigkeit insbesondere bei Consumerelektronik-Produkten nicht unseren Vorstellungen von Werkzeugmaschinen.

64

4  Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion

4.4.3 Material • Der Feuchtigkeitsgehalt bei Kunststoffen, insbesondere bei Pulvermaterialien, muss kontrolliert werden und kann gegebenenfalls durch kontrolliertes Erwärmen und Lüften reduziert werden. • Der Oxidgehalt/Oxidationsgrad metallischer Ausgangsmaterialien muss kontrolliert werden. • Die Qualität der Ausgangsmaterialien, wie z. B. konstante Filament-Querschnitte beim FLM oder Körnung bei Pulverbettverfahren hat einen maßgebenden Einfluss auf die Prozessstabilität. • Die Materialumstellung kann, auch bei vermeintlich gleichem Material, eine erhebliche Auswirkung auf den Prozess haben – z. B. bei der Verarbeitung von Pulverpartikeln unterschiedlicher Körnung. • Die Wahl des Schutzgases und seine Menge beim Selektiven Laserstrahlschmelzen beeinflusst die Bauteilqualität. • Die Führung/Strömung des Schutzgases im Bauraum führt zu lokalen Qualitätsunterschieden. • Mit dem Schutzgas werden auch Partikel ggf. sogar in den Schutzgaskreislauf der Maschine befördert. • In der Stereolitographie sowie im PolyJet Modelling muss ungewolltes Aushärten des Polymerharzes durch UV-Einstrahlung vermieden werden, da die Maschine ggf. verklebt werden kann und folglich nicht mehr einsetzbar ist. • Maschinenspezifische Materialien können ein Branding enthalten, welches die Verwendung nach Ablauf eines Verfallsdatums einschränkt. • Einige Maschinen können aufgrund von Verpackungsspezifika überhaupt nur mit extra teurem Material des Maschinenherstellers betrieben werden.

Literatur [ASTM52910] Standard Guidelines for Design for Additive Manufacturing, American Society for Testing and Materials (ASTM), ISO / ASTM52910 – 17; 2016; DOI: 10.1520/ISOASTM52910-­17 [Atze12] Atzeni, E. und Salmi, A.: Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts; The International Journal of Advanced Manufacturing Technology; Vol. 62, Issue 9–12; S. 1147 – 1155; 2012; ISSN: 0268-3768 [Bend04] Bendsoe, M. P.; Sigmund, O.: Topology Optimization: Theory, Methods, and Applications, Springer Vieweg Verlag, Deutschland Berlin Heidelberg, 2004, ISBN: 978-3-540-42992-0 [Brem11] Bremen, S.; Buchbinder, D.; Meiners, W. und Wissenbach, K.: Mit Selective Laser Melting auf dem Weg zur Serienproduktion? Steigerung der Aufbaurate durch Einsatz höherer Laserleistungen; Laser Technik Journal; Vol. 8, Issue 6; S. 24 – 28; 2011; ISSN: 1863-9119 [Buch13] Buchbinder, D. und Poprawe, R.: Selekctive Laser Melting von Aluminiumgusslegierungen; Shaker-Verlag Aachen, 2013; ISBN: 978-3-8440-2439-5

Literatur [Emme14] [Gath16]

[Gu12]

[Kadd10]

[Kumk18] [Krut98] [Krut07]

[Manf14]

[Mich14]

[Nien13]

[Robe09]

[Schu05] [Sehr09]

[Shah13]

[Thij10]

[VDI3405]

65 Emmelmann, C. und Kranz, J.: Grundlegende Gestaltungsrichtlinien für die laseradditive Fertigung; AM Design & Engineering Symposium; Deutschland Frankfurt; 2014 Gath, C.; Wudy, K. und Drummer, D. (2016): Thermisches und optisches Verhalten LDS-funktionalisierter Pulver für das Selektive Lasersintern; Proceedings of the 13th Rapid.Tech International Trade Show & Conference for Additive Manufacturing (Rapid.Tech); Deutschland Erfurt; 2016; ISBN: 978-3-446-45017-2 Gu, D.D.; Meiners, W.; Wissenbach, K. und Poprawe, R.: Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms; International Materials Reviews; Volume 57; Issue 3; S. 133 – 164; 2012; ISSN: 0950-6608 Kaddar, W.: Die generative Fertigung mittels Laser-Sintern: Scanstrategien, Einflüsse verschiedener Prozessparameter auf die mechanischen und Thermoplasten und deren Nachbearbeitungsmöglichkeiten optischen Eigenschaften beim LS von Thermoplasten und deren Nachbearbeitungsmöglichkeiten; Dissertation; Deutschland Duisburg Essen; 2010 Kumke, M.: Methodisches Konstruieren von additiv gefertigten Bauteilen, Springer Verlag, Deutschland Wiesbaden, 2018, ISBN: 978-3-658-22208-6 Kruth, J.-P.; Leu, M.C. und Nakagawa, T.: Progress in Additive Manufacturing and Rapid Prototyping; CIRP Annals; Vol. 47, Issue 2, 1998, S. 525 – 540; ISSN: 0007-8506 Kruth, J.-P., Mercelis, P., Van Vaerenbergh, J., und Craeghs, T.: Feedback control of selective laser melting; Proceedings of the 3rd international conference on advanced research in virtual and rapid prototyping; S.  521  – 527; 2007; ISBN: 978-0-415-41602-3 Manfredi, D.; Calignano, F.; Krishnan, M.; Canali, R.; Ambrosio, E. P.; Biamino, S.; Ugues, D.; Pavese, M. und Fino, P.: Additive Manufacturing of Al Alloys and Aluminium Matrix Composites (AMCs); Monteiro, W. A.: Light Metal Alloys Applications; 2014; ISBN: 978-9-535-11588-5 Michaleris, P.: Modeling metal deposition in heat transfer analyses of additive manufacturing processes; Finite Elements in Analysis and Design; Volume 86; S. 51 – 60; 2014; ISSN: 0168-874X Niendorf, T.; Leuders, S.; Riemer, A.; Richard, H.A.; Tröster, T. und Schwarze, D.: Highly Anisotropic Steel Processed by Selective Laser Melting; Metallurgical and Materials Transactions B; Vol. 44, Issue 4; S. 794 – 796; 2013; ISSN: 1073-5615 Roberts, I.A.; Wang, C.J., Esterlein, R.; Stanford, M. und Mynors, D.J.: A three-­ dimensional finite element analysis of the temperature field during laser melting of metal powders in additive layer manufacturing; International Journal of Machine Tools and Manufacture; Vol. 49, Issues 12–13; S. 916 – 923; 2009 Schuhmacher, A.: Optimierung mechanischer Strukturen – Grundlagen und industrielle Anwendungen; Springer Verlag; Deutschland Berlin; 2005; ISBN: 978-3-540-21887-6 Sehrt, J. und Witt, G.: Auswirkung des anisotropen Gefüges strahlgeschmolzener Bauteile auf mechanische Eigenschaftswerte; RTejournal – Forum für Rapid Technologie, Vol. 6.; www.rtejournal.de/ausgabe6/2152; 2009; Zugriff: 20. April 2017 Shahzad, K.; Deckers, J.; Kruth, J.-P. und Vleugels; J.: Additive manufacturing of alumina parts by indirect selective laser sintering and post processing; Journal of Materials Processing Technology; Vol. 213, Issue 9; S. 1484 – 1494; 2013; ISSN: 0924-0136 Thijs, L.; Verhaeghe, F.; Craeghs, T.; Van Humbeeck, J. und Kruth, J.-P.: A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti–6Al–4V; Acta Materialia; Vol. 58, Issue 9; S. 3303 – 3312; 2010; ISSN: 1359-6454 VDI Gesellschaft Produktion und Logistik  – VDI 3405: Additive Fertigungsverfahren – Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibungen; VDI Handbuch; Beuth Verlag; Deutschland Berlin; 2014

5

Projektbeispiele

In den vergangenen acht Jahren haben wir mehr als 30 Projekte zur Konstruktion für die Additive Fertigung durchgeführt. Es zeigt sich, dass neben den klassischen Entwurfsmethoden vor allem die in Kap. 3 und 4 vertieften Methoden der Potenzialfindung und Spezifikation für die Additive Fertigung also die Variation von Produktstruktur und Gestalt, die Bionik und die Gestaltoptimierung – wesentlich für die Lösungsfindung sind. Gestaltungsrichtlinien und konkrete Restriktionen können Datenblättern und Katalogen entnommen werden und unterstützen die fokussierte Umsetzung ebenso wie Lessons Learned. Jede Entwicklung findet dabei in einem spezifischen Kontext statt. Die Definition der mit der Additiven Fertigung verbundenen Zielsetzung ist entscheidend für den erfolgreichen Entwurf. Der Konstruktionsprozess folgt dabei der allgemein in der VDI2221 beschriebenen Logik. Die Ausprägung ist jedoch stark abhängig vom jeweiligen Gestaltungsziel und den zu handhabenden physikalischen Zusammenhängen. Analogien aus der folgenden Fallbasis können helfen für die eigenen Herausforderungen einen Lösungsweg zu entwickeln. In der Fallbasis werden für zehn der oben beschriebenen elf Gestaltungsziele jeweils Beispiele vorgestellt. Bezogen auf das elfte Ziel – Zeitersparnis – wird auf Rapid Prototyping später gesondert eingegangen. Folgenden Aspekte werden für jedes Beispiel diskutiert: • Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material • Methodeneinsatz und Prozess • Bewertung der Ergebnisse

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_5

67

68

5 Projektbeispiele

Geringer Erfüllungsgrad Hoher Erfüllungsgrad Materialersparnis bei Hoher Zerspanrate Funktionsintegration Gewichtsreduktion durch Dünnwandigkeit Kraftflussangepasste Geometrien Integrierte Strömungskanäle Mass Customization Design Net-Shape Geometrien

Abb. 5.1  Evaluierung der Gestaltungsziele an realisierten Bauteilen

Abb.  5.1 zeigt eine Übersicht der Gestaltungsziele für acht konkrete Bauteile. Dunkel gefüllte Punkte zeigen einen hohen Erfüllungsgrad, helle Punkte weisen auf fehlende Korrelation hin.  Dabei ist jedes Beispiel nach einem Gestaltungsziel überwiegend ausgelegt.  Es wird deutlich, dass neben dem primär verfolgten Ziel häufig auch andere Aspekte durch die Gestaltung für die Additive Fertigung positiv beeinflusst werden. Man kann mit Bezug zu Kap.  3 sagen, dass auch gemischte Zielfunktionen durchaus nützlich verfolgt werden.

5.1

Gewichtsreduzierter Radträger für einen Rennwagen

5.1.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material Bei dem Radträger für einen Formular Student Rennwagen handelt es sich um ein dynamisch hoch belastetes Strukturbauteil, welches aufgrund der Schwingungsanregungen im Betrieb möglichst leicht ausgeführt werden soll, damit auf die umgebende Radaufhängung ebenfalls kleine Reaktionskräfte ausgeübt werden können (siehe Abb. 5.2). Klassische Lösungen bestehen in gefrästen oder mit verlorener Form gegossenen Bauteilen. Vor dem Hintergrund kleiner Stückzahl ( 45°

2

Überhänge: lf ≤ 3 mm

3

Aufmaß f. Spanen: a ≥ 1,5 mm

4

Lochgröße: d ≥ 0,8 mm

5

Tesselierungsfehler: h = 0,01 mm

3

6

Hohlräume: Reinigungslöcher

1

7

Wandstärke: s ≥ 0,6 mm

2

7 6

7 1 4

Abb. 5.18  Gestaltungsrichtlinien für eine SLM gefertigte Fahrradtretkurbel

Kraftflussanpassung den Materialeinsatz und das Gewicht des Klinkenhebers zu reduzieren. Vor dem Hintergrund kleiner Stückzahl, der deutlichen Reduzierung der spanenden Bearbeitung, besseren Gestaltungsmöglichkeiten und vor dem Hintergrund optimierter Kraftflüsse kommt für den Klinkenheber das selektive Laserstrahlschmelzen  von Stahl (MS1 bzw. 1.2709) zum Einsatz. Die daraus resultierenden konkreten Restriktionen und Gestaltungsrichtlinien ergeben sich aus dem Material und der Maschine. Die relevanten Wirkflächen des Bauteils werden mechanische nachbearbeitet und die Teile spannungsarmgeglüht. Das Ausgangsmodell des Klinkenhebers ist in Abb.  5.19 dargestellt. Die Masse des Ausgangsmodells beträgt m0 = 1,187 kg. Der Klinkenheber erreicht seine maximale Auslenkung, wenn er um α = 83° rotiert (siehe Abb. 5.19). Ein Lastspiel ist definiert als die Rotation des Klinkenhebers, von seiner Ausgangsposition in Position maximaler Auslenkung und wieder zurück in seine Ausgangsposition. Weiterhin ist eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren bei einer Nutzungszeit von 24 h/Tag und 300 Tagen/Jahr gefordert. Die Kraft F1 bewirkt 4,32 · 107 und die Kraft F2 entsprechend 4,32 · 106 Lastspiele. Daraus folgt, dass der Klinkenheber dauerfest ausgelegt werden muss.

5.4.2 Methodeneinsatz und Prozess Zunächst werden die relevanten Wirkflächen identifiziert (siehe Abb. 5.20). Die Wirkflächen ergeben sich aus der Analyse der Einbausituation des Klinkenhebers. Aus den Wirkflächen und Bauraumrestriktionen wird ein Gestaltungsraum zur Topologieoptimierung abgeleitet (siehe Abb. 5.20). Für die Topologieoptimierung werden im ersten Schritt die Materialparameter definiert. Anschließend wird das Modell in ANSYS eingeladen und vernetzt. Darauf aufbauend wird ein Setup für die statisch mechanische Analyse durchgeführt. Das Festlager ist an der Stelle D in Abb.  5.20 vorgesehen. Das Ergebnis der Simulation ist ebenfalls in Abb. 5.21 dargestellt. Die konvergierende Lösung wurde nach 34 Iterationen gefunden. Für die Modellaufbereitung und die Neukonstruktion des Klinkenhebers wird dieses Modell als Ausgangsbasis gewählt.

82

5 Projektbeispiele

Abb. 5.19 Klinkenheber a) Zusammenbau b) Einzelteil

Abb. 5.20  Wirkflächen und Gestaltungsraum des Klinkenhebers

Der optimierte Klinkenheber ist in Abb. 5.22 dargestellt. Seine Masse beträgt m1 = 489 g und er ist damit 59 % leichter als das Ausgangsmodell. Die Form des Klinkenhebers ergibt sich aus den Bauraumrestriktionen. Da an der Kontaktfläche keine Kräfte auftreten, kann diese Fläche mit schmalen Streben mit dem Grundkörper des Klinkenhebers verbunden werden. Ebenfalls sind die Verbindungsstreben zwischen den Lagern, an denen die Kräfte F1 angreifen durch Bauraumrestriktionen entstanden. Die Lager weisen ausreichend Abstand zum Klinkenheber auf. Die Platten, die mit den Umlenkrollen in Kontakt stehen, weisen keine Kollisionen mit dem Klinkenheber auf.

5.4  Kraftflussanpassung für einen Klinkenheber

83

Abb. 5.21  Randbedingungen und Optimierungsergebnisse

Abb. 5.22  Optimierter Klinkenheber mit Lagern

In Abb. 5.23 ist das Simulationsergebnis für die statisch-mechanische Analyse dargestellt. Die Maximalspannung nach von Mises liegt bei ~101 MPa und bleibt damit deutlich unter der Streckgrenze von 850  MPa. Der statische Festigkeitsnachweis wurde damit erbracht. Die dynamische Simulation erfolgt durch die transiente Strukturmechanik. Die Ergebnisse aus der dynamischen Simulation sind in Abb. 5.24 dargestellt. Die maximale Spannung (Von Mises) liegt bei 106 MPa. Somit ist auch hier der Dauerfestigkeitsnachweise erbracht.

84

5 Projektbeispiele

Abb. 5.23  Simulationsergebnis – von Mises Vergleichsspannungen

Abb. 5.24  Ergebnisse der dynamischen Simulation

5.4.3 Bewertung der Ergebnisse In diesem Projekt wurde die Bauteilmasse eines Klinkenhebers von m0  =  1,187  kg auf m1 = 0,489 kg reduziert. Dies entspricht einer Gewichtsreduzierung von 59 %. Dazu wurde das Bauteil für die Additive Fertigung ausgelegt. Es wurden die Bauteilbelastung sowie die Lagerungen definiert. Anschließend wurde eine Topologieoptimierung durchgeführt. Diese Rohdaten wurden unter Berücksichtigung von Gestaltungsregeln aufbereitet und ein optimierter Klinkenheber konstruiert. Als Festigkeitsnachweis wurden statische und dynamische Simulationen mit ANSYS Workbench durchgeführt. Es liegt ein Sicherheitsfaktor unter statischer Belastung von s = 8,4 und unter dynamischer Belastung von s = 1,6 vor. Die maximale Dehnung von unter 0,1 % steht für eine hohe Steifigkeit.

5.4  Kraftflussanpassung für einen Klinkenheber

85

Beim Klinkenheber stellen die Bohrungen mit dem Durchmesser Ø2 und Ø3 und die Sensorfläche die Funktionsflächen dar. Die Bohrungen werden präzise gefertigt, wenn der Klinkenheber im Bauraum so positioniert wird, dass die Bohrungen parallel zur Bauplattform (x-, y-Ebene) liegen (siehe Abb. 5.25). Stützstrukturen werden an den Bereichen verwendet, an denen Überhänge entstehen. Zusätzlich dienen die Stützstrukturen zur Wärmeleitung, sodass die Wärme im Bauprozess abgeleitet. Insbesondere bei Materialien mit hoher Schmelztemperatur ist eine Verformung infolge des Wärmeeintrags zu achten. Durch eine optische Vermesserung der Bauteile kann gezeigt werden, dass kein Wärmeverzug bei den Bauteilen aufgetreten ist. Bei der Nachbearbeitung werden die Bohrungen des Klinkenhebers aufgebohrt. Anschließend werden die Bohrungen auf Toleranz gerieben und M5 Gewinde geschnitten. Der Finale Klinkenheber ist in Abb. 5.26 dargestellt.

Abb. 5.25  Positionierung des Klinkenhebers a) CAD Modell b) Magics Screenshot

Abb. 5.26  Fertiges Bauteil – Klinkenheber

86

5.5

5 Projektbeispiele

Integrierte Strömungskanäle für ein Ventil

5.5.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material Ventilblöcke werden durch Gießen oder Fräsen aus dem Vollen hergestellt. Ansatz hier ist das Einsparen der Gusswerkzeuge und die Form der Kanäle zu optimieren, die sonst nur aufwendig durch spanende Bearbeitung und ggf. anschließendes Verschließen hergestellt werden können. Weiterhin ist das Ziel, die Funktion eines Schalldämpfers zu integrieren. Daraus leiten sich die Anforderungen ab, dass Aluminium im Selektiven Laserstrahlschmelzen verarbeitet werden soll sowie dass das Bauteil sandgestrahlt, spanend sowie thermisch nachbehandelt werden muss. Das konventionelle Bauteil, welches in Abb. 5.27 dargestellt ist, wird bislang spanend auf einer 5-Achs-CNC Maschine aus Vollmaterial hergestellt. Dabei werden je nach Kundenanforderung unterschiedliche Losgrößen benötigt, sodass flexible Fertigungsprozesse obligatorisch sind. Neben einem hohen Materialabtrag entsteht die Herausforderung, innere Kanäle mit hoher Präzision herzustellen. Zur Realisierung der Kanäle sind teilweise Zugangsbohrungen notwendig, welche in manuellen Prozessen nachträglich verschlossen und abgedichtet werden müssen. Vor diesem Hintergrund wird die Reduzierung der Masse bei Erfüllung der funktionalen Anforderungen angestrebt, welche sich insbesondere aus dem Innendruck der Kanäle ergibt. Somit ist die Zielsetzung, strömungsoptimierte Kanäle umzusetzen und diese im Selektiven Laserstrahlschmelzen endkonturnah herzustellen. Zur konstruktiven Anpassung wird das Gehäuse auf die relevanten Wirkflächen abstrahiert. Es ist erkennbar, dass die Kanäle aufgrund der Restriktionen des Fräsprozesses rechtwinklig verlaufen und demnach nur partiell an die Strömung angepasst sind. Weiterhin ist erkennbar, dass einige Bohrungen lediglich zur Realisierung von Kanälen notwendig sind, welche durch das Einpressen von Kugeln nachträglich verschlossen werden (Abb. 5.28).

5.5.2 Methodeneinsatz und Prozess Zur Optimierung des Modells für das selektive Laserstrahlschmelzen werden die Wirkflächen entsprechend Abb. 5.28 angepasst. Ausgehend von den Bauteilfunktionen werden die Kanäle dahingehend ausgelegt, dass eine optimale Strömung ohne Turbulenzen realisiert werden kann. Neben der Erfüllung der funktionalen Anforderungen wird eine fertigungsgerechte Gestalt adressiert. Folglich werden nach der Festlegung der Bauteilplatzierung Maßnahmen zur Vermeidung von Stützstrukturen getroffen, um den Nachbearbeitungsaufwand zu reduzieren. Hierbei ist insbesondere die Vermeidung von Stützstrukturen in den Kanälen relevant, da aufgrund des strömungsoptimierten Verlaufs eine nachträgliche mechanische Bearbeitung ausgeschlossen ist.

5.5  Integrierte Strömungskanäle für ein Ventil

87

Abb. 5.27 Konventionell gefertigtes Gehäuse eines Sicherheitsventils

Abb. 5.28  Wirkflächen des Gehäuses a) Ausgangsmodell b) Optimierung

Basierend auf den optimierten Wirkflächen wird ein Volumenmodell aufgebaut, indem den Flächen eine definierte Wandstärke zugewiesen wird. Im Vergleich zur Konstruktion des zugrundliegenden Frästeils werden die Wirkräume somit auf Basis der Endkonturen modelliert und nicht etwa ausgehend von einem Halbzeug. Zur Herstellbarkeit des Modells wird weiterhin eine Bodenplatte ergänzt sowie Rippen mit 45°-Schrägen zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit modelliert. Entsprechend der diskutierten Gestaltungsmaßnahmen entsteht ein Volumenmodell mit einem Minimum an Stützstrukturen. Neben der Funktionserfüllung entsprechend des Ausgangsmodells werden weitere Optimierungspotenziale identifiziert. Diese betreffen insbesondere die Integration von

88

5 Projektbeispiele

Funktionen angrenzender Bauteile, die Verkürzung der Strömungswege aufgrund entfallender Fertigungsrestriktionen sowie die Variation der Anordnung von Elementen. Im Zuge der Optimierung kann entsprechend eine geringere Bauteilhöhe umgesetzt, sowie die Funktion eines Schalldämpfers in das Bauteil integriert werden. Im Vergleich zum konventionellen Vorgehen, bei welchem ein Schalldämpfer in einem manuellen Post-Prozess am Bauteil montiert wird, können die Kompliziertheit des Prozesses und somit die Fehleranfälligkeit reduziert werden. Unter Einhaltung einer Wandstärke von ca. s = 2 mm, welche sich aus der Simulation des Innendrucks ergibt, wird der Gesamtentwurf entsprechend Abb. 5.29 aufgebaut. Dabei verdeutlicht die Schnittansicht die Gestaltung des integrierten Schalldämpfers im Überdruckkanal. So ist erkennbar, dass der Kanal doppelwandig ausgeführt ist. Weiterhin sind Löcher in der innen liegenden Wand vorgesehen, damit der Schall gebrochen und somit die Lautstärke am Auslass reduziert werden kann. Ferner wird der Auslass durch eine Gitterstruktur auf einer Länge von l = 5 mm ergänzt, damit die Lautstärke weiter reduziert und Verunreinigungen durch Fremdkörper vermieden werden können.

5.5.3 Bewertung der Ergebnisse Es ist gelungen die Durchlaufzeit eines Entwurfs bis zur Produktion deutlich zu verkürzen, da keine Werkzeuge mehr benötigt werden. Durch Optimierung der Strömungskanäle konnte ein besseres Strömungsverhalten erzielt und die Funktion des Schalldämpfers integriert werden. Durch die Optimierung des Gehäuses kann außerdem die Masse des Ausgangsmodells m0 = 1.110 g auf m = 180 g verringert werden. Somit kann das Gesamtgewicht durch die Anpassung für das Selektive Laserstrahlschmelzen um über 80 % reduziert werden. Die Gewichtsreduktion führt zu einer deutlichen Verbesserung der Bauteileffizienz, sowohl in der Herstellung als auch in der Verwendung, Wartung sowie in dem Recycling der Werkstoffe. Neben dem Bauteilgewicht reduziert sich die reine Fertigungszeit im

Abb. 5.29  CAD-Modell des optimierten Gehäuses a) Ansicht von unten b) Schnittansicht

5.6  Mass Customization für eine kundenindividuelle Teemaschine

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Abb. 5.30  Finales, gedrucktes Ventil

In-Prozess um über 50 % gegenüber dem Fräsen. Hinzu kommt, dass die Nachbearbeitungsprozesse zum Verschließen und Abdichten der Zugangsbohrungen entfallen  und ­somit potentielle Fehlerquellen eliminiert werden. Das laserstrahlgeschmolzene Sicherheitsventil ist in Abb. 5.30 dargestellt.

5.6

Mass Customization für eine kundenindividuelle Teemaschine

5.6.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material Ziel ist die Individualisierung einer Teemaschine im High-End Bereich. Als besonderes Charakteristikum wird die Anpassbarkeit an die Küchen- oder Zimmereinrichtung herausgestellt, die durch austauschbare Blenden und Gehäuseteile erreicht wird. Dabei werden insbesondere zwei Kundengruppen adressiert: Die erste Gruppe sind Hoteliers, die sich von ihrem Wettbewerb zusätzlich abheben möchten, indem auch die elektrischen Geräte passend zum Einrichtungskonzept der unterschiedlichen Zimmerkategorien ausgewählt und abgestimmt sind. Die zweite Kundengruppe besteht in Endverbrauchern, die bereit sind, für eine kundenindividuelle Teemaschine Premiumpreise zu bezahlen. Für die erste Kundengruppe werden ein weitgehend konstanter Bedarf und Losgrößen bis zu 500 Stück geschätzt, für die zweite Kundengruppe lassen sich Bedarfe nur schwer voraussehen.

5.6.2 Methodeneinsatz und Prozess Zur Individualisierung der Teemaschine werden Schnittstellen zum Aufbau eines Konfigurators definiert, welcher die Gestaltung einer Blende ermöglicht. Dabei soll dem Kunden eine möglichst weitgehende Gestaltungsfreiheit eingeräumt werden, wobei jedoch der Lö-

90

5 Projektbeispiele

sungsraum unter Berücksichtigung von Gestaltungsrichtlinien und vorgegebenen Designvariablen definiert ist. Die Teemaschine sowie eine Auswahl verschiedener Blenden sind in Abb.  5.31 dargestellt. Als Fertigungseinrichtung für die Gehäuseelemente wird eine Laser-Sinter-Anlage gewählt. Als Werkstoff wird PA bestimmt, was dazu führt, dass keine zusätzlichen Support-Strukturen für die Produktion berücksichtigt werden. Für die Produktentwicklung werden relevante Restriktionen formuliert. Zum einen die minimale Wandstärke, die ein Gehäuseteil aufweisen darf. Zum anderen die Größe der Prozesskammer der Laser-Sinter-Anlage, sodass die Bauteile in einem Stück gefertigt werden können. Um unterschiedliche Farben realisieren zu können, werden die gesinterten Bauteile im Anschluss tauchlackiert. Zur Beschreibung des konstruktiven Lösungsraumes wird ein Konstruktionskonfigurator entwickelt, durch den sichergestellt wird, dass bei einer Anpassung der Blenden weder andere Baugruppen beeinträchtigt werden, noch, dass konstruktive Schnittstellen verschoben oder eliminiert werden können. Da der Konfigurator auch für Endkunden zur Verfügung steht, wird ein einfacher Konfigurationsdialog implementiert, bei dem der Kunde durch die Anpassung von Punkten der Außenkante die Begrenzung seiner individuellen Blende seinen Wünschen entsprechend verschieben kann, siehe Abb. 5.32. Weiterhin können ein Text auf der Blende vorgesehen und die Farbe der Blenden gewählt werden.

5.6.3 Bewertung der Ergebnisse Bezogen auf die Größe der Prozesskammer können innerhalb eines Baujobs maximal 60 Blenden hergestellt werden. Die Bauzeit beträgt etwa 30 Stunden inklusive der Abkühlzeit, Reinigung der Bauteile und dem Tauchlackieren. Mit größeren heute am Markt verfügbaren Maschinen und größeren Prozesskammern sind innerhalb eines Baujobs sogar bis zu einigen hundert Blenden innerhalb von 50 Stunden herstellbar. In beiden Fällen wären die individuellen Blenden nach wenigen Tagen versandbereit. In Bezug auf das GeAbb. 5.31 Individualisierbare Teemaschine

5.7  Design für die Bemusterung von Kfz-Schlüsseln

91

Abb. 5.32  Konstruktionskonfigurator der individualisierbaren Teemaschine

schäftsmodell fällt auf, dass nicht die Blenden den größten Kostenfaktor darstellen, sondern, dass die kundenindividuelle Logistik und Verwaltung die meisten Kosten verursacht.

5.7

Design für die Bemusterung von Kfz-Schlüsseln

5.7.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material Kürzere Entwicklungszyklen, globale Zusammenarbeit und kompliziertere Produkte zwingen sowohl zur domänenübergreifenden intensiven Kommunikation zwischen den Experten aus Design und Technik in frühen Entwicklungsphasen als auch zum Austausch mit potenziellen Kunden. Die Additive Fertigung bietet in diesem Kontext in Kombination mit dem klassischen Modellbau die Möglichkeit schnell von 3D-Geometriemodellen zur Hardware und damit physischen Mustern von Entwürfen und Varianten zu kommen. Dadurch können Fehleinschätzungen und Iterationsschleifen reduziert werden. Durch die Nachbearbeitung der additiv gefertigten Bauteile können realistisch anmutende, teilweise auch funktionale, Modelle umgesetzt werden. Der Prozess zur Finalisierung eines additiv hergestellten Musters wird am Beispiel eines Kfz-Schlüssels dargestellt. Ziel ist es, design- und ergonomieansätze zu schaffen ­sowie die Produktstruktur und Gestalt zu variieren. Ausgangssituation war die Vielzahl von Gestaltentwürfen bei einer Gruppe von Industriedesignern und Ingenieuren wobei der

92

5 Projektbeispiele

Schlüssel funktional gänzlich neu gedacht wurde. Zur Mustererstellung werden unterschiedliche Verfahren zur Kunststoffverarbeitung aus Materialien wie PA22 im selektiven Lasersintern und PLA im Fusey Layer Modeling sowie Nachbearbeitung der Oberflächen und Beschichtungen eingesetzt.

5.7.2 Methodeneinsatz und Prozess Wie in Abb. 5.33 gezeigt, wird für Massenprodukte eingangs eine Vielzahl an Designentwürfen generiert, welche die gestalterische Stoßrichtung variieren. Dabei zeigen die dargestellten Entwürfe, dass hier funktional eine Ladestandanzeige für Elektrofahrzeuge sowie die Visualisierung des Schließvorgangs in den Schlüssel integriert werden sollen. Neben der Erstellung von Designentwürfen werden Ergonomiemodelle zur Bewertung der Gestalt sowie von ergonomischen Anforderungen aufgebaut (siehe Abb. 5.34). Da die Modelle keinerlei technische Anforderungen erfüllen müssen, wird zur Umsetzung Fused Layer Modeling von PLA eingesetzt. Oberflächen- oder Materialeigenschaften spielen zunächst keine Rolle. Nach der Evaluierung der Ergonomiemodelle und der Auswahl einer entsprechenden Formgebung wird das Funktionskonzept detailliert. Wie in Abb. 5.35 zu sehen, wird dafür die Funktionszeichnung hinsichtlich des Detaillierungsgrades weiter ausgearbeitet. Zur Bewertung der Funktionskonzepte nach ästhetischen und funktionalen Gesichtspunkten wird ferner ein CAD-Geometriemodell erarbeitet, welches neben der Bauteilhülle eben-

Abb. 5.33  Designentwürfe eines Kfz-Schlüssels

5.7  Design für die Bemusterung von Kfz-Schlüsseln

93

Abb. 5.34  Ergonomiemodelle eines Kfz-Schlüssels

Abb. 5.35  Funktionszeichnung und Package-Setzung als CAD-Rendering

falls relevante Komponenten als Black-Boxen darstellt. Somit können auf Basis des virtuellen Modells Package-Untersuchungen durchgeführt, aber auch weitere Modelle additiv gefertigt werden.

5.7.3 Bewertung der Ergebnisse Anhand von physikalischen Modellen können Trennfugen und Aushebeschrägen genauer betrachtet und somit auf die Verfahren zur Serienproduktion angepasst werden. Ästhetische Aspekte oder Anforderungen können erst nach einer weiteren Bearbeitung der gedruckten Polyamid Bauteile überprüf werden. Diese Bearbeitungsschritte sind vergleichbar mit denen im konventionellen Modellbau. Durch mehrfaches Schleifen, Grundieren, Lackieren oder Folieren der Bauteile wird eine endproduktnahe Wertigkeit erzielt, welche dem Betrachter das Design – sowie im gewissen Maße auch die Haptik – des späteren Serienbauteils vermittelt. Abb. 5.36 zeigt einen Prototyp vor und nach der Finalisierung.

94

5 Projektbeispiele

Abb. 5.36  Maßstabsgerechte Modelle eines Kfz-Schlüssels aus PA22

5.8

Net-Shape Geometrie eines Turbinen Fanblades

5.8.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material Herausforderung für die Gestaltung des Luftzufuhrrades ist die gezielte und effiziente Luftzufuhr in den Verbrennungsraum einer Turbine. Um ein Fanblade mit optimierter Funktion zu entwickeln ist neben der Simulation die Musterherstellung und Erprobung notwendig. Ziel ist es Freiformflächen, die den Drall erzeugen, entsprechend der vorausgegangenen Simulation im Experiment abzubilden. Zur Mustererstellung kommt Aluminium, welches im Selektiven Laserstrahlschmelzen pulverbasiert verschmolzen wird, zum Einsatz. Konkrete Maschinenrestriktionen der EOS M280 und allgemeine Gestaltungsrichtlinien werden berücksichtigt. Die gedruckten Bauteile werden partiell spanend nachgearbeitet und sandgestrahlt. Es entstehen unterschiedliche Prototypen.

5.8.2 Methodeneinsatz und Prozess Aufbauen auf 3D-CAD Entwürfen werden Strömungssimulationen durchgeführt, um möglichst schon virtuell geeignete Geometrien zu finden. Abb. 5.37 zeigt das CAD Modell der theoretischen Idealgeometrie eines Fanblades. Bei ersten Fertigungsversuchen zeigte sich, dass die Parameterdefinition überarbeitet werden musste, um eine möglichst verzugsarme Herstellung der einzelnen Blades sicherzustellen. Mit optimierten Parametern konnten verbesserte Flächenformen realisiert werden. Unterschiedliche Prototypen wurden für Strömungstests am physikalischen Modell genutzt.

5.8  Net-Shape Geometrie eines Turbinen Fanblades

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Abb. 5.37  CAD-Modell des Fanblades

Abb. 5.38  Additiv aus Aluminium gefertigtes Muster eines Fanblades

5.8.3 Bewertung der Ergebnisse Abb. 5.38 zeigt einen additiv gefertigten Fan-Blade, wie er sich nach der Nachbearbeitung – also dem Trennen von der Grundplatte und dem sandstrahlen – darstellt. Es zeigte sich, dass Stützstrukturen durch mechanische Nachbearbeitung von der Net Shape Geometrie nicht sinnvoll entfernt werden können. Die Prozessparameter und Orientierung des Bauteils müssen deshalb so gewählt werden, dass ohne Stützstrukturen eine

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5 Projektbeispiele

möglichst exakte Abbildung der Net-Shape Geometrie möglich ist. Kleinere Abweichungen werden in Kauf genommen. Da die Temperaturbeständigkeit von Aluminium für die Umsetzung des Fan-Blades im Serienprodukt zu niedrig ist, ist die Verwendung von höher temperaturbeständigen Materialien notwendig. Insbesondere das häufig eingesetzte Messing ist im selektiven Laserstrahlschmelzen bei konventioneller Laserbestückung allerdings nicht ohne weitere Prozessentwicklung zu verarbeiten. Deshalb wurde nach erfolgreicher Erprobung und Optimierung der Strömungsverhältnisse ein Bauteil aus Messing, welches durch 5-­Achsfräsen in seine Geometrie gebracht wird validiert. Die Möglichkeiten der Additiven Fertigung können so allerdings nicht optimal genutzt werden, da bei der Bemusterung bereits berücksichtigt werden muss, was später spanend herstellbar ist.

5.9

Gradierte Materialien und Additive Repair

5.9.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material Multimaterialkomponente bedeutet, dass ein Bauteil aus mindestens zwei Materialien besteht. Der Begriff der gradierten Materialien sagt zusätzlich aus, dass der Übergang zwischen den Materialkomponenten fließend ist, dass es also eine ausgeprägte Übergangszone gibt. Beides finden wir unter anderem beim Additive-Repair, dem Andrucken von Material an verschlissene Bauteile oder Bauteile einfacher Geometrie, um diese mit spezifischen Gestaltelementen aufzuwerten.

5.9.2 Methodeneinsatz und Prozess Die im Folgenden vorgestellte Prozesskette besteht aus drei Phasen: • Der Auswahl eines kompatiblen Materials In der Regel ist das lasergedruckte Material nicht exakt gleich dem Ursprungsmaterial des zu reparierenden Bauteils. Es muss aber mindestens kompatibel, also ohne oder ggf. mit Zwischenmaterial mit dem Ursprungsmaterial schweißbar sein. • Analyse und Konstruktion Zur Analyse gehört die Klärung, warum etwas beschädigt oder verschlissen wurde und ob eine konstruktive Verbesserung möglich ist. In der Konstruktion muss dann abgesichert werden, das und wie diese Verbesserung umgesetzt werden kann. • Herstellung und Erprobung Je nach Anwendung und Häufigkeit der Reparatur muss die Maßnahme durch Qualitätskontrolle während der Herstellung und ggf. weitere Tests abgesichert werden – da es sich nie um eine eins zu eins Lösung handeln wird.

5.10  Innere Effekte für den Kern einer elektrischen Spule

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5.9.3 Bewertung der Ergebnisse Im Projekt REPAIR des BMBF forschen wir mit Industriepartnern an der Frage, wann oben geschildertes Vorgehen auch ökonomisch sinnvoll eingesetzt werden kann und sollte. Bisher zeigt sich, dass die vorhandenen Potenziale noch nicht hinreichend erkannt und genutzt werden. Es zeigt sich aber auch, dass erhebliche Wissenslücken in Bezug auf Materialien und Qualität der Additiven Fertigung den flexiblen Umgang mit Additive Repair gegenwärtig noch erschweren.

5.10 Innere Effekte für den Kern einer elektrischen Spule 5.10.1 Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material Grundsätzlich bietet die Additive Fertigung die Möglichkeit aus der Materialkombinierbarkeit effizient physikalische Effekte in Bauteile zu integrieren. Dies können sensorische oder aktorische Effekte sein. Dabei ist es naheliegend unterschiedliche Wärmeausdehnung von Materialien, Beeinflussung von elektrischen und magnetischen Feldern durch verschiedene Materialien, über Leiten innerhalb entsprechender Geometrien oder auch die gezielte Beschreibbarkeit durch Eigenschaftsänderung von Materialien, zu variieren. Im

Abb. 5.39  Muster einer gedruckten elektrischen Spule

98

5 Projektbeispiele

vorliegenden Beispiel geht es darum Kühlmedium durch das Material – aus dem eine elektrische Spule gewickelt ist – zu leiten, um die Spule stärker bestromen zu können ohne sie thermisch zu überlasten.

5.10.2 Methodeneinsatz und Prozess Das Bauteil soll aus Aluminium im Selektiven Laserstrahlschmelzen hergestellt werden. Während der Konstruktion sind Auslassöffnungen in jeder Wicklung vorgesehen, um das Pulver im Post-Prozess zu entfernen. Im Post-Prozess wird das Bauteil von innen und von außen von Pulver befreit. Anschließend werden die Stützstrukturen entfernt und das Bauteil sandgestrahlt. Damit Kühlmedium eingefüllt werden kann, werden die Löcher nach dem Pulverentfernen verschlossen. Anschließend wird zwischen den einzelnen Windungen ein isolierendes Material gespritzt, damit eine Berührung der Windungen ausgeschlossen wird und somit ein Kurzschluss verhindert wird. Final wird Wasser als Kühlmedium eingefüllt.

5.10.3 Bewertung der Ergebnisse Ein Funktionsprototyp konnte erzielt werden, der Funktionen in Form von inneren Effekten integriert (siehe Abb. 5.39). Für weitere Arbeiten ist es das Ziel die Spule aus Kupfer zu drucken.

6

Die Entwicklungsumgebung

Moderne Produktentstehungsprozesse, als Summe aus Produktentwicklung und Produktionsvorbereitung, werden durch rechnerunterstützte Entwicklungs-, Planungs- und Quali­ tätssicherungsumgebungen unterstützt. Diese werden auch als Computer-Aided-­ Engineering (CAE) beziehungsweise Computer-Aided-Manufacturing- (CAM) und in Summe als CAX Umgebung bezeichnet. Nach wie vor spielen aber auch Material, physische Modelle, der Maschinenpark sowie Vorrichtungen und Tests eine wichtige Rolle, die wir hier ebenfalls als Bestandteile einer Entwicklungsumgebung behandeln. Die Aufgabe einer CAE Umgebung in diesem Kontext ist das Handling des digitalen Produktes in den Dimensionen Geometriemodell, physikalisches Modell und Produktdaten. Die CAE Umgebung basiert in den meisten Fällen auf CAD-Systemen und Datenaustauschformaten, mit denen die Informationen zwischen der Entwicklung und anderen Bereichen transferiert werden können. Außerdem beinhaltet sie Simulationswerkzeuge, häufig auf Basis von FE-Methoden, Optimierer und Produktdatenmanagementsoftware. Die Aufgabe einer CAM-Umgebung ist die Bereitstellung fertigungsmaschinenunabhängiger Software, die es auf direktem Wege ermöglicht die Fertigungsvorbereitung und Fertigung auf Basis von CAD- und sonstigen Produktdaten auszuführen und die Qualitätssicherung sowie das Produkt-Lifecycle-Management zu unterstützen. Die CAM-Umgebung umfasst darüber hinaus Werkzeuge, die eine Arbeitsvorbereitung, sowie die Einstellung von Maschinenparametern ermöglichen und hat engen Bezug zu den Enterprise-Ressource-Planungswerkzeugen. Datenbanken dienen der Speicherung von Materialdaten- und Parametersätzen. Die so gespeicherten Daten können darüber hinaus als Fallbasis dienen. Qualitäts-/Produktdatenmanagementwerkzeuge sind, abhängig von der Sicherheitsrelevanz des Produktes, von großer Bedeutung und unterstützen den Anwender ergänzend zu Multi-Physik-Simulationswerkzeugen bei der Beherrschung der Komplexität, die hier auch durch den additiven Fertigungsprozess bedingt ist. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_6

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100

6  Die Entwicklungsumgebung

Für die etablierten Additive Manufacturing Prozesse und Materialien, sind bereits eine Vielzahl von Datensätzen und Softwaretools wie Slicer, Packageoptimierer, Verzugssimulatoren usw. verfügbar. Da sich die Additive Fertigung aber durch eine große Zahl von Freiheitsgeraden bezüglich der Prozessparameter, Materialauswahl und Fertigungsverfahren auszeichnet, ist die Entwicklung von geeigneten CAX-Softwaretools und Datensätzen auch weiterhin aktuell und ein bedeutendes Forschungsthema. In der Praxis ist es außerdem erforderlich die Werkzeuge für die individuelle Anwendung auszuwählen und auf den spezifischen additiven Fertigungsprozess und die Firmentypologie anzupassen. In diesem Kapitel werden zunächst die CAD-Modellierung, das Preprocessing und das zughörige Datenmanagement, also die CAE Umgebung betrachtet. Wir werden dann zum CAM übergehen und über Materialien und ihre charakteristischen Parameter sowie die mit der Fertigung einhergehenden Maschinen und Maschinenparameter sprechen. Das Kapitel wird mit den Methoden und Werkzeugen zur Prüfung und Qualitätssicherung abgeschlossen.

6.1

Computer Aided Engineering (CAE)

Geschlossene 3D Volumenmodelle aus beliebigen CAD Systemen oder Reverse erzeugt (durch 3D-Vermessung von Objekten) sind Voraussetzung für die Additive Fertigung. Geometriemodelle können dabei originär erzeugt werden oder auch verschenkt, gekauft oder getauscht werden, wenn sie durch andere bereits erstellt wurden. Zur Erstellung und zum Export von CAD-Modellen kommen zumeist kommerzielle Programme, wie zum Beispiel Autodesk Inventor, Solidworks, Solid-Edge, PTC Creo, Catia, Siemens NX und nicht kommerzielle Programme, wie FreeCAD, OpenSCAD, und Blender zum Einsatz. Welche CAD Tools die Konstruktion für die Additive Fertigung am besten unterstützen, unterliegt einer sehr dynamischen Entwicklung. Zumindest alle kommerziellen Programme bieten heute auch spezielle Module zur Additiven Fertigung an. Nach einer 3D-Vermessung von Objekten und einer anschließenden Überführung in ein CAD-Format ist es in einer Vielzahl von Fällen erforderlich eine Nachbearbeitung und eine Reparatur der Modelle durchzuführen. Hierfür können Programme, wie zum Beispiel Autodesk Netfabb, Rhino3D, Geomagic Design X und Meshmixer eingesetzt werden. Für den Datentransfer bei der Nutzung additiver Fertigungsverfahren hat sich das STL-Format als Quasi-Industriestandardformat durchgesetzt. Das STL-Format ist ein systemneutrales Datenformat, welches lediglich zur Speicherung von Geometrieinformationen genutzt wird. Die Beschreibung der Begrenzungsflächen eines Volumens wird durch planare Dreiecksfacetten (englisch tesselation = Parkettierung) und ihren Normalenvektor vorgenommen. Der Normalenvektor ist erforderlich, um die Innen- und Außenseite des Objektes unterscheiden zu können. Die Abspeicherung ist im ASCII-Code möglich, sie wird jedoch aufgrund einer häufig geringeren Dateigröße im Binär-Code bevorzugt vorgenommen. Mit dem STL-Format können beliebige (ebene oder auch stark gekrümmte)

6.1  Computer Aided Engineering (CAE)

101

Oberflächen eines 3D-Modells beschrieben werden. Je stärker eine Fläche gekrümmt ist, desto mehr Polygone sind zur genauen Beschreibung der Kontur erforderlich. Die Einstellparameter (z. B. Sehnenhöhe u. a.) bei der Ausgabe des Datenfiles steuern die Größe und Anzahl der Dreiecksfacetten und somit die Genauigkeit der Approximation. Obgleich überwiegend das STL-Format im Zusammenhang mit der Additiven Fertigung zur Anwendung kommt, gibt es einige Systeme, die in Ergänzung zum STL-Format das auf XML basierende AMF-Format verwenden. Dieses Format ermöglicht es Flächen durch Polynome höherer Ordnung zu beschreiben, also gebogene Dreiecke darzustellen, sodass die gewünschte Geometrie im Vergleich zum STL-Format mit weniger Dreiecken angenähert werden kann. Des Weiteren können jedem Element andere Eigenschaften zugewiesen werden. Dadurch können beispielsweise ein Gradient in der Materialverteilung oder auch spezielle Texturen eingestellt werden. Zur Sicherung der Qualität von additiv gefertigten Bauteilen ist die Rückverfolgbarkeit der einzelnen Teile anzustreben. Hierzu ist es erforderlich die Materialdaten, Maschinenparameter, CAD-Daten und STL-Modelle sowie Videodokumentationen und Messprotokolle zu verwalten. Aus diesem Grund werden in professionellen Anwendungen PDM-­ Systeme mit entsprechend hinterlegten Datenbanken eingesetzt. Dabei entstehen aufgrund der häufig komplizierten Bauteile und sehr geringen Stückzahlen einzelner Lose schnell große Datenmengen, die gehandhabt werden müssen. Absicherung der Bauteileigenschaften und Prozesssimulation Für eine anwendungsnahe Auslegung von AM Bauteilen sind klassische Betriebsfestigkeitsnachweise und FEM Simulationen mit Sicherheitsfaktoren zu kombinieren. Über Sicherheitsfaktoren müssen dabei insbesondere folgende Einflüsse berücksichtigt werden: • • • • • •

Inhomogenität aufgrund der Bauteilgröße Erwartete Resteigenspannung Oberflächenrauheit, insbesondere durch Treppenstufeneffekte Materialqualität, insbesondere in Hinblick auf den recycelten Anteil Belastungsart und -dynamik Statistische Streuung

Bereits im Pre-Prozess ist es jedoch auch möglich, die Qualität des zu fertigenden Bauteiles vorherzusagen, indem der Prozess selbst schichtweise simuliert und dabei insbesondere die thermischen Beanspruchungen und Verformung im Bauteil untersucht werden. Zum einen ist es damit möglich, die Wärmeverteilung und dazu korrelierend die resultierende Spannungsverteilung im Bauteil zu bestimmen. Der thermische Zustand und die resultierenden Verformungen im Bauteil können dann durch die gezielte Manipulation der Prozessparameter verändert werden, was dazu führt, dass thermischer Verzug an dafür kritischen Abschnitten des Bauteils reduziert oder gänzlich vermieden werden kann.

102

6  Die Entwicklungsumgebung

Zum anderen können auch thermische Störmechanismen, wie beispielsweise der Balling-­Effekt identifiziert werden. Dieser Effekt entsteht, wenn im Fokusvolumen eine zu hohe Energiedichte erreicht wird und somit das Material komplett aufgeschmolzen wird. Es entsteht ein Metalltropfen, der sich durch seine Oberflächenspannung in Richtung der Baurichtung wölbt und somit mit dem Beschichter bei dem Auftragen der nächsten Schicht kollidiert. Dieser Effekt führt dazu, dass bei kleinen Wölbungen eine inhomogene Materialverteilung in der nächsten Schicht entsteht. Bei größerer Wölbung kann es zum Prozessabbruch kommen, da der Beschichter durch den direkten Kontakt mit dem Bauteil dieses bewegt und aus der ursprünglichen Lage im Pulverbett verschiebt. Die auf ein ganzheitliches Bauteil bezogene Prozesssimulation erfolgt dabei üblicherweise auf Basis einer zeitdiskreten Finite-Elemente-Methode (FEM), bei der das Bauteil in eine endliche Anzahl von Elementen zerlegt wird und für jedes Element die dazugehörigen Eigenschaften festgelegt beziehungsweise berechnet werden können (siehe Abb. 6.1). Hierbei ist es grundsätzlich möglich, den Elementen Eigenschaften aus verschiedenen physikalischen Kategorien zuzuordnen. So können wie oben beschrieben thermische und mechanische Simulationen, aber auch optische oder elektrische Eigenschaften gekoppelt und in Beziehung zueinander simuliert werden. Die Simulationen können zum Beispiel mit Catia 3D EXPERIENCE, der Ansys Additive Suite, Creo, sowie Autodesk Netfabb durchgeführt werden. Da die FEM-Methode eine Vielzahl von Meso- und Mikroskaleneffekten, wie zum Beispiel die Modellierung von Oberflächeneigenschaften, die Bildung von Einschlüssen und die Schmelzbadmodellierung nicht oder nur unzureichend abbilden kann, ist es für eine genauere Simulation erforderlich partikelbasierte Methoden anzuwenden. Das Spektrum reicht hier von individuell mit hohem Programmieraufwand angefertigten Simulationen in Open Foam und Simulia Abaqus bis hin zu vergleichbar schnell zu implementierenden Analysen in Umgebungen wie Flow3d und COMSOL Multiphysics. Die hieraus generierten Ergebnisse können zur Optimierung der Prozess- und Maschinenparameter verwendet und im Rahmen einer Multi-Skalen-Analyse zur Verbesserung der Simulationsgenauigkeit in eine makroskopische FEM-Umgebung überführt werden.

Abb. 6.1  Fused Layer Modeling Simulation in Abaqus (links) und Selective-Laser-Melting Simulation in Ansys AM-Suite (rechts)

103

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM)

6.2

Computer Aided Manufacturing (CAM)

6.2.1 Werkstoff Bei der Additiven Fertigung handelt es sich um Urformverfahren, bei dem die Qualität des Werkstoffs erst am gedruckten Bauteil vorliegt. Große Herausforderungen für alle Verfahren der Additiven Fertigung liegen deshalb in der Qualifizierung geeigneter Kombinationen aus Prozessparametern und Rohmaterialien wobei die Qualität der Pulver, Filamente oder Fluide schwanken kann und zu kontrollieren ist [Gebh16]. Das Filament für einen FLM Prozess basiert auf thermoplastischen Kunststoffen, die nach Bedarf mit Zusatzmaterialien versetzt werden. Beim FLM wird das Filament mit einer beheizten Düse aufgeschmolzen, weshalb nur Thermoplaste verwendet werden können, deren Schmelztemperaturen mit der Düse erreicht werden. Durch die Zähigkeit des Materials, den Durchmesser des Ausgangswerkstoffs und den der Düse, Vorschub- und Fahrgeschwindigkeiten sowie Vorheiztemperaturen im Bauraum wird die Qualität der einzelnen Schicht definiert und der Druckfortschritt beeinflusst [Klah18]. Übliche Parameter sind für eine Auswahl häufig für das FLM eingesetzter Materialien sind in Tab. 6.1 exemplarisch dargestellt. Pulvermaterialien müssen mehrere Qualitätskriterien erfüllen. Ein wesentlicher Faktor ist die Korngröße und die Korngrößenverteilung. Diese führt zu einer Begrenzung des Detaillierungsgrades der zu fertigenden Komponenten. Dies gilt sowohl für die metallischen Pulver als auch für Pulver auf Kunststoffbasis. Die mittlere Korngröße sollte in den meisten Fällen im Bereich von 20–60 μm liegen wobei üblich eine Normalverteilung der Korngrößen vorherrscht. Außerdem ist eine sphärische Form der Partikel notwendig, ohne Kanten, um eine nahezu defektfreie Fertigung zu ermöglichen. Diese Formgebung wird bei der Herstellung von Pulvern hoher Qualität über Verdüsung umgesetzt. Hierbei wird das Material mittels eines unter hohem Druck zugeführten Wasser-, Luft- oder Inertgasstroms zerstäubt. Im Vergleich zu dem Pulvermahlen sind die so hergestellten Partikel sehr fein und besitzen die geforderte sphärische Form mit glatten Oberflächen. Die Einstellbarkeit des zugeführten Stroms ermöglicht eine Einstellung der Partikelgröße. Je höher der Druck ist, desto unförmiger aber feiner sind die Partikel [Klah18].

Tab. 6.1  Auswahl an Material- und Maschinenparameter FLM -druckbarer Thermoplaste Material ABS PA PC PET PLA PVA

Glastemperatur [°C] ca. 105 60–75 ca.120 ca. 70 60–65 ca. 85

Drucktemperatur [°C] 215–250 ca. 245 275–285 ca. 210 190–220 180.205

Druckgeschwindigkeit [mm/s] 40–80 25–40 20–25 25–80 ab 20 Wie PLA oder ABS

Druckbett-­ temperatur [°C] 90–115 ca. 130 ca. 115 0–60

104

6  Die Entwicklungsumgebung

Pulver Eigenschaft

Korngrößenverteilung

Prozessschritt

Negativer Einfluss

5

Verschieben von Grobpartikeln durch den Beschichter

Fließfähigkeit

5

Verschieben von Feinpartikeln durch Schutzgasstrom

Packungsdichte

1-7

Adhäsion von Feinpartikeln an umgebende Objekten

Packungsdichte

Erheben von Grobpartikeln im Pulverbett aufgrund von Vibrationen

Packungsdichte

Abtrag von Feinpartikeln durch Strömungen

Packungsdichte

Verfestigung der Partikel nahe dem Schmelzbad

Packungsdichte, Fließfähigkeit

1 1-7 Oberfläche

Effekt

5

Sauerstoffgehalt

1-7

Bildung der Oxidschicht auf der Partikeloberfläche

Schmelzverhalten

Feuchtigkeit

1-7

Wassermoleküle haften an der Partikeloberfläche

Fließfähigkeit, Schmelzverhalten

Verschmutzungen

1-7

Verunreinigung mit Fremdpartikeln

Schmelzverhalten

Zusammensetzung

5

1. Transport

2. Sieben

Verdampfen von niedrigschmelzenden Legierungselementen

3. Lagerung

4. Maschinenvorbereitung

5. Bauprozess

Schmelzverhalten 6. Nachbearbeitung

7. Trocknung

Abb. 6.2  Einflussfaktoren metallischer Pulver über die gesamte Prozesskette

Abb. 6.2 zeigt eine Übersicht der Wechselwirkungen zwischen Pulver und Werkstoffqualität über die gesamte Kette der Additiven Fertigung mit Fokus auf die metallischen Werkstoffe für das Selektive Laserstrahlschmelzen. Es wird deutlich, dass an vielen Stellen sehr sorgfältig vorgegangen werden muss, um die Packungsdichte des Materials, die Fließfähigkeit und das Schmelzverhalten spezifikationsgemäß konstant zu halten und den Einschluss von Fremdpartikeln oder die Bildung von ungewünschten Oxiden im Material sicher zu vermeiden. In verschiedenen Additiven Fertigungsverfahren werden auch fluidische Materialien eingesetzt. Für die Verarbeitung von Fluiden ist die Möglichkeit einer Polymerisation des Materials notwendig. Hierbei handelt es sich um eine Kettenreaktion, bei der ungesättigte Einzelmoleküle (Monomere) zu Makromolekülen (Polymeren) reagieren. Die Monomere bestehen aus Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen die aufspaltbare Doppelbindungen besitzen. Um eine Kettenreaktion zu ermöglichen müssen in den Fotosensitiven Harzen Initiatoren enthalten sein, die bei einer von außen einwirkenden Energiezufuhr in ihre Radikale zerfallen. Die Radikale reagieren darauffolgend mit dem doppelgebundenen Kohlenstoff und führen zu einer Aufspaltung der Doppelbindungen. Diese aufgebrochenen Bindungen reagieren zu Polymerketten. Für eine Abbruchreaktion, also ein Aufhalten der Polymerisation, reagieren die Ketten mit einem Initiator. Sind diese wesentlichen Bestandteile in einem Harz vorhanden und die Initiatoren absorbieren bei einer spezifischen Wellenlänge kann eine Vielzahl von Polymeren in lichtbasierten Verfahren eingesetzt werden. Viele der transparenten Fotosensitiven Harze basieren beispielsweise auf PMMA [Bart11]. Aufgrund der lokalen Verarbeitung des Materials und prozessbedingter Einflüsse – wie variierende Fahrgeschwindigkeit (z. B. an Ecken von Bauteilen), Temperaturverteilung im Bauraum und Durchflutung des Bauraums – treten lokale Schwankungen der Material-

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM)

105

qualität auf, die kontrolliert, kompensiert und beherrscht werden müssen. Ebenso besteht aber auch die Möglichkeit über eine gezielte Parametervariation bewusst Inhomogenitäten einzustellen, um beispielsweise die Oberflächenqualität zu verbessern oder in weniger beanspruchten Bereichen einen schnelleren Baufortschritt zu ermöglichen. Durch die, bei den thermischen Verfahren der Additiven Fertigung, notwendigen Prozesstemperaturen entstehen Eigenspannungen in den Komponenten, die sowohl den Bauprozess als auch die Funktion und Formgebung der Komponente beeinflussen. Weshalb beispielsweise Metalle wärmenachbehandelt werden müssen. In Bezug auf die Materialkosten und Ressourceneinsparung ist die Wiederverwendbarkeit von Restmaterial ein wichtiges Thema. Bei den Filament-basierten Prozessen wird beim Fertigen der Komponenten das gesamte eingebrachte Material verwendet. Da es sich bei den Materialien um Polymere handelt können diese auch wieder eingeschmolzen werden, um neues Filament zu ziehen und wieder zu verwenden. Bei Pulvermaterialien ist eine Wiederverwendbarkeit ebenfalls möglich, jedoch nicht in vollem Maße. Durch den Prozess werden auch umliegende Partikel angeschmolzen und verklumpen. Das Pulver kann nach einem Prozess gesiebt und unter Verlusten wiederverwendet werden, besitzt jedoch im Vergleich zu neuem Pulver eine geminderte Qualität. Ähnlich verhalten sich auch die Fluide. Durch Streustrahlung der Laserquelle, die in dem Prozess entstehen kann, entstehen innerhalb der Flüssigkeit verfestigte Klumpen. Diese können auch durch Filtern der Flüssigkeit entfernt werden, um eine Wiederverwendbarkeit zu ermöglichen. Allerdings wird auch durch die alltägliche Lichteinstrahlung bei der Verarbeitung der Alterungsprozess der Harze beschleunigt, wodurch diese eine begrenzte Haltbarkeit besitzen [Gebh16]. Für alle Additiven Verfahren und Materialien besteht ein Trend Simulationen der im Prozess erreichbaren Homogenitäten durchzuführen und diese mit Qualitätsdaten zum Beispiel aus der schichtweisen Fotografie des Prozesses zu validieren. Diese Daten können dann genutzt werden, um Prozesse zu verbessern aber auch in die Simulation zurückgeführt werden, um bei der Dimensionierung berücksichtigt zu werden. Abschließend soll betont sein, dass, trotz der vielen prinzipiellen Herausforderungen, die erzielbaren Materialqualitäten bei entsprechendem Vorgehen außerordentlich hoch sein können, zum Beispiel deutlich besser als die von Gussteilen.

6.2.2 Maschinenparameter Maschinenprozesse der Additiven Fertigung unterscheiden sich hinsichtlich der Physik ihrer Verfahren primär in thermisch aufschmelzende und photooptische, sowie Verfahren mit Bindemitteln. Entsprechend sind die Parameter zur Prozessdefinition unterschiedlich. Fused Layer Modeling Beim FLM Verfahren handelt es sich um ein thermisch aufschmelzendes Verfahren ohne eine weitere Belichtung, welches auch als Strangablegeverfahren bezeichnet wird. Die

106

6  Die Entwicklungsumgebung

Bauteile werden aus aufgeschmolzenem Kunststoff generiert, welcher über eine beheizte Düse verflüssigt und abgelegt wird. Die prozessspezifischen Einflussfaktoren entstehen besonders aufgrund der Bauteilgenerierung und dem kinematischen Aufbau der Maschine. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist der Austritt des Materialstrangs aus der Düse. Für eine gute Anbindung zwischen den einzelnen Schichten muss die Temperaturdifferenz vom austretenden Material zum zuvor abgelegten Materialstrang berücksichtigt werden. Aufgrund der materialspezifischen Wärmeleitung wird beim Ablegen der untere Materialstrang in der Kontaktfläche erwärmt und erneut angeschmolzen. Somit verbinden sich die Stränge auf molekularer Ebene in dieser Randschicht. Über zwischenmolekulare Kräfte entsteht eine Verbindung zwischen den Kettenmolekülen. Das Verbinden des neu aufgetragenen Materials mit der vorherigen Lage ist aufgrund der genannten Effekte nur in einem begrenzten Wärme-Einflussbereich möglich [Klah18]. Ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor ist das Abkühlverhalten der einzelnen aufgebrachten Schichten. Dieses variiert mit der Bauteilhöhe. Mit einem beheizten Bauraum, einer beheizten Bauplattform, der Düsentemperatur und einer zusätzlichen Belüftung kann dieses Verhalten beeinflusst werden. Über eine Variation des Materialflusses kann ebenfalls die Dichte des zu erzeugenden Bauteils variiert werden. Dann entstehen allerdings auch bei einem hohen Materialfluss Lücken zwischen den einzelnen Strängen, die einen Einfluss auf die Bauteilfestigkeit haben [Fast16]. Außerdem kann über die Ausgangsqualität des Filaments das Ergebnis aufgrund der folgenden aufgelisteten Parameter beeinflusst werden (siehe hierzu auch Abschn. 6.2.1): • • • •

Oberflächenrauheit Filamentdurchmesser Schmelztemperatur Reinheitsgrad

Mit dem Einsatz mehrerer Düsen an einem Bearbeitungskopf können Multimaterialverbunde generiert werden. Die Eigenschaften der verwendeten Materialien müssen mit einander kompatibel sein, um Zerstörungen oder Rissbildungen in den gefertigten Komponenten zu vermeiden. Außerdem kann somit das Stützmaterial variabel zum Baumaterial gewählt werden. Abhängig von der Materialwahl sind die Stützstrukturen einfacher zu entfernen aufgrund beispielsweise wasserlöslicher Eigenschaften [Yin18]. Abhängig von dem kinematischen Aufbau des „3D-Druckers“ ist der Umfang der zu generierenden Bauteile. Kommerziell weit verbreitet ist eine kartesische Achsenanordnung (Abb.  6.3 links). Ebenfalls auf den kartesischen Koordinaten basiert der Delta-­ Aufbau (Abb. 6.3 Mitte links). Weitere Varianten sind zum Beispiel, wie in Abb. 6.3 dargestellt, der Polar-­Aufbau oder der Scara-Aufbau (Selective Compliance Assembly Robot Arm). Diese k­ önnen, über Polarkoordinaten gesteuert, Rotationen sehr gut abbilden. Bei den meisten Varianten wird die Kinematik aufgeteilt. Die Bauplattform wird dann in der Höhe (z) bewegt. Die Positionierung in x-y erfolgt über die Bewegung des Druckkopfes.

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM)

107

Abb. 6.3  Schematische Darstellung verschiedener Kinematiken zum FLM. Von links nach rechts: Kartesisch, Delta, Polar, Selective Compliance Assembly Robot Arm a a = Dicke der Außenkontur b = Dicke einer Rasterbahn c = Abstand zwischen Rasterbahnen d = Abstand zur Außenkontur α

α = Winkelversatz der Rasterbahnen

d

Abb. 6.4  Schematische Darstellung der beeinflussenden Parameter angelegter Pfade beim FLM [Bast10]

In Abschn.  4.3 sind bereits einige Restriktionen in Bezug auf die Verfahrwege des Druckkopfes (Pfade) beim SLM beschrieben. Ebenso existieren beim FLM nur zum Teil ähnliche Einflussfaktoren, die beim Anlegen der Pfade beachtet werden müssen (Abb. 6.4). Zwischen den Dicken der Außen- (a) und Innenkontur (b) können Abweichungen auftreten. Dies kann bewusst eingesetzt werden, muss allerdings für bestimmte Bauteileigenschaften beachtet werden. Für eine gute Anbindung der einzelnen Stränge miteinander ist der Bahnabstand der Füllstruktur und dessen Abstand zur Außenkontur zu berücksichtigen. Über eine Variation des Winkelversatzes der einzelnen Bahnen zu jeder neuen Schicht wird die Anbindung verbessert und es folgt eine Reduzierung des Bauteilversagens. Die Anordnung der Füllstrukturen wird über die Auslegung des Strukturaufbaus und einen definierten Algorithmus des Verfahrweges oder der Materialdichte im Bauteil beeinflusst. Die Füllstrukturen können abhängig von den bauteilspezifischen Eigenschaften oder zur Einsparung von Material und Gewicht gewählt werden. Diese sind in der Regel im Pre-Prozessor (Print Setup) der Maschine vordefiniert einstellbar. Zur Auswahl stehen unterschiedliche Füllstrukturen, die ohne zusätzliche Stützstrukturen in Baurichtung gefertigt werden können [Klah18].

6  Die Entwicklungsumgebung

108

Stützstrukturen nach mechanischen Belastungen zu definieren erfordert hingegen erhebliche Eigenleistungen bei der Programmierung der Pfade. Die entlang den Pfaden abgelegten Materialbahnen besitzen im Querschnitt eine runde oder ovale Form. Daraus resultiert, dass keine echten Ecken fertigbar sind, sondern immer eine Restrundung verbleibt. Auch wird das Material am Innenradius immer etwas dichter und thermisch höher beaufschlagt als am Außenradius einer Kurve oder Ecke sein. Die Formtreue und Reproduzierbarkeit der Bauteile wird über das Abkühlverhalten und die Materialschrumpfung beeinflusst. Bedingt durch unterschiedliche Abkühlzeiten der einzelnen Schichten treten interne Materialspannungen auf. Dies führt während dem Abkühlvorgang zu einem Verzug der Bauteiloberfläche, somit zu einer Krümmung des Bauteils und teilweise einem Ablösen von der Bauplattform (Wraping, Curling). Mit einer geeigneten Einstellung der bereits genannten Maschinenparameter und einer anwendungsspezifischen Materialwahl (siehe Tab. 6.1) kann dieser Effekt beeinflusst werden. Besonders zu beachten ist die Temperatur des Druckbetts, welche an die Glasübergangstemperatur des Materials angepasst sein muss. Ebenso beeinflusst die Geschwindigkeit des Bauprozesses die Bauteilkrümmung. Im Wesentlichen wird diese über die Verfahrensgeschwindigkeit des Druckkopfes (in mm/s) und die Geschwindigkeit des Extrudereinzuges bestimmt. Ist eine Variation des Materialflusses von Nöten, wirkt sich diese Einstellung unter anderem auf das Abkühlverhalten und die Prozesslaufzeit aus. Um eine stabile Anbindung an die Bauplattform zu gewährleisten werden zusätzliche Verbundschichten (Brim) generiert. Diese müssen nach der Fertigung zum Entfernen der Bauteile von der Plattform durchtrennt werden [Fast16]. Die Schichthöhe muss auf die Bauteileigenschaften angepasst sein (siehe Abb. 6.5). Für eine gute Oberflächenqualität des gefertigten Bauteils ist diese möglichst klein zu wählen, um den Treppenstufeneffekt (siehe Abschn. 4.3) möglichst gering zu halten. Bei größerer Schichthöhe ist der Verbund zwischen den einzelnen Lagen größer. Mit einem erhöhten Materialfluss wird der eingebrachte Wärmeeintrag ebenfalls erhöht und die VerschweiSchichthöhe

Klein

Groß

Langsam

Prozesszeit

Schnell Klein

Groß

Fein

Schichtdichte

Oberflächenwelligkeit

Grob

Abb. 6.5  Schematische Darstellung des Einflusses der Schichthöhe auf ausgewählte prozessspezifische Parameter

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM)

109

ßung der einzelnen Lagen verbessert. Der Detaillierungsgrad fällt durch diese Maßnahme jedoch deutlich schlechter aus. Werden Bauteile, die größtenteils aus waagerechten Flächen und 90° dazu stehenden senkrechten Kanten bestehen gefertigt, ist es sinnvoll eine große Schichthöhe zu wählen. Mit dünnen Schichten wird die Prozesszeit unnötig verlängert und die Effekte auf die Oberflächenbeschaffenheit sind gering [Alta18]. Die Wahl der Baurichtung hat insbesondere einen Einfluss auf die Festigkeit des Bauteils und das Bruchverhalten. In Schichtrichtung kann ein Sprödbruch aufgrund von Kerbwirkung, die durch das Innenraster hervorgerufen wird, erfolgen. Gefertigte Bauteile versagen dann, bei zu geringer Verschmelzung zwischen den Schichten, mit einem glatten Bruch senkrecht zur Schichtausrichtung [Klah18]. Laserbasierte Verfahren Ein wesentliches Werkzeug in vielen Maschinen für die Additive Fertigung ist die Laserstrahlquelle. Für unterschiedliche Materialien werden aufgrund des materialspezifischen Absorptionsverhaltens verschiedene Laserstrahlquellen eingesetzt. Eine Veränderung der einstellbaren Parameter der Laserstrahlquelle wirkt sich auch auf die endgültigen Eigenschaften des gefertigten Bauteils aus. Für ein besseres Verständnis erfolgt eine kurze Erläuterung der grundlegenden Funktionsweise eines Lasers und eine Übersicht über die Aufbauten der unterschiedlichen Laserstrahlquellen, die für die Additive Fertigung eingesetzt werden. Die Erzeugung von Laserstrahlung basiert physikalisch betrachtet auf Energiedifferenzen verschiedener Energieniveaus. Grundlegend wird ein Elektron oder Molekül angeregt und gelangt in ein höheres Energie- bzw. Schwingungsniveau. Diese Anregung erfolgt über eine Absorption eingestrahlter Pump-Photonen (hf). In einer vereinfachten Darstellung eines Zwei-Niveau-Systems sind die grundlegenden Effekte schematisch dargestellt (Abb. 6.6). Über eine Rekombination „fallen“ die angeregten Elektronen wieder in den Ausgangszustand zurück und senden dabei optische Strahlung in Form eines Photons aus, welches die Energie aus der Differenz der beiden Niveauzustände besitzt. Bei einem spontanen, unbeeinflussten Zurückfallen in das untere Niveau wird ein ungerichtetes Photon

E2

Energie

Abb. 6.6 Schematische Darstellung des Zwei-Niveau-­ Systems eines Lasers [Svel10]

hf hf

E1 Absorption

hf

Spontane Emission

hf

hf

Stimulierte Emission

6  Die Entwicklungsumgebung

110

ausgesendet. Mit der spontanen Emission (Abb.  6.6 Mitte) startet ein Laserprozess [Svel10]. Ein vorbeifliegendes Photon stimuliert ein angeregtes Elektron in den Grundzustand zurück. Dieses sendet dabei ein Photon in dieselbe Richtung des einfallenden Photons mit derselben Energie aus. Das ausgesendete Photon kann wiederum ein angeregtes Elektron stimulieren. Über diese Kettenreaktion und einen stabilen angeregten Zustand der Teilchen wird somit das Erzeugen einer kohärenten Laserstrahlung ermöglicht [Svel10]. Der erste funktionsfähige Laser von 1960 ist ein auf einem Drei-Niveau-System basierender Rubinlaser. Die Elektronen werden höher als zuvor beim Zwei-Niveau-System beschrieben in das obere Laserniveau E3 angeregt, um den Pumpvorgang effektiver gestalten zu können (Abb. 6.7). Aus dem Grundniveau erfolgt ebenfalls wieder eine Anregung der Elektronen über eine Absorption. Das Energieniveau E3 hat eine sehr kurze Lebensdauer von ca. 10−8 s (materialabhängig), sodass die Elektronen innerhalb weniger Nanosekunden strahlungsfrei (oder mittels spontaner Emission) in das obere Laserniveau E2 relaxieren. Das obere Laserniveau hat eine Lebensdauer von einigen Millisekunden (ebenfalls materialabhängig). Die Laserstrahlung wird hier auch wieder durch eine spontane Emission gestartet und mit einer stimulierten Emission verstärkt. Die Energie der emittierten Strahlung entspricht der Energiedifferenz zwischen dem Niveau E2 und E1 [Fisc10, Youn97]. Nahezu alle Laserstrahlquellen (bis auf den bereits erwähnten Rubinlaser und einzelne weitere Lasersysteme) basieren auf einem Vier-Niveau-System (Abb. 6.8). Dieses System ist ebenfalls stark vereinfacht in Bezug auf die Realität. In realen Systemen existieren teilweise hunderte Unterniveaus. Die Funktionsweise ist jedoch übertragbar. In einem Vier-Niveau-System liegt das Grundniveau E0 unter dem unteren Laserniveau E1. Mit dieser Anordnung kann wesentlich schneller ein stabiler Zustand erreicht werden. Der Laserübergang ist auch hier zwischen den Niveaus E2 und E1. Damit sich in dem unteren Laserniveau E1 nicht zu viele Elektronen ansammeln ist dieses ebenfalls sehr kurzlebig, sodass die Elektronen strahlungsfrei (oder mittels spontaner Emission) in den Grundzustand relaxieren. Somit kann kontinuierlich weiter gepumpt bzw. angeregt und ein stabiler Laserzustand erreicht werden [Eich10].

Abb. 6.7 Schematische Darstellung des Drei-Niveau-­ Systems eines Lasers [Fisc10]

E3 Relaxation

Anregung

E2 Stimuliert

E1

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM) Abb. 6.8 Schematischer Aufbau des Vier-Niveau-­ Systems eines Lasers [Eich10]

111 E3 Relaxation E2 Anregung

Stimuliert E1 Relaxation

E0

Laserarten Die am häufigsten eingesetzten Laserarten in den Verfahren der Additiven Fertigung sind Festkörperlaser (zu denen die Stablaser, Faserlaser und Scheibenlaser gehören), Gaslaser (CO2-Laser) und Diodenlaser. Alle Strahlquellen besitzen Resonatoren, die auf dem Prinzip der Mehrfachreflexion basieren. Die Anordnung des aktiven Lasermediums und der Resonatorspiegel variiert mit den Laserarten. Bei einem Festkörperlaser besteht das aktive Lasermedium aus aktiven Ionen der Gruppe der Übergangsmetalle und seltenen Erden. Diese aktiven Ionen werden in einen passiven Wirtskristall oder Gläser dotiert, welcher als Abstandshalter agiert. Heute gängige Wirtskristalle sind beispielsweise Saphir, Alexandrite, Glas, Yttrium-­Aluminium-­ Granat und Yttrium-Vanadat. Aus einer Kombination der verschiedenen Wirtskristalle mit aktiven Ionen entstehen Laserkristalle die unterschiedliche Emissionswellenlängen besitzen [Eich10]. Bei geringen Leistungsbereichen kann die entstandene Verlustwärme im Kristall über die Umgebungsluft oder Kühlkörper abgeleitet werden. Bei hohen Leistungsbereichen (einige 100 W bis in den kW-Bereich) ist ein fluidumströmtes Kühlsystem notwendig. Eine optische Anregung erfolgt über Diodenlaser (früher Gasentladungslampen) mit der entsprechenden Wellenlänge im Bereich der notwendigen Anregungsenergie. Im Laserkristall entsteht durch die Anregung ein Temperaturgradient. Beim Überschreiten der geometrieabhängigen Wärmeleistung kann dies zu einer Kristallzerstörung führen. Durch die Wärmeentwicklung im Kristall entsteht außerdem eine thermisch induzierte Linse, die einen wesentlichen Einfluss auf den Strahlverlauf und die Strahlqualität haben kann [Sigr18]. Der Resonatoraufbau eines Nd:YAG1  – Stablasers ist mit einer transversalen Pumprichtung in der nachfolgenden Abb. 6.9 schematisch dargestellt. Der aktive Laserkristall ist zwischen zwei Resonatorspiegeln positioniert. Ein Spiegel ist hoch reflektierend, der zweite dient als Auskoppelspiegel und ist teilreflektierend. Der Spiegelabstand entspricht einem Vielfachen der Laserwellenlänge, um im Resonator eine stehende Welle zu erzeugen. Ein longitudinaler Pumpaufbau ist ebenso möglich. In diesem Fall ist darauf zu 1

 Neodym dotiertes Yttrium Aluminium Granat.

112

6  Die Entwicklungsumgebung HR (100%)

TR (99,98%)

Anregung

Spont. Emission

Auskopplung

Stim. Emission Laserkristall

Abb. 6.9 Schematische Funktionsweise eines transversal gepumpten Stablaser-Resonators [Hueg09]

a­ chten die Beschichtungen den Resonatorspiegeln so anzupassen, dass die Pumpstrahlung einseitig in den Laserkristall ein- und ausgekoppelt werden kann. In Auskopplungsrichtung des Laserstrahls darf keine Pumpstrahlung ausgekoppelt werden. Mit diesen Aufbauten ist das Erzeugen einer kohärenten, gerichteten Laserstrahlung gewährleistet. Der Nd:YAG-Laser hat eine Wellenlänge von 1064 nm und wird bei einer Wellenlänge von 808 nm gepumpt [Hueg09]. Bei einem Scheibenlaser variiert die Anordnung der Komponenten im Vergleich zum Stablaser, die Funktionsweise ist dabei unverändert. Durch die Form des Lasermediums als dünne Scheibe (wenige Millimeter Dicke) wird der Effekt der thermischen Linse reduziert und eine Wärmeabfuhr erfolgt großflächig. Somit wird die maximal zulässige Wärmebelastung erhöht und der Wirkungsgrad gesteigert. Scheibenlaser werden schräg gepumpt. Die Beschichtung der Scheibenrückseite fungiert als hochreflektierender Resonatorendspiegel. Ein zusätzlicher Auskoppelspiegel wird in den Strahlengang eingesetzt (Abb.  6.10). Ein mögliches aktives Medium ist beispielsweise Yb:YAG,2 welches eine Emissionswellenlänge von 1030 nm besitzt [Eich10]. Bei einem Faserlaser sind die aktiven Ionen in Glas dotiert und die polierten Faserendflächen dienen als Resonatorspiegel. Die Faser entspricht einem extrem langen und dünnen Resonator, bei dem die ausgekoppelte Strahlqualität durch die Fasergeometrie definiert ist. Durch die große Oberfläche wird die Verlustwärme über die Umgebungsluft abgeleitet. Außerdem besitzt dieses System wesentliche Vorteile in Bezug auf die Strahlqualität und die Effizienz im Vergleich zu einem Stablaser [Eich10]. Bei Gaslasern sind die laseraktiven Bestandteile die Gasatome, -ionen oder -moleküle. Das aktive Gas befindet sich mit einem zusätzlichen Pumpgas in einem Glas- oder Keramikrohr. Die Anregung erfolgt über eine elektrische Gasentladung. In der Additiven Fertigung werden beispielsweise für das SLS-Verfahren CO2-Laser eingesetzt. Hierbei bilden die CO2-Moleküle das aktive Lasermedium. Die diskreten Schwingungs- sowie Rotationsniveaus stellen die einzelnen Laserniveaus dar. Stöße zweiter Art mit den Stickstoffmolekülen (Pumpgas) regen die aktiven Gasmoleküle an. Die Verstärkung der Laserstrahlung erfolgt ebenfalls wieder über eine Mehrfachreflexion zwischen den Resonatorspiegeln [Eich10]. 2

 Ytterbium dotiertes Yttrium Aluminium Granat.

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM)

113

Indiumscheibe (Wärmeleitung) Pumpstrahlung

Laserstrahlung

Wärmesenke

Laseraktive Kristallscheibe

Auskoppelspiegel

Abb. 6.10  Schematischer Aufbau eines Scheibenlaserresonators [Eich10]

Diodenlaser (oder Halbleiterlaser) zählen zu den Festkörperlasern, basierend auf dem Prinzip einer Halbleiterdiode. Abhängig von den Materialkombinationen kann die Emissionswellenlänge über einen großen Spektralbereich eingestellt werden (bspw. Diodenlaser auf Gallium Arsenid Basis emittieren Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,5 μm bis 1,5 μm, abhängig von der Dotierung des Halbleitermediums). Über die Dotierung ist festgelegt, ob die Rekombinationsenergie in dem pn-Übergang in Form von Wärme oder optischer Strahlung freigesetzt wird und eine Verstärkung möglich ist. Als Resonatorspiegel dienen die polierten Endflächen. Diodenlaser funktionieren nach einem „Quasi-Vier-­ Niveau-­System“. Dabei dient das Valenzband als Grundniveau und das Leitungsband als das E3-Niveau. Der Laserübergang befindet sich in der Übergangszone zwischen diesen beiden Halbleiterbändern. Aufgrund der Bänder existieren keine diskreten Niveaus, sondern breitbandige Übergänge. Im Vergleich zu den anderen Lasersystemen besitzen Diodenlaser einen hohen Wirkungsgrad von über 40 % und eine hohe Lebensdauer. Die ausgekoppelte Strahlung weist aufgrund des Schichtaufbaus der Halbleiterdiode eine große Divergenz mit einem elliptischen Strahlquerschnitt auf. Über einfaches Stapeln einzelner Laserdioden und eine Überlagerung der ausgekoppelten Strahlung können höhere Leistungen erzeugt werden. [Sigr18]. Absorption von Laserstrahlung Als wesentlicher Faktor für den Einsatz von Strahlung mit der richtigen Wellenlänge gilt das Absorptionsverhalten der Materialien. Einflussfaktoren auf die Absorption sind beispielsweise die Oberflächenreflexion, Transmission und Streuungen (oberflächlich oder im Material). Die Oberflächenbeschaffenheit definiert dieses Verhalten. Bei sehr glatten, polierten oder beschichteten Oberflächen wird Strahlung nahezu vollständig reflektiert.

6  Die Entwicklungsumgebung

114

Raue Oberflächen oder Pulver haben eine größere Angriffsfläche und die eingekoppelte Strahlung ist durch interne Reflexionen innerhalb des Materials „gefangen“. Beim SLM-Verfahren werden die Bauteile (bspw. aus einer Aluminiumlegierung) aus einem Pulverbett gefertigt. Durch die Unebenheiten der Oberfläche und die höhere Absorption von Aluminium im Bereich von 1030 nm kann die Laserstrahlung ausreichend Energie einbringen, um das Material aufzuschmelzen. Im Vergleich zu Metallen absorbieren Polymere im Bereich der CO2-Strahlung von 10,6 μm deutlich besser (Tab. 6.2), weshalb diese Strahlquellen in den SLS-Anlagen eingesetzt werden [Krut03]. Für die Additive Fertigung muss mit dem Einsatz von Laserstrahlung auf mehrere Parameter geachtet werden. Einerseits muss die Wellenlänge der Strahlquelle –wie beschrieben – auf das Absorptionsverhalten des Materials angepasst sein. Zusätzlich hat das charakteristische Strahlprofil eines Lasers einen Einfluss auf die Bauteilqualität. Der Strahlquerschnitt ist kreisförmig und besitzt eine gauß’sche Intensitätsverteilung, außer die Intensitätsverteilung wird gezielt über eine Optik beeinflusst. Mithilfe einer Linse (meist F-Theta-Linse) wird der Laserstrahl in die Bearbeitungsebene fokussiert. Abhängig von der gewählten Brennweite der Linse ist der Fokusdurchmesser variabel einstellbar, dieser kann in der Theorie nie kleiner werden als die Wellenlänge selbst. Eine kürzere Brennweiter der Linse erzeugt einen kleineren Fokusdurchmesser, der Verlauf der Strahlung hat aber eine größere Divergenz. Dies bedeutet, ober- und unterhalb der Fokusebene variiert der Strahldurchmesser stark (Abb. 6.11). Bei einer kleinen Divergenz verändert

Tab. 6.2  Absorptionswerte ausgewählter Materialien bei Nd:YAG  – Strahlung im Vergleich zur CO2-Strahlung in Prozent [Krut03] Pulvermaterial Metalle  Cu  Fe  Sn  Ti  Pb Keramiken  ZnO  Al2O3  SiO2  SnO  CuO  SiC  TiC Polymere  Polytetrafluoroethylene  Polymethylacrylate  Epoxypolyether Polymere

Absorption bei Nd:YAG (1064 nm) Absorption bei CO2 (10,6 μm) 59 % 64 % 66 % 77 % 79 %

26 % 45 % 23 % 59 % -

2 % 3 % 4 % 5 % 11 % 78 % 82 %

94 % 96 % 96 % 95 % 76 % 66 % 46 %

5 % 6 % 9 %

73 % 75 % 94 %

115

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM) Abb. 6.11 Schematische Darstellung der Divergenz eines Strahlverlaufs bei unterschiedlichen Brennweiten der Fokussieroptik

Kleine Divergenz Große Divergenz

Strahltaille

DivergenzWinkel Ausbreitungsrichtung

sich der Strahlquerschnitt um den Fokusbereich weniger. Mit dem Fokusdurchmesser wird somit die Breite der Bauteilkontur limitiert [Khai16, Pink16]. Selektives Laserstrahlschmelzen Das Pulverbett erfährt eine lokale, kurzzeitige thermische Aktivierung, indem die eingekoppelte Laserstrahlung in thermische Energie umgewandelt wird. Dies ermöglicht ein punktuelles Aufschmelzen der Materialoberfläche. Über den gesamten Bauprozess betrachtet wird der Werkstoff vollständig geschmolzen, sodass hohe Bauteildichten realisierbar sind. Die Leistung der einfallenden Strahlung kann für einzelne Bauteilbereiche oder auf bestimmte Anforderungen an die Bauteileigenschaften angepasst und variiert werden. Somit besteht ebenfalls die Möglichkeit eine gezielte Dichtevariation in einem Bauteil einzubringen. Ebenso kann mit mehrfachen Überfahrten die Oberfläche einer Schicht geglättet werden. Die minimal einzubringende Energiedichte setzt sich aus der Streckenenergiedichte, der Flächenenergiedichte/mittleren Energiedichte und der Volumenenergiedichte zusammen [Gupt18]. Die wesentlichen Einflussparameter, die in diese Berechnungen mit einfließen sind die Laserleistung (PL), die Belichtungsgeschwindigkeit (vs), der Hatchabstand (h) – der Abstand der Mittelpunkte der einzelnen Laserlinien zueinander, die Spurbreite (w) und die Strahleindringtiefe (dz) (siehe Abschn. 4.3).

116

6  Die Entwicklungsumgebung

Die einzelnen Formeln setzen sich wie folgt zusammen: • Streckenenergiedichte: EStrecke =

PL d z ⋅ vs

• Flächenenergiedichte: EFlache = 

PL h ⋅ vs

• Volumenenergiedichte: EVolumen =

PL d z ⋅ h ⋅ vs

Weitere Maschinenparameter, die in einem System eingestellt werden können, sind beispielsweise die Bauraumtemperatur, die Schutzgasatmosphäre, die Abkühlzeit und der Verfahrweg des Lasers. Die Einstellungen dieser Parameter erfolgen über eine zusätzliche maschinenspezifische Software. Von den meisten Maschinen-Herstellern werden die idealen Maschinenparameter für unterschiedliche Materialien vorzeitig bestimmt und in die Software eingepflegt [Will98]. Stereolithografie Die Stereolithografie (SLA) basiert im Vergleich zu den zuvor genannten Verfahren auf einem flüssigen Ausgangsmaterial, in Form eines Fotosensitiven Harzes. Dieses ist ein zähflüssiges Bad aus unvernetzten Monomeren. Der Aushärteprozess und die Produktion der Bauteile erfolgt über eine Polymerisation. Die Monomere bestehen aus Kohlen-­ Wasserstoff-­ Verbindungen und besitzen aufzuspaltende Doppelbindungen. Bei einem Polymerisationsverfahren handelt es sich um eine Kettenreaktion der ungesättigten Einzelmoleküle zu Makromolekülen. Für die Startreaktion sind Initiatoren im Harz beigemischt, die mithilfe einer von außen einwirkenden Energiezufuhr in Radikale zerfallen. Die entstandenen Radikale reagieren mit dem doppelgebundenen Kohlenstoff im Monomer, spalten somit diese Doppelbindungen auf. Dies führt zu einer Kettenfortpflanzungsreaktion. Bei einem Zusammenschluss zweier Polymerketten zu einer Kette und einer Reaktion der Kette mit einem Initiator wird die Kettenreaktion unterbrochen. Der Initiator startet und begrenzt (räumlich) die Polymerisation. Die gesamte Reaktion ist stark exotherm und sorgt während des Bauprozesses für eine Verdichtung des Materials [Bart11]. Aufgrund der Polymerisation sind im Vergleich zu den vorher genannten Verfahren noch weitere beeinflussende Parameter zu berücksichtigen. Die Polymerisation findet auch nach dem Ausschalten der Lichtquelle weiterhin über eine definierte Reaktionszeit statt, bis zu einer Abbruchreaktion. Besonders beeinflusst dieser Effekt die Umsetzung sehr dünner Wandstärken oder sehr hoher Detaillierungsgrade. Auch in diesem Bauprozess schrumpft das Material während dem Abkühlvorgang. Die Verspannungen an der Bauteiloberfläche oder im Volumen führen in manchen Fällen zu einer fehlerhaften Fertigung aufgrund eines Bauteilverzugs [Gebh16]. Mithilfe unterschiedlicher Belichtungsstrategien ist es möglich den Polymerisationseffekt und einen bestimmten Detaillierungsgrad umzusetzen. Diese beeinflussen auch den

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM)

117

Bauprozess und die Bauteilqualität. Eine Belichtungsmöglichkeit ist das bereits angesprochene Laser-Scanner-Verfahren. Hierbei bildet der Laser die Kontur des Bauteilquerschnitts ab, wodurch eine Fokussierung innerhalb des Harzbades erfolgt. Im Bereich des einfallenden Fokus wird das Material ausgehärtet. Diese Strategie wird auch bei einer Zwei-Photonen-Polymerisation eingesetzt. Dabei wird eine zusätzliche zweite Strahlquelle verwendet, um einen Kreuzungspunkt beider erzeugten Strahlen zu erhalten. Über die Energie zweier zeitgleich auftreffender Photonen erfolgt die Polymerisation. Dies ­ermöglicht eine hohe Auflösung und Strukturen mit Wandstärken im einstelligen Mikrometerbereich [Gebh16]. Eine zweite Belichtungsstrategie ist das Maskenverfahren. Der Schichtverlauf wird auf einer Maske abgebildet. Mit einer UV-Lampe wird das Maskenbild auf die Oberfläche des Harzbades projektziert. Wie auch beim Pulverbettverfahren muss bei jeder Belichtungsstrategie ein definierter Flächenenergieeintrag gewährleistet sein, um die geforderten Schichtdicken und Materialhärte zu erzielen [Gebh16]. Die Einhärttiefe (Cure Depth) gibt an, bis zu welcher Tiefe das Monomer polymerisiert wird. Ab einer kritischen Flächenenergie sind ausreichend Photonen in das Monomer eingestrahlt worden, um eine Polymerisation zu ermöglichen. Somit ist die Einhärttiefe abhängig von der Flächenenergie und den Harzparametern. Ebenso muss die Intensitätsverteilung des Laserstrahls mit berücksichtig werden (üblicher Weise eine Gauß-Verteilung). Dies hat zur Folge, dass die Aushärtespur die Form eines parabolischen Zylinders, bedingt durch die Strahlcharakteristik der Laserstrahlquelle besitzt [Lee01]. Für viele Harze liegt die optische Eindringtiefe zwischen 0,2 mm und 0,3 mm, wodurch die Schichthöhe limitiert wird. Über die Kettenreaktionen der Polymerisation besteht die Möglichkeit eine Schichtdicken bis maximal 0,5 mm zu fertigen. Für größere Schichtdicken muss entweder die Materialauswahl oder der Flächenenergieeintrag angepasst werden. Höhere Laserleistungen führen in dem Monomerbad häufig zu einer unerwünschten Streustrahlung, was unkontrollierbare Polymerisationen innerhalb des Bades zur Folge haben kann. Die Genauigkeit der Bauteilgeometrie wird dadurch besonders beeinflusst. Für eine optimale Parameterwahl sollten möglichst dünne Schichten mit einer hohen Scangeschwindigkeit generiert werden, um unerwünschte Effekte zu vermeiden [Gebh16]. Auftragsschweißen pulverbasiert Das Laserauftragsschweißen zählt ebenfalls zu den Verfahren der Additiven Fertigung. Bedingt durch den Prozessaufbau werden Auftragsschweißprozesse überwiegend zur Reparatur von beispielsweise Umformwerkzeugen, Triebwerks- oder Turbinenteilen eingesetzt. Ebenfalls muss hierfür die Laserstrahlquelle an die verwendeten Materialien angepasst werden. Das Ausgangsmaterial kann entweder als Pulver vorliegen oder in Drahtform. Bei einem pulverbasierten Verfahren wird das aufzutragende Pulver über einen Gasstrom der Bearbeitungsebene zugeführt [Prak18]. Der Aufbau des Bearbeitungskopfes kann auf unterschiedliche kinematische Arten umgesetzt werden. Klassisch wird der Laser zentral zugeführt. Die Pulverzufuhr kann sowohl lateral von der Seite erfolgen, koaxial aus mehreren Düsen oder radial um den Laserstrahl herum (Abb. 6.12).

118

6  Die Entwicklungsumgebung Radialsymmetrische Pulverzufuhr

Laterale Düse

Laserstrahl

Pulverstrom A)

Pulverstrom

Laserstrahl

B) Laserstrahl

Prozessgas

Koaxialer Pulverstrom C)

Abb. 6.12  Schematische Darstellung der unterschiedlichen Anordnungen der Bearbeitungsköpfe für das pulverbasierte Laserauftragsschweißen. A) Laterale Düsenzufuhr, B) Radial symmetrischer Pulverstrom, C) Koaxialer Pulverstrom [Cand11, Gass10, Hong13]

In dem Prozess herrschen Einflussparameter wie die Laserleistung, die Fokuslage, der Massenvolumenstrom des Pulvers, die Vorschubgeschwindigkeit, das Prozessgas und die Bauraumtemperatur vor. Letzteres kann nur eingestellt werden, wenn eine abgeschlossene Bearbeitungskammer ein Bestandteil der Maschine ist. Mit einer Variation der genannten Parameter oder verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten werden die Wandstärke, Schichthöhe, Bauteildichte und das Volumen des aufgetragenen Materials bestimmt. Ebenfalls beeinflusst das Substrat die Anbindung der neu aufgebrachten Kontur. Eine geeignete Vorbereitung des Substrates ist somit notwendig [Brue18]. Auftragsschweißen drahtbasiert Statt mit Pulver können die einzelnen Schichten beim Auftragsschweißen auch über das Aufschmelzen eines drahtförmigen Ausgangsmaterials generiert werden. Mit diesem Verfahren besteht neben dem Einsatz metallischer Drähte auch die Möglichkeit Komponenten aus Glasfasern additiv zu fertigen, ohne zusätzliche Bindemittel einzusetzen. Als Strahlquelle wird dabei ein CO2 – Laser eingesetzt, der im kontinuierlichen/quasikontinuierli-

119

6.2  Computer Aided Manufacturing (CAM) Strahlfallen

Spiegel

CO2-Laser

Strahlteiler

Fokussieroptik

Gedrucktes Glas

PL, P

α v

vF

Faserförderung z

Substrat

x

y

Abb. 6.13  Schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus zum Laserauftrags-schweißen von Glasfaser mit einer CO2 – Strahlquelle [Vonw18]

chen Betrieb arbeitet. In der Literatur wird angegeben sowohl fokussiert als auch defokussierte Strahlung zu verwenden. Ein homogenes An- oder Aufschmelzen der Fasern muss dabei gewährleistet sein [Lou16; Vonw18]. Mit Förderrollen wird die Faser in den Bearbeitungsbereich eingebracht (Abb. 6.13). Eingesetzt werden derzeit Fasern mit oder ohne einen optischen Kern und mit einer dünnen Ummantelung (Cladding) von wenigen zehn Mikrometern. Die Ummantelung aus Kunststoff ist notwendig, um ein bruchfreies Aufwickeln und Fördern der Faser zu gewährleisten. Vor dem Aufschmelzen der Glasfaser wird die Ummantelung von der eingebrachten Laserstrahlung rückstandsfrei verdampft [Vonw18]. Die Größe der fertigbaren Komponenten und Werte der Oberflächenbeschaffenheit sind durch die Eigenschaften der eingesetzten Glasfaser begrenzt. Der schichtweise umgesetzte Auftrag einzelner Fasern hat einen wesentlichen Einfluss auf die Homogenität und Transparenz des Endproduktes. Eine Nachbearbeitung der gefertigten Proben ist bisher unumgänglich [Lou17]. Es besteht noch erheblicher Forschungsbedarf der gegenwärtig unter anderem in Projekten wie GROTESK und dem Excellenzcluster PhoenixD in Hannover bearbeitet wird. Auch Lichtbogenverfahren können zum Auftragsschweißen eingesetzt werden. Diese dienen überwiegend zur Instandsetzung abgenutzter oder beschädigter Bauteile können aber auch genutzt werden, um komplette Geometrien mit geringer Genauigkeit zu erstellen. Der Lichtbogen brennt zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück. Beide Bereiche werden aufgeschmolzen. Das flüssige Drahtmaterial wird auf das Substrat „aufgetropft“. Die bereits aufgebrachten Schichten werden aufgrund der darüber aufzubringenden Schicht erneut aufgeschmolzen. Wesentliche Vorteile des Verfahrens sind, dass deutlich

120

6  Die Entwicklungsumgebung

größere Aufschmelzleistung und Schichtdicken möglich sind als bei anderen additiven Fertigungsverfahren. Zum Beispiel sind mit Metallschutzgas-Verfahren durchschnittliche Auftragsraten von fünf Kilogramm pro Stunde aber auch deutlich mehr realisierbar. Die Verfahren können mithilfe eines Roboterarms durchgeführt werden. Während der gesamten Bearbeitung gestaltet sich die Wärmeabfuhr allerdings kritisch und inhomogen. Die Komponenten müssen deshalb zur Reduktion innerer Spannungen thermisch nachbehandelt werden [Reis18].

6.3

Validierung und Qualitätskontrolle

Unter Einbeziehung der vielfältigen Prozessparameter für additive Fertigungsverfahren, der Modifikationen der Fertigungsanlagen und der Vergleichbarkeit mit traditionellen Fertigungsverfahren ist es unumgänglich, die Prozesse und Bauteile zu prüfen und zu validieren, um die notwendige Qualität der Bauteile absichern zu können. Für diese Prüfungen stehen für die verschiedenen Prozessschritte diverse Prüfverfahren zur Verfügung, die jeweils die Untersuchung von Eigenschaften oder Funktionen erlauben. Im Folgenden werden verschiedene Prüfverfahren geordnet nach Ihrer Anwendung in der Prozesskette der Additiven Fertigung vorgestellt und deren Anwendungsgebiete konkretisiert.

6.3.1 Zerstörende Prüfung Um die Qualität eines Materials oder Materialverbundes zu validieren und dessen Lebensdauer unter dynamischer Last zu quantifizieren, und damit die Machbarkeit eines Prozesses zu demonstrieren, werden vor allem zerstörende Prüfmechanismen verwendet. Für diese Prüfungen werden in der Regel genormte Prüfkörper gefertigt und diese in den dazugehörigen Prüfständen getestet. Für die Additive Fertigung stehen bisher vor allem die Prüfungen zur mechanischen Belastbarkeit und zum Materialverbund im Vordergrund. In Abb. 6.14 sind Zugproben für das Additive Repair aus AlSi10Mg dargestellt. Für Kunststoffmaterialien werden Versuche auch mit Temperaturüberlagerung durchgeführt. Von unbelasteten und zerstörten Proben werden oft Schliffbilder gefertigt, um die Versagensmechanismen genauer zu analysieren. Die Vermessung der Schnittfläche erfolgt meist über Weißlichtaufnahmen und dient dazu, den Materialverbund im Bauteil zu charakterisieren. Hierbei können beispielsweise die Homogenität des laserstrahlgeschmolzenen Materials, die Dichte des Bauteils, eingeschlossene Kavitäten, Verunreinigungen, aber auch die Anbindungen an Einlegebauteile optisch analysiert werden. In Abb. 6.15 ist das Schliffbild einer Komponente zu sehen, welche über Additive Repair gefertigt wurde. Die obere Hälfte zeigt dabei das additive gefertigte Volumen, die untere Hälfte das bereits vorhandene Bauteil. Deutlich zu sehen sind die Gefügeunterschiede. Die abgerundeten Linien zeigen die schichtweise Eindringtiefen des Lasers bzw. dass dadurch entstandene Schmelzbad.

6.3  Validierung und Qualitätskontrolle

121

Abb. 6.14  Gedruckte Aluminiumzugproben nach DIN50125 [Zgha18]

Abb. 6.15  Schliffbild einer Probe aus zwei Aluminiummaterialien [Zgha18]

Für jeden Lastfall (Zug, Biegung, Torsion) bestehen für jede Materialklasse Normen, welche die Probengeometrie, den Prüfaufbau und die Belastungen vorschreiben. Für besonders sicherheitsrelevante Bauteile besteht gelegentlich auch die Notwendigkeit der Untersuchung multiaxialer Belastungszustände am gesamten Bauteil. Hierbei können Belastungsart und Höhe kombiniert und über der Zeit variiert aufgebracht werden. Auch bei einem solchen Test wird das Bauteil in der Regel stark beansprucht oder sogar zerstört und kann nicht mehr im Produkt eingesetzt werden. Abb.  6.16 zeigt einen hydraulisch angetriebenen Prüfstand zur Untersuchung multiaxialer Belastungszustände. Verformungen im Bauteil können durch Laserdopplervibrometer im dynamischen Betrieb visualisiert werden. Spannungen können aus den Verformungen abgeleitet werden.

6.3.2 Prozessüberwachung und -regelung Für die Prozessüberwachung werden Messverfahren eingesetzt, die im In-Prozess, also während des schichtweisen Aufbaus des Bauteils, zum Einsatz kommen. Diese In-Line-Prozess-

122

6  Die Entwicklungsumgebung

Abb. 6.16  Prüfstand zur Untersuchung multiaxialer Belastungszustände

überwachung ist insbesondere von Relevanz in der Serienfertigung additiv gefertigter Komponenten, da hier die Qualität der Bauteile, aber vor allem deren Wiederholgenauigkeit sichergestellt werden müssen, um die Ausschussrate zu minimieren. Der Bauraum der Additiven Fertigungsanlage kann mit Pyrometern und Wärmebildkameras zur Evaluierung des Schmelzbades ausgestattet werden. Dabei muss insbesondere darauf geachtete werden, dass die Bildwiederholrate, der Datentransfer und die Datenverarbeitung schnell genug sind, um aktiv in den Prozess eingreifen zu können. Für die Bestimmung der Maßabweichungen dienen optische Messverfahren auf interferometrischer Basis oder über nah-infrarote (NIR) Laufzeitmessung. Diese Verfahren besitzen eine Genauigkeit im Bereich der benutzten Wellenlänge und sind somit im Stande, schichtdickenaufgelöst zu messen. Für die Prozesskontrolle kann hierbei entschieden werden, ob jede einzelne Schicht, jede n-te Schicht oder nur kritische Bereiche überwacht werden. Während des Fertigungsprozesses werden hierbei sowohl die Wärmeeintragszone (bzw. das Schmelzbad) als auch die Abmaße, also die Differenzen zwischen Ist- und Soll-­ Geometrie, vermessen und evaluiert. Mit gegebenen Randbedingungen wie beispielsweise dem maximalen Energieeintrag pro Volumenelement oder der maximal erlaubten Toleranz der Bauteile können Abbruchkriterien formuliert werden, die den Prozess steuern. Es kommt somit zum Prozessabbruch bei nicht eingehaltenen Zielwerten, oder zum erfolgreich gefertigten Bauteil mit der geforderten Qualität und Dokumentation. Einen Schritt weiter geht die adaptive Prozessüberwachung, bei der keine Abbruchkriterien, sondern Kriterien zur Aktivierung eines Regelkreises formuliert werden. Über diesen Regelkreis können die Prozessparameter während des Fertigungsprozesses geändert und angepasst werden, sodass Zielgrößen wieder erreicht werden. Wird zum Beispiel festgestellt, dass die kritische Temperatur des Schmelzbades überschritten wurde, kann die Laserleistung reduziert, die Scangeschwindigkeit erhöht oder die Linienabstände Können automatisch vergrößert werden.

6.3  Validierung und Qualitätskontrolle

123

6.3.3 Zerstörungsfreie Prüfung Zerstörungsfreie Prüfverfahren eignen sich insbesondere zur Charakterisierung von hochwertigen Bauteilen, die auch noch im Produkt zum Einsatz kommen sollen. Dabei können sowohl die Gestaltparameter als auch die Funktionalität des Bauteils untersucht werden. Da der Begriff Funktionalität sehr vielschichtig ist und alle realisierbaren Effekte abdeckt wofür ein breites Spektrum an Prüfverfahren zur Verfügung steht, wird hier die Absicherung der Gestaltparameter in den Vordergrund gestellt. Die Gestalt eines Bauteiles ist durch sieben Parameter definiert: • • • • • • •

Topologie (Materialanordnung, Struktur) Form (Konturformen) Maße (Durchmesser, Kantenlängen) Anzahl (formgebender Elemente, wie Anzahl Kühlrippen oder Bohrungen) Toleranzen (Mass-, Form- und Lagetoleranzen) Material/Materialzusammensetzung (Grenzflächen, Impuritäten) Oberfläche (Rauheiten, Risse, Defekte)

Eine Auswahl an Messverfahren und für welche Gestaltparameter diese geeignet sind, ist in Abb. 6.17 zusammengestellt. Die Computertomografie (CT) ist eine der wertvollsten Messverfahren für die Additive Fertigung, da sie die Überprüfung aller Gestaltparameter zulässt. Dies wird möglich durch die Bildgebung über Röntgenstrahlung, welche das Bauteil durchdringen und deren Wechselwirkung im Bauteil von Detektoren erfasst wird. Das Bauteil wird für die Messung zusätzlich gedreht bzw. neu ausgerichtet, um eine Art 3D-Scan des Objektes ­vorzunehmen.

Gestaltparameter

Messverfahren

Topologie

Form

Maße

Anzahl

Toleranzen

Material

Oberfläche

x

x

x

x

x

(x)

x

CT/ µCT

x

x

x

OCT

x

x

(x)

Weißlichtmikroskopie

x

x

x

x

x

Laser Scanning Mikroskopie

x

x

(x)

x

x

3D Scanning

x

x

x

x

(x)

Profilometer

x

x

x

x

Rasterelektronenmikroskopie

x

x

x

Shearographie

x

Röntgenabsorptionsspektroskopie

x

x

x

Ultraschall

x

Schallemissionsprüfung

x

Wirbelstromprüfung

x

x

x

x

x

Abb. 6.17  Auswahl an Messverfahren zur Bestimmung der Gestaltparameter Computertomografie (CT/μCT)

124

6  Die Entwicklungsumgebung

Abb. 6.18 CT-Aufnahme einer Tretkurbel mit inneren Strukturen

Durch den geringen Wechselwirkungsquerschnitt der Röntgenstrahlung ist es hier möglich, auch innere Kavitäten und Defekte innerhalb des Bauteilvolumens sichtbar zu machen. In Abb. 6.18 ist die CT-Aufnahme einer monomateriellen Tretkurbel dargestellt, welche im Zuge einer Gewichtsoptimierung innere Strukturen aufweist, und mit Reinigungsöffnungen versehen wurde. Die inneren Hohlräume können durch das CT dargestellt werden und es können Aussagen über die Oberflächenrauheit und Kerbwirkung auch im inneren des Bauteils getroffen werden. Optical Coherence Tomography (OCT) Optische Kohärenz Tomografie ist ein optisches Messverfahren zur Charakterisierung von Oberflächen mit der Möglichkeit, ein geringes Oberflächenvolumen aufzulösen. Es liefert somit Informationen über das Bauteilvolumen. Da jedoch die Lichtquelle meist Wellenlängen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist, liegen die Eindringtiefen der OCT im Millimeterbereich. Die OCT basiert auf einem interferometrischen Ansatz gemäß des Michelson-Interferometers. Für die OCT etablieren sich drei Betriebsmodi (frequency-domain, time-domain und swept-source OCT), welche jeweils eine Lichtquelle mit breitem Spektrum aufweisen, um Interferenzeffekte für verschiedene Wellenlängen zu evaluieren. Die Interferenzeffekte und die daraus entstehende Bildgebung bieten wie bei der CT auch die Möglichkeit, die oberflächennahe Materialzusammensetzung des Bauteils zu identifizieren. Die OCT gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Additive Fertigung, insbesondere im Hinblick auf die In-Line-Prozessüberwachung. Hier eignet sich das Messverfahren für das Vermessen der einzeln gefertigten Schichten, da diese dünn genug sind, um eine Tiefeninformation durch OCT zu erhalten. So kann nach jeder gefertigten Schicht eine OCT-Aufnahme ausgewertet werden und mit den Soll-­Daten verglichen werden. 3D Scannen Mit dem 3D-Scannen hat sich ein Messverfahren etabliert, welches sich größter Beliebtheit im Bereich des Reverse Engineering erfreut. Der 3D-Scan ermöglicht es zum Beispiel mit Hilfe von Streifenprojektionen die Hülle eines Bauteiles aufzunehmen. Gerade für die Reparatur beschädigter Komponenten bietet sich dieses Verfahren in Kombination mit der Additiven Fertigung an, da die gescannten Daten über Flächenrückführung in Oberflächenmodelle der Bauteile überführt werden können. Diese Modelle können in den

Literatur

125

Abb. 6.19  Reales Brillengestell und gescannter Datensatz

­ re-­Prozess der Additiven Fertigung eingespeist und erneut gedruckt werden. Die GenauP igkeit der neuen Bauteile hängt dabei maßgeblich von der Präzision des 3D-Scan-Verfahrens ab. Ein Beispiel ist in der Abb. 6.19 dargestellt. Es handelt sich um ein Brillengestell, welches auf dem Messtisch des 3D-Scanners positioniert wurde, und dessen Scandaten über Flächenrückführung zu einem Oberflächenmodell umgewandelt wurden. Im Gegensatz zum CT, welches auch 3D-Daten generiert, ist es mit dem 3D-Scan nicht möglich, verdeckte Hohlräume im Materialvolumen oder Materialunterschiede zu erkennen. Jedoch ist dieses Verfahren für die schnelle Datenakquise und die einfache Handhabung beliebt und kann auch große Objekte genau vermessen.

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7

Geschäftsmodelle

Die Additive Fertigung ist neben den in Kap. 2 diskutierten immer vorhandenen Pre-, Inund Postprozessen auch unternehmenstypologisch in eine Kette von Prozessen eingebettet, die in ihrer Struktur das jeweilige Geschäftsmodell abbildet. Die folgenden Abschnitte behandeln die Idee dieser Geschäftsmodelle/Business Cases und die sich daraus ergebenden Prozessketten sowie die Fragen nach den Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken im Kontext der Prozessketten. Es werden exemplarisch zehn typische Business Cases skizziert. Real sind Mischformen und sicherlich auch weitere Business Cases zu finden. Wir beschreiben im Folgenden kurz die jeweiligen Business-Cases, geben stichpunktartig die Prozesskette wieder und diskutieren Stärken und Schwächen des jeweiligen Geschäftsmodells. Unsere Vorstellung von Geschäftsmodellen entspricht dabei dem in Abb. 7.1 gezeigten Ansatz des Business-Model-Canvas. Im Sinne der Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung ist die Frage nach dem Business Case und der Idee der angestrebten Prozesskette als wesentliche strategische Rahmenbedingung für die Entwicklung von großer Relevanz, um den Einsatz der Additiven Fertigungsverfahren beurteilen zu können sowie die Produktgestalt und den Entwurf ausführen zu können. Neben den hier betrachteten Business Cases, bei denen die eigentlichen additiv gefertigten Teile im Fokus stehen, ist das Geschäft insbesondere durch Maschinen-, Materialverkauf, Services und Software sowie Beratungs- und Ingenieurdienstleistung geprägt.

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_7

129

130

7 Geschäftsmodelle

Key Partners

Key Activities

Value Proposition

Customer Relationships

Customer

Costs Key Resources

Revenue

Channels

Abb. 7.1  Business Bild Canvas nach [Oste10]

7.1

Fertigungsdienstleister

Business Case Ein gegenwärtig gängiges Geschäftsmodell ist das des Fertigungsdienstleisters für additiv gefertigte Bauteile. Dieser verfügt über investierte Maschinen und Erfahrungen. Er macht sein Geschäft damit, für unterschiedliche Auftraggeber Teile unterschiedlicher oder oft auch nur einer Additiv Manufacturing Technologie zu fertigen. Zu den Leistungen gehören Vorbereitung der Maschinendaten und gegebenenfalls die Überarbeitung der Kon­ struktion. Häufig kommt der Fertigungsdienstleister aus der Zeit des Rapid Prototyping und ist schon Jahre mit dem Bau von Mustern im Geschäft. Prozesskette • Der Kunde konstruiert und erstellt Geometriemodelle, holt Angebote ein und vergibt den Auftrag je nach Leistungsangebot an einen Fertigungsdienstleister, wobei auch langfristige Zusammenarbeiten häufig sind. • Der Fertigungsdienstleister betreibt den Maschinenpark, beschafft das Material und bereitet Parameter und Modelle auf. Dann fertigt er die Bauteile. • Der Kunde validiert und nutzt die Bauteile. • Typische Anwendungen der Teile sind Prototypen, FabLabs, Ersatzteile sowie Outsourcing der Fertigung bei kleiner/mittlerer Stückzahl.

7.2 Fertigungs-Los-Grösse 1 und kleine Stückzahl

131

Diskussion Die Stärken des Fertigungsdienstleisters liegen in seiner Erfahrung sowie der Mehrfachnutzung der Anlagen für verschiedene Kunden und der technologischen Spezialisierung. Im Gegenzug kennt er die Kundenspezifikationen nur bedingt und entwickelt nicht selbst. So kann er, wenn es für den Kunden interessant wird selbst zu investieren, schnell sein Geschäft verlieren. Andererseits besteht aber auch das Potenzial beim Übergang Rapid Prototyping zum Additive Manufacturing sein Volumen vergrößern zu können.

7.2

Fertigungs-Los-Grösse 1 und kleine Stückzahl

Business Case Bei kleinen Stückzahlen kann die Ersparnis teurer Werkzeuge oder händischer Arbeit und Arbeitsvorbereitung sowie die schnelle Verfügbarkeit bei weitgehender Formfreiheit die Additive Fertigung ökonomisch sinnvoll machen. Dies gilt zum Beispiel für Muster in Technik und Wissenschaft aber auch für Handhabungs- und Logistikhilfen ebenso wie für Werkzeuge. Typische Anwendungen sind zum Beispiel das Drucken von Teilen anstelle des Konstruierens und Fertigens von Formen und Werkzeugen. Prozesskette • Konstruktion der Teile und Entscheidung über das Fertigungsverfahren liegen beim Hersteller. • Anlagen werden angeschafft • Der Mehrwert ergibt sich durch den Ersatz von Manufakturarbeitsschritten aber auch durch Einsparungen bei der Konstruktion sowie die Verkürzung von Vergabe- und Lieferprozessen. • Design und Produktion liegen in der gleichen Hand.

Diskussion Die Stärken der Investition in eigene Anlagen sind die hohe Flexibilität und Geschwindigkeit sowie die Kostenersparnis und erhöhte Geschwindigkeit in der Abwicklung sowie die Reduzierung von Werkzeugen. Bezogen auf die Qualität und Reproduzierbarkeit der Teile insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen sind heute jedoch noch erhebliche zusätzliche Aufwendungen erforderlich welche die Kostenvorteile überwiegen können. Als Chance kann hingegen der schnelle, wenig Vorkenntnisse erfordernde Weg, von Ideen zu einfachen Teilen gesehen werden, wie er zum Beispiel für Handhabungshilfen in der Produktion direkt umsetzbar ist. Als Risiko steht die Festlegung auf eine Technologie und Investition im Raum, die letztendlich eine Fehlinvestition bedeuten kann.

132

7.3

7 Geschäftsmodelle

Produktion optimierter Teile in größerer Stückzahl

Business Case Teure Bauteile, die während des Produktlebenszyklus einen hohen Mehrwert durch die Additive Fertigung haben sind zum Beispiel im Ultraleichtbau und bei maximaler Funktionsintegration oder in der Medizintechnik denkbar. Hier können Lösungen realisiert werden, die anders nicht herstellbar sind. Als Branchen und Produkte können die Luftund Raumfahrtindustrie oder der Militärsektor ebenso wie der Bau von Sportwagen oder patientenspezifische Prothesen die hohen Aufwendungen rechtfertigen. Prozesskette • In der Regel ist eine große Investition in die Additiven Verfahren, Maschinen, Simulationswerkzeuge und optimierte Prozesse sowie Know-How notwendig, um die Potenziale einer Fertigung von Serienteilen zu heben. • Design und Produktion liegen dann in der gleichen Hand. • Verkettete Maschinen und Post-Prozesse ermöglichen erst die abgesicherte Produktion sowie notwendige Qualitätssicherung. • Die Kernkompetenz liegt in der richtigen Evaluation der Potenziale, der Prozesskette und der Spezifikation ebenso wie dem zuverlässigen Betrieb der Anlagen und der Qualitätssicherung

Diskussion Durch die überlegene Lösung und die Investitionen in Anlagen, Software und Prozesse ist es möglich eine Technologieführerschaft zu erreichen. Gleichzeitig liegt in der Investition auch eine Schwäche, da diese in einer sehr dynamischen Entwicklung eine Technologiefestlegung bedeutet. Wenn sich die Technologie jedoch durchsetzt, kann in einem Wachstumsszenario weiter investiert werden und ein Vorsprung im Wettbewerb ist auf absehbare Zeit möglich. Verhagelt werden kann der Plan jedoch durch technische Probleme, denn grade beim hier genannten Business Case sind die Qualität der gefertigten Produkte und die sichere Beherrschung der Prozesskette von entscheidender Bedeutung.

7.4

Integration in eine Linienfertigung

Business Case Die Fertigung einzelner individualisierter Elemente kann durch die Additive Fertigung gut in eine Serienfertigung mit klassischen Produktionsverfahren integriert werden. Mehrwert für den Kunden entsteht durch Individualisierung und Luxusanmutung. Wichtig ist, dass der Takt durch die Additive Fertigung nicht gestört wird. Es sollten daher eher kleine

7.5  Künstlerische Gestaltung

133

Komponenten und unkritische Funktionen (sogenannte Hutteile) durch die Additive Fertigung möglichst in Kunststoff abgebildet werden. Übertragbar ist die Idee auch auf Tuning Kids für die Nach- und Umrüstung. Prozesskette • Mit der Bestellung bekommt der Kunde Individualisierungsangebote aus einem Baukasten, zum Beispiel Namensgravuren oder ergonomische Bedienelemente, angeboten. • Die kundenspezifischen Datensätze werden automatisch an die Fertigung weitergeleitet. • Additive Fertigungsanlagen werden seitlich zur Fertigungsstraße oder auch als Batchanlagen aufgestellt. • Gegebenenfalls sind mehrere Anlagen notwendig, um den Takt halten zu können. • Möglichst sollte kein oder nur minimales Post-Processing notwendig werden. • Die additiv gefertigten Teile werden in der Linie direkt verbaut, es ist keine Lagerhaltung notwendig.

Diskussion Der geschilderte Business Case adressiert die sehr populäre Individualisierung von Massenprodukten, das Mass Customization. Die Additive Fertigung stellt hier allerdings nur eine der möglichen Technologien dar. Andere Lösungen, wie Fräsen oder Lasern sollten im Benchmark betrachtet werden. Eine Verlangsamung der verketteten Prozesse und der Verlust von Qualität oder Prozesssicherheit sind Risiken, die es zu minimieren gilt. Bei kürzer werdenden Prozesszeiten der Additiven Fertigung und vermehrter Nutzung von Co-Design können Kunden stark gebunden werden. Risiko bleibt das Kundenverhalten in Bezug auf die Balance zwischen technisch realisierbarer Individualisierung und ungewünschter Komplexität.

7.5

Künstlerische Gestaltung

Business Case Durch Additive Verfahren können in 3D-Systemen gestaltete Objekte unter Wegfall von Formenbau und handwerklichen Arbeitsschritten direkt ausgedruckt werden. Je nach Material und Patinierung entfallen ansonsten aufwendige Formenbau oder bildhauerische handwerkliche Tätigkeiten. Prozesskette • Gestalten eines digitalen Modells • Ausdrucken auch in größerer Zahl • Nachbearbeiten • Patinieren

134

7 Geschäftsmodelle

Diskussion Stärken beim Einsatz der Additiven Fertigung zur Erzeugung von Kunstwerken liegen im schnellen Weg vom digitalen zum realen Kunstwerk sowie der virtuellen Abstimmungsmöglichkeiten mit Auftraggebern und der Variationsmöglichkeit. Dementgegen stehen die Gefahren des Verlusts der Individualität und des einfachen Plagiats.

7.6

Dezentralisierung der Fertigung versus Lagerhaltung

Business Case In Erweiterung des Business Cases zur Fertigung kleiner Los-Größen und Stückzahlen liegt hier der Fokus auf der Überbrückung räumlicher und zeitlicher Distanzen. Zum einen sollen Lagerhaltungskosten reduziert werden, indem stets nur auf Anforderung gefertigt wird zum anderen sollen Logistikaufwände reduziert werden, indem das Ausdrucken der digitalen Modelle vor Ort des Bedarfs erfolgt. Insbesondere bei großen Distanzen zwischen Bedarfsort und Fabrik sowie in Kombination mit Fertigung on Demand können durch dezentrale Fertigungshubs Zeit und Kosten gespart werden. Prozesskette • Es wird im Unternehmensnetz ein Bedarf geplant und ein Fertigungshub ausgewählt. • Es erfolgt ein Datentransfer aus dem Design Center zum Fertigungshub oder ein gesicherter Zugriff über die Cloud wird organisiert. • Der Fertigungshub irgendwo auf der Welt fertigt die notwendigen Einzelteile und sichert die Qualität. • Einfache Post-Prozesse und die Montage werden im Fertigungshub vorgenommen.

Diskussion Als Vorteile des Prozessmodells ergeben sich Reduzierungen von Logistikkosten und Zeit. Schwächen stellen aufgrund eingeschränkter Prozessvielfalt der Additiven Fertigung Materialität und Qualitätssicherung dar. Auch ist der Prozess nicht auf Additive Fertigung beschränkt, da auch andere Fertigungsverfahren über digitale Modelle mit Informationen versorgt werden können. Allerdings werden Drucker wie Material günstiger und besser. Risiken bleiben aber in Bezug auf Modelle, die verloren gehen können (Datenklau) und Plagiate ebenso wie in Bezug auf die Investitionen oder Kooperationen mit dem Fertigungshub.

7.8  Collaborative Customer

7.7

135

Additive Repair

Business Case Die Reparatur hochwertiger Investitionsgüter mittels additiver Verfahren, hier insbesondere dem Auftragsschweißen, wird, zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt für Blicks oder für große Düsen zur Einspritzung in Verbrennungsprozesse, seit Jahren eingesetzt. Durch die Weiterentwicklung der filament- und pulverstrahlbasierten Verfahren ebenso wie durch die Entwicklung der Pulverbettverfahren können jedoch immer mehr Materialien mit immer höheren Aufbauraten realisiert werden. Vor diesem Hintergrund und mit Fokus auf Nachhaltigkeit gewinnt das Additiv Repair gegenwärtig rasant an Bedeutung. Prozesskette • Identifikation von Potenzialen bei sich weiterentwickelnder Technologie • Überarbeitung der Konstruktion • Demontage und Aufbereiten von verschlissenen Komponenten • Aufdrucken von neuem Material • Überprüfen der Übergangszone • Nachbearbeitung • Montage der reparierten Komponenten im System

Diskussion Die Reparatur hochwertiger und seltener Komponenten statt der kompletten Erneuerung spart häufig Ressourcen und Zeit. Der Prozess der Reparatur ist in der Regel jedoch aufwendiger als zunächst gedacht, insbesondere müssen die verschlissenen Komponenten aufbereitet werden bevor neues Material angedruckt werden kann und die Konstruktion muss dahingehend überprüft werden, ob die reparierten Teile vollfunktionsfähig belastet werden können. Auch die individuelle Qualitätskontrolle ist aufwendiger als in einer Linienproduktion. Dementgegen ist es eventuell möglich bei einer Reparatur einen hochwertigeren Werkstoff einzusetzen, so dass die überarbeiteten Teile sogar besser funktionieren können als die ursprüngliche Lösung. Chancen von Reparaturlösungen ergeben sich vermehrt im Kontext Nachhaltigkeit, da Reparaturlösungen in der Regel ressourcenschonender sind als komplette Erneuerungen. Ob sich der Trend zur Wegwerfgesellschaft der letzten Jahrzehnte allerdings wandeln wird bleibt abzuwarten.

7.8

Collaborative Customer

Business Case Ein wesentlicher Gedanke der vor einigen Jahren „gehypten“ Maker Community besteht im Handel mit Modellen und Plänen als digitalem Produkt und dem Ausdrucken der

136

7 Geschäftsmodelle

Dateien in 3D auf günstigen Druckern zuhause durch Privatpersonen. Angereichert wird diese Idee durch die Möglichkeit zur Co-Creation also dem kreativen Mitgestalten durch den Kunden. Prozesskette • Ein Unternehmen erstellt Digitale Modelle oder erwirbt diese und handelt damit. • Der Endkunde erwirbt die digitalen Modelle. • Der Kunde hat die Möglichkeit zur Optimierung der Modelle nach seinen Vorstellungen • Er fertigt selbstständig Bauteile durch das Ausdrucken dieser Modelle • Der Kunde nutzt beliebige in der Regel einfache Post-Prozesse

Diskussion Es ergeben sich zahlreiche Anwendungen in Bezug auf RepRap (die Reproduktion von Druckern), Modellbau oder auch Lehr-/Lernkonzept zur Vermittlung zwischen virtueller und realer Welt. Begrenzendes Element ist die Qualität der Drucker und ihrer Produkte im unteren Preissegment beziehungsweise die viel zu hohen Kosten für hochwertige Drucker etwa zum Druck metallischer Komponenten. Für die Zukunft werden sich hier erweiterte Leistungsmöglichkeiten ergeben. Ein sinnvoller Ausdruck unterschiedlichster Produkte unseres alltäglichen Lebens erscheint jedoch noch in weiter Ferne. Auch wird längst nicht jeder Zeit und Lust haben unterschiedlichste Produkte zu montieren und assemblieren – manchmal ist einfach ein gut funktionierendes Produkt von der Stange auch gewünscht.

7.9

Handhabungstechnik, Werkzeug- und Formenbau

Business Case Die Handhabungstechnik sowie der Werkzeug- und Formenbau sind seit Jahren für die Additive Fertigung große Anwendungsgebiete. In der Handhabungstechnik werden Vorrichtungen und Werkzeuge hergestellt, die beispielsweise für Bearbeitungs- oder Montageprozesse eingesetzt werden. Diese werden oft nur einmal gebraucht und ihre Konstruktion soll mit möglichst geringem Aufwand und in der Regel auch schnell realisiert werden. Im Vorrichtungsbau werden mittels der Additiven Fertigung komplizierte Geometrien realisiert. Dabei wird der Fokus auf eine hohe Funktionsintegration gelegt, um die Teileanzahl und den Montageaufwand zu reduzieren. Unter Werkzeugbau ist die Herstellung von Teilen zu verstehen, die zur Fertigung von Gussteilen aus Metall oder Kunststoff oder zum Schmieden verwendet werden. Prototypen oder Endprodukte können durch additive Fertigungsverfahren in kleiner Losgröße direkt hergestellt werden. Bei größeren Stückzahlen werden vermehrt die Potenziale einer hybriden Prozesskette genutzt. Dabei werden die Werkzeuge oder Formen additiv gefertigt und die Folgeprozesse konventionell gestaltet oder auch Kombinationen aus konventionell und additiv gefertigten Bauteilen eingesetzt. Beispielsweise können bei Spritzguss-

7.9  Handhabungstechnik, Werkzeug- und Formenbau

137

und Umformwerkzeugen integrierte Kühlkanäle für ein besseres Thermomanagement eingebracht werden, um Zykluszeiten zu verringern, Verzug zu vermeiden oder auch die Gesenke zu kühlen und damit die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen. Des Weiteren können beim Tiefziehen die Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze mit optimierten Schmierkanälen additiv gefertigt werden, um die Reibung zu reduzieren und ebenfalls den Verschleiß zu reduzieren und die Formqualität der gefertigten Bauteile zu erhöhen. Ein additiv gefertigter Werkzeugeinsatz ist in Abb. 7.2 links dargestellt. Ebenfalls in Abb. 7.2 rechts ist der gedruckte Kern für eine Druckgusswerkzeug dargestellt. Die Additive Fertigung kann ebenfalls im Formenbau einen Mehrwert generieren. Der Einsatz der Additiven Fertigung im Formenbau kann in die Kategorien Dauermodell und Urmodell unterteilt werden. Das Dauermodell kann statt der Form direkt gedruckt werden. Dadurch können kostengünstig geringe Stückzahlen realisiert werden. Es können so zum Beispiel in die Formen des Modells komplizierte Hinterschnitte eingebracht werden, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind. Oft kann aber einfach auch manuelle Arbeit reduziert werden. Beim Urmodell werden additiv gefertigte Kerne beispielsweise aber auch für das Sandgießen eingesetzt, um kompliziert gestaltete Sandformen zu realisieren und somit letztlich metallische Gussbauteile herzustellen. Im Werkzeug- und Formenbau sind kleinste Stückzahlen typisch. Kommen noch komplizierte Geometrien zum Beispiel für innere Kühlkanäle oder Freiformen hinzu so stellt heute die Additive Fertigung eine häufig eingesetzte Technologie dar. Wobei die additiv hergestellten Teile im Wesentlichen Gusshalbzeuge ersetzen und in der Regel noch spanend und durch Schleifen und Polieren nachgearbeitet werden müssen. Hochleistungswerkstoffe für diese Anwendung sind seit Jahren verfügbar. Typische Anwendungen sind Spritzgusswerkzeuge für die Kunststoffverarbeitung aber auch Werkzeuge zum Kokillenguss oder für die Blechumformung.

Abb. 7.2  Werkzeugeinsatz mit konturnahen Kühlkanälen, Quelle DMG Kern für eine Druckgusswerkzeug. (Quelle: SLM Solutions)

138

7 Geschäftsmodelle

Prozesskette • Der Werkzeugbauer beherrscht die Technologie. • Er optimiert die Geometrie seiner Konstruktion unter Berücksichtigung der Potenziale und Gestaltungsregeln der Additiven Fertigung zum Beispiel durch Fluid Simulation der inneren Kühlkanäle • Selbständiges Fertigen von Bauteilen mit additiven Verfahren • Nachbearbeitung der Bauteile aus den Additiven Verfahren • Assemblierung und Inbetriebnahme

Diskussion Vorteile des Einsatzes additiv gefertigter Bauteile im Werkzeugbau liegen häufig in der Optimierung der Kühlkonzepte und damit kürzeren Zykluszeiten und besserer Haltbarkeit der Werkzeuge. Verglichen zu diesen Vorteilen ist der Mehraufwand zur Herstellung der Teile gerechtfertigt. Kritisch für den Werkzeugbauer bleibt dabei, dass er einen zusätzlichen Prozess sicher und mit hoher Qualität beherrschen muss – die Additive Fertigung von hochleistenden metallischen Bauteilen und die dafür notwendigen Maschinen abschreiben muss.

7.10 Rapid Prototyping Business Case Einen Sonderfall der Additiven Fertigung stellt das schon seit vielen Jahren in unserer Industrie eingesetzte Rapid Prototyping dar. Bei diesem ergibt sich die Spezifikation allerdings nach anderen Kriterien. Im Vordergrund bei der Auswahl des geeigneten Verfahrens steht hier die Frage welche Eigenschaften des späteren Bauteils das zu fertigende Modell repräsentieren soll und wie Entwicklungszeiten verkürzt beziehungsweise die Entwicklungsqualität verbessert werden kann. Häufig werden günstige und schnell verfügbare Verfahren der Additiven Fertigung eingesetzt, auch wenn mit diesen nur Teilqualitäten des späteren Bauteils erzielt werden können. Es gibt aber auch Fälle, in denen extrem teure Muster gerechtfertigt werden bevor noch viel teurere Werkzeuge in Auftrag gegeben werden. Dies ist insbesondere bei mehrzyklischen Entwicklungen von Massenprodukten, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, der Fall. Abb. 7.3 zeigt eine Gliederung möglicher Modelleigenschaften entsprechend dem Verwendungszweck. Typische Anwendungen des Rapid Prototyping liegen in der Fertigung von Mustern und Demonstratoren während der Entwicklung aber auch in Prototypen für die Erprobung. Von Entwicklungsmustern wird oft zum Beispiel nur die Geometrie oder Gestalt und das auch noch in unterschiedlichen Maßstäben repräsentiert. Im Gegensatz zum Business Case 7.1 (Fertigungsdienstleister) geht es hier also nicht primär um das Fertigen von Ad-

7.10  Rapid Prototyping

139

Modellklassen Verband Deutscher Industriedesigner (VDID)

Verein Deutscher Ingenieure (VDI 3405)

Proportionsmodell

Konzeptmodell Solid Images

Ergonomiemodell

Designprototyp

Designmodell

Geometrieprototyp

Funktionsmodell

Funktionsprototyp

Prototyp Muster

Technischer Prototyp

Endprodukt

Produkt

Gliederung der Additiven Fertigungsverfahren

Rapid Prototyping

Rapid Manufacturing Direct Manufacturing

Abb. 7.3  Modelle und ihre Eigenschaften nach [Gebh16]

ditiven Bauteile nach Spezifikation, sondern die Additive Fertigung wird eingebettet in die Gestaltung von Modellen im entwickelnden Unternehmen selbst. Bezogen auf die Additive Fertigung bedeutet dies, dass die Investition in Maschinen und Technologie geringer ausfällt, da nicht immer die hochwertigsten Maschinen und Materialien benötigt werden. Zur Additiven Fertigung gehören in diesem Kontext auch Verfahren zur Oberflächenveredelung sowie handwerkliche Methoden des Industrial- und Grafik-Design. Werden Prototypen gefertigt, die als Funktionsmuster dienen sollen, so verhält es sich anders. Hier kommen zur Realisierung bestimmter physikalischer Eigenschaften alle, auch besonders aufwendige, Verfahren der Additiven Fertigung zum Einsatz. Prozesskette • Digitale Aufbereitung von Daten zu Digitalen Modellen und Plänen • Fertigung physischer Modelle mit Verfahren des 3D-Drucks auch maßstäblich vergrößert oder verkleinert • Umfangreiche manuelle Post-Prozesse bei denen die Visualisierung oder die Abbildung einzelner Eigenschaften im Vordergrund stehen

Diskussion Es handelt sich beim Einsatz der Additiven Fertigung um eine etablierte Technologie zur Herstellung von Mustern und Prototypen. Bei überschaubaren Investitionen sind einfache Handmuster relativ leicht zu erstellen. Prototypen erfordern gelegentlich jedoch auch wesentlich kompliziertere Technologien, um physikalische Eigenschaften abbilden zu können. Immer komplexere Produkte und kürzere Innovationszyklen zwingen zum schnellen Musterbau und erfordern erhebliche Investitionen und Anstrengungen zur effizienten Realisierung von Prototypen. Allerdings stehen auch hier die Additiven Verfahren in Konkurrenz zur klassischen Fertigung und Investitionen lohnen sich nur wenn diese häufig zum Einsatz kommen.

140

7 Geschäftsmodelle

Literatur [Gebh16] Gebhardt, A.: Additive Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion; Hanser Verlag; Deutschland München; 2016; ISBN: 978-3446444010 [Oste10] Osterwalder, A.; Pigneur, Y.: Business Model Generation: A Handbook for Visionaries, Game Changers and Challengers, John Wiley & Sons, New York, USA, 2010

8

Lohnt sich die Additive Fertigung?

Werfen wir resümierend einen Blick auf den Stand der Methodik zur Unterstützung der Entwicklung für die Additive Fertigung, so fällt auf, dass sich viele Autoren mit der Beschreibung der Maschinen und deren Technologie auseinandersetzen und ebenso zahlreiche Quellen zu Gestaltungsregeln und Beispielen vorliegen. Dies ist historisch gewachsen im Sinne des „Design for X“ in dem die Konstruktion für die Additive Fertigung gleichgesetzt wird mit der fertigungsgerechten Gestaltung etwa von Gussteilen oder Drehteilen. Solange man die Verfahren der Additiven Fertigung lediglich für die Erstellung von Prototypen und Mustern genutzt hat, mag diese Vorstellung gerechtfertigt gewesen sein. Schauen wir uns jedoch die Nutzung der Additiven Fertigung im Jahr 2020 an, so fällt auf, dass nur noch circa ein Drittel der Anwendungen in diesem Bereich liegen. In ähnlichem Umfang wird die Additive Fertigung inzwischen für die Herstellung von Werkzeugen und Montagehilfen genutzt sowie zu einem weiteren Drittel als Direct Manufacturing zur Herstellung von Serienteilen. Bei insgesamt stark steigender Nutzung der Technologien der Additiven Fertigung ist insbesondere der dritte Bereich, das Direct Manufacturing, der mit den größten Potenzialen. Um die hier liegenden Potenziale heben zu können, muss jedoch – wie von der Entwicklungsmethodik seit Jahrzehnten gelehrt und in diesem Buch dargestellt – ein anderer methodischer Ansatz gewählt werden. Dieser umfasst das Abarbeiten eines Konstruktionsprozesses beginnend mit Planen über Konzipieren und Entwerfen bis hin zum Ausarbeiten. Nur so können völlig neue Lösungen und Designs entstehen und Geschäftsmodelle effektiv unterstützt werden. Dabei sind die treibenden Branchen mit jeweils etwa 20 Prozent des weltweiten Umsatzes die Luftfahrt sowie die allgemeine Industrie und die Automobilindustrie. Zahlreiche

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch SpringerVerlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer, R. B. Lippert, Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7_8

141

142

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

Anwendungen mit jeweils ca. 10 % Weltmarktanteil finden sich zudem in den Bereichen der Medizintechnik und der Elektronikproduktion. Parallel zu der raumgreifenden Nutzung der Additiven Fertigung entwickeln sich neue Technologen der Additiven Fertigung in rasanter Geschwindigkeit weiter. Dabei geht es zum einen um völlig neue Anwendungsbereiche und zum anderen um die Integration der In-Prozesse über die Verkettung von Fertigungen. Einen weiteren Schwerpunkt der Entwicklung bildet die Herstellung und Qualifizierung immer weiterer Materialien in Pulver- oder Filamentform. Die erwarteten Potenziale fokussieren sich dabei sowohl auf eine signifikante Senkung der Kosten als auch auf eine zunehmende Material- und Anwendungsvielfalt. Welche Hersteller und Verfahren sich als treibende Kraft herauskristallisieren werden ist momentan noch nicht absehbar. Sicher ist jedoch, ausgehend von der Entwicklung der vergangenen Jahre, dass derzeitig eine Konsolidierung der Branche stattfindet und bereits mehrere kleine Innovationsunternehmen von großen Konzernen integriert wurden. Der Weltmarktführer im Bereich der Industriedrucker ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt „Stratasys“ gefolgt von „3D Systems“ sowie „Envisiontec“. Mit einem Weltmarktanteil von 3 % ist „EOS“ der größte deutsche Hersteller. Nachhaltigkeit In Zeiten erhöhter Energieverbräuche innerhalb der Produktion und auf der Welt im Allgemeinen, sowie dem zunehmenden Eingreifen der Umweltpolitik in die Wirtschaft, werden Begriffe wie „Nachhaltigkeit“ und „Effizienz“ nahezu inflationär genutzt. Die Ver­ wendungen des Begriffs der „Nachhaltigkeit“ sind dabei so verschieden wie seine Anwendungsbereiche. Ob im Zuge eines neuen Gesundheitsmanagements, der neuen Fertigungsstraße oder der eigenen Kleinwindkraftanlage  – Diskussionen über nachhaltige Entwicklungen sind in unseren Unternehmen allgegenwärtig. Doch wo fängt eine nachhaltige Unternehmung, hier ins besondere mit Bezug auf die Additive Fertigung, an und wo hört sie auf? Die verschiedenen Dimensionen der Nachhaltigkeit und ihre Verflechtungen sind in Abb. 8.1 dargestellt und setzen sich aus ökologischen, ökonomischen und sozialen Sichten zusammen. Aus technischer Sicht werden Nachhaltigkeitsüberlegungen oft primär ökologisch und ökonomisch definiert. Einerseits hat der ökonomische Ansatz das Ziel die allgemeine Wettbewerbsfähigkeit beispielsweise mittels des Einsatzes innovativer Technologien zu sichern. Andererseits müssen aus ökologischer Sicht die Energieeffizienz sowie der Einsatz erneuerbarer Ressourcen gesteigert werden. Die Additive Fertigung ist aber auch eng verwoben mit der Digitalisierung und den einhergehenden Veränderungen in unserer Arbeitswelt. Lohnt sich also die Additive Fertigung und wie wird sich diese zukünftig weiterentwickeln? Wir wollen abschließend zu diesem Buch noch drei Betrachtungen anstellen:

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

143

Abb. 8.1  Dimensionen der Nachhaltigkeit und ihrer Zusammenhänge

• Zum einen nehmen wir uns der umstrittenen Fragestellung an, ob und inwieweit sich Additive Fertigung auch unter den Aspekten der Ressourcen Nachhaltigkeit lohnt und welche Entwicklungen zukünftig erwartet werden könnten. • Zum nächsten werfen wir einen kurzen Blick auf domänenspezifische ökonomische Potenziale und ihre Reife in Bezug auf eine industrielle Nutzung. • Abschließend gehen wir der Frage nach, wie die Additive Fertigung aktuell im Kontext der Universitäten Lehre und des lebenslangen Lernens vermittelt werden kann und wie dies mit der Digitalisierung unseres Lebens korreliert. Durch die enorme Individualität sowie Flexibilität der Additiven Fertigung ergeben sich aus unternehmerischer Sicht eine Vielzahl von Potenzialen zum Erhalt und Ausbau der Wettbewerbsfähigkeit. Bei der Entscheidung für oder gegen die eine oder andere ­Technologie der Additiven Fertigung wird, wie immer beim Umgang mit Innovationen, eine strategische Dimension zu berücksichtigen sein. Hier gilt es Mut und Weitsicht zu zeigen, aber auch entsprechend den Möglichkeiten des eigenen Unternehmens selektiv vorzugehen.

144

8.1

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

Ökologische Nachhaltigkeit

Mit Blick auf die Additive Fertigung fällt auf, es werden keine Werkzeuge benutzt. Der Materialeinsatz entspricht im Wesentlichen dem Gewicht des fertigen Bauteils (endkonturnahe Fertigung). Darüber hinaus sind Reparaturen an Bauteilen möglich. Durch Leichtbau ergeben sich reduzierte Emissionen im Betrieb, insbesondere bei Mobilitätssystemen. Derartige Entwicklungen gilt es mittels einer Öko-Bilanzierung mess- und nachvollziehbar soweit bewertbar zu machen. Dies machen wir im folgenden Beispiel anhand der CO2-Emissionen eines Produktes über dessen gesamten Produktlebenszyklus. Das Ziel dieser Bilanzierung ist die exemplarische Ermittlung eines ökologischen Fußabdrucks auf Basis von Erfahrungswerten für den Energieeinsatz und den Materialverbrauch, der in CO2-Daten dargestellt wird. Für die einzelnen Prozessschritte wird zudem ein Vergleich gebildet, zwischen der Herstellung eines Bauteils mittels einer spanenden Fertigung und der Additiven Fertigung. Beispiel: Additiv gefertigter Reflektor Bei dem betrachteten Bauteil handelt es sich um einen Reflektor für die Automobilindustrie, der nur in relativ kleinen Stückzahlen für eine Sonderausstattung, hier das Laserzusatzfernlicht, genutzt wird und eine hohe Funktionsintegration beinhaltet. Für die beiden im Vergleich betrachteten Fertigungsverfahren, Spanen und Additive Fertigung, werden zunächst als Basis die verschiedenen Prozessketten über den Produktlebenszyklus aufgestellt [Lach15]. Dieser Ansatz ist in der Abb. 8.2 dargestellt. Zur Bewertung der einzelnen Prozessschritte werden jeweils Energieverbrauchsfaktoren ermittelt und diese auf die Einheit der Masse an CO2-Emissionen umgerechnet, welche bei der Energieerzeugung entstehen. In diesem Zusammenhang wird die „Top-Down“Methode genutzt, es werden ausgehend vom fertigen Produkt Rückschlüsse auf die verschiedenen Prozessschritte gezogen [Stib17]. Eine Prozesskette gilt erst dann als nachhaltig, wenn möglichst wenige CO2-­Emissionen am Ende des gesamten Produktlebenszyklus freigesetzt werden. Im Zuge der Bewertung des Demonstratorbauteils werden daher sämtliche Schritte für die spanende sowie die Additive Fertigung evaluiert.

Identifizierung der Prozessschritte

Bestimmung relevanter Energiefaktoren

Evaluierung der Prozessschritte für Demonstrator

Berechnung der Nachhaltigkeit

Abb. 8.2  Ansatz zum Vergleich ökologischer Nachhaltigkeit [Lach15]

Umrechnung der Energiefaktoren auf gemeinsame Basis

8.1  Ökologische Nachhaltigkeit

145

Die Prozesskette für die Bauteile setzt sich aus den folgenden Prozessschritten zusammen: • • • • • • •

Gewinnung des Rohmaterials Aufbereitung des Rohmaterials Transport zur Produktionsstätte und Lagerung Produktion Recycling des Materialüberschusses Betrieb des Reflektors im Fahrzeug Recycling des Produktes

Additive Fertigung

Spanende Fertigung

Die Unterschiede in den Prozessketten für beide Herstellungsverfahren sind in Abb. 8.3 dargestellt und gliedern sich in die Bereiche der Gewinnung sowie Aufbereitung des Rohmaterials, des Recyclings des Materialüberschusses, der Logistik und der Herstellung. In Bezug auf Betrieb und Produktrecycling ergeben sich hier im Beispiel keine Unterschiede, da die Produktgestalt für beide Herstellungsprozesse identisch definiert ist. Der Rohstoff Bauxit wird im Zuge einer Schmelzflusselektrolyse in Aluminiumoxid (Al2O3) und andere dabei entstehende Abfallprodukte umgewandelt. Im Zuge dieses Herstellungsverfahrens werden sowohl Wärme- und elektrische Energie als auch verschiedene Energieträger in Form von fossilen Ressourcen verbraucht [Oste07]. Eine kWh entspricht in diesem Prozessschritt im Mittel 0,55 kg CO2. Dementsprechend ergeben sich für eine Referenzmenge einer Tonne Aluminium 8635 kg CO2-Emissionen bei 15.700 kWh verbrauchter elektrischer Energie [Stib17, Worl14]. Der nächste Arbeitsschritt im Zuge der Rohstoffaufbereitung ist die Legierung des Aluminiumoxids. In diesem Prozessschritt werden die Barren des Rohmaterials aufgeschmolzen und mit verschiedenen anderen Ma-

Gewinnung des Rohmaterials

Aufbereitung des Rohmaterials

Bauxitgewinnung

Legieren

Tonerdewerk

Halbzeug

Aluminiumhütte

Recyc. Aluminum

Bauxitgewinnung

Legieren

Tonerdewerk

Pulverisierung

Aluminiumhütte

Recyc. Aluminum

Recycling des Ausschusses

Logistik

Produktion

Transport

Fertigung

Ausschuss

Lagerung

Nachbearbeitung

Schmelzvorgang

Span

Werkstück (SB)

Transport

Fertigung

Lagerung

Vorbereitung

Recyceltes Pulver

Nachbearbeitung

Stützstrukturen

Werkstück (AF)

Ausschuss

Schmelzvorgang

Abb. 8.3  Prozessketten der Additiven und der spanenden Fertigung

146

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

terialien versetzt. Diese Zusätze richten sich nach dem späteren Verwendungszweck des Bauteils [Weiß12]. Eine Unterscheidung der zwei betrachteten Produktionsverfahren ergibt sich im Zuge der zu bearbeitenden Materialform. Während für die spanende Bearbeitung die noch flüssige Legierung zum Aushärten in Halbzeuge gegossen wird, muss für die Additive Fertigung das Aluminiumoxid in Pulverform vorliegen. Das Pulver wird durch spezielle Verfahren zum Beispiel mittels der Inertgasverdüsung auf Basis von Halbzeugen erreicht [Scha07]. Die Pulverherstellung ist damit ein zusätzlicher Schritt in der Prozesskette zur Aufbereitung des Materials für die Additive Fertigung. Für diesen Prozessschritt werden hier 10  % der Energiemenge der Rohstoffgewinnung veranschlagt, woraus sich ein Energieverbrauch von 1570 kWh beziehungsweise 864 kg CO2-Emissionen pro Tonne pulverisiertes Aluminium ergibt. Im Vergleich dazu resultieren für die Aufbereitung spezifischer Halbzeuge für die spanende Verarbeitung Energieaufwendungen von 5 % der zur Rohstoffgewinnung benötigten Menge. Diese 5 % entsprechen einem ungefähren Verbrauch von 785 kWh sowie 431 kg CO2-Emissionen pro erzeugte Tonne. Um eine Abschätzung über die ökologischen Belastungen durch logistische Aufwände abgeben zu können, bedarf es einiger Annahmen. So wird in diesem Fall von einer durchschnittlichen Distanz zwischen Werk der Rohstoffaufbereitung und der finalen Produktionsstätte von 1000  km ausgegangen. Zudem soll für die besagte Strecke ein LKW als Transportmittel eingesetzt werden. Wenn von einer Ladekapazität des LKW von 30 Tonnen ausgegangen wird, entstehen durch den Transport durchschnittliche Emissionen von 200 kg CO2 pro Tonne [Deck87]. Zwar werden für die Lagerhaltung eines Kubikmeters Material im Schnitt 140 kWh an Energieverbrauch veranschlagt [Ages12], doch unterscheidet sich der Lagerungsaufwand beider Materialien aufgrund der hohen Entflammbarkeit des pulverisierten Aluminiums. Diese erhöhten Schutzmaßnahmen führen zur Annahme von CO2-Emissionen von 229 kg für die Additive Fertigung und geringeren Emissionen von 205 kg pro Tonne für die spanende Bearbeitung [Lach15]. Die Produktion ist sowohl bei einer konventionellen Fertigung, als auch bei einer Additiven Fertigung stark von dem zu fertigenden Produkt abhängig. Daher ist eine Angabe der Emissionen in Relation der verbrauchten Tonne Material nicht zielführend. Besser eignet sich in diesem Zusammenhang eine Betrachtung der Maschinenzeit, um über diese anhand von Referenzwerten die CO2-Emissionen des Prozessschrittes zu errechnen. Im Zuge der AF wird das gelagerte Pulver in die Maschine eingefüllt und nach einer Aufwärmphase der Prozesskammer in dünnen Schichten mit einem Laser aufgeschmolzen. Für den formstabilen Schichtaufbau werden Support-Strukturen zur Stabilisierung des Bauteils in der Prozesskammer verwendet. Zugleich leiten diese Strukturen Wärme aus dem Bauteil ab. Diese Eigenschaft hilft, um unerwünschte Spannungseinflüsse im Bauteil zu minimieren. Der Energiebedarf ist bei der Additiven Fertigung sehr stark bauteilabhängig, denn je nach Geometrie (Größe, Bauteilhöhe, Volumen, …) ändert sich auch die Prozessdauer und somit die verbrauchte Energie [Gebh16].

147

8.1  Ökologische Nachhaltigkeit

Im Anschluss an den eigentlichen Prozessschritt der Fertigung, müssen die additiv gefertigten Bauteile nachbearbeitet werden. In diesem Zusammenhang werden die von dem Pulverbett entfernten Bauteile gereinigt und etwaige Support-Strukturen entfernt. Ergänzend bedarf es eventuell geringfügiger spanender Bearbeitungsschritte, um die gewünschten Bauteilanforderungen an Funktions- und Kontaktflächen zu erzielen [Lach15]. Für den gesamten Prozessschritt des Materialaufbaus des Musterteils braucht die betrachtete Maschine EOSINT M280 des Herstellers EOS ungefähr 8,5 h. Weitere 0,5 kWh Energieverbrauch werden für die Nachbearbeitung angenommen [Eos14]. Der Dauer der Additiven Fertigung stehen 5 h für die Fertigung auf einer konventionellen Fräsmaschine sowie 0,8 kWh Energieverbrauch für der Nachbearbeitungsschritte der spanenden Bearbeitung gegenüber [Lach15]. Das abschließende Recycling des Restmaterials ist in beiden Verfahren identisch. Durch einen Schmelzprozess muss das überschüssige Aluminium von anderen Abfällen wieder getrennt werden. Dieser Prozessschritt bedarf annähernd 5 % der Energie der Rohmaterialgewinnung, welche sich in 431 kg CO2-Emissionen pro zu recycelnde Tonne Aluminium ergibt [Schä08]. Um eine Aussage über die gesamten Emissionen der Prozessschritte treffen zu können, müssen bei jedem betrachteten Bauteil die folgenden Prozessparameter analysiert werden: • Menge des zu recycelten Materials in Tonnen • Produktionszeit der fertigenden Maschine in Stunden • Menge des Rohmaterials in Tonnen Die Ergebnisse sind in Tab. 8.1 dargestellt. Das untersuchte Bauteil ist der Reflektor eines Kfz-Scheinwerfers (siehe Abb. 8.4). Berechnung des Rohmaterialeinsatzes und der Maschinenparameter Bei der Bestimmung des benötigten Rohmaterials für die spanende Bearbeitung ergibt sich für das Halbzeug: Abmaße: 105 mm × 68 mm × 52 mm = 0,37128 dm3 Dichte: 2,76 kg/dm3 Masse: 1169 g Im Gegensatz zu diesen Werten benötigt die Additive Fertigung lediglich 52 g des Rohmaterials, hat somit einen um den Faktor 22 geringeren Materialeinsatz. Hingegen ist die Tab. 8.1 CO2 – Emissionen der Additiven Fertigung und der spanenden Bearbeitung Verfahren: Additive Fertigung Spanende Bearbeitung

pro t Rohmaterial: pro h Gewinnung Aufbereitung Logistik Produktionszeit: 8.635 kg 864 kg 229 kg 2 kg 431 kg

205 kg

1,8 kg

pro t Recyclingmenge: 431 kg

148

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

Abb. 8.4  Bauteil Reflektor Tab. 8.2  Zusammenfassung der Prozessparameter Prozessparameter Produktionszeit: Rohmaterial: Bauteilgesamtgewicht: Recyceltes Material: Rohmaterialnutzung:

Spanende Bearbeitung 5 h 1.169 g 40 g 1.129 g 3,5 %

Additive Fertigung 8,5 h 52 g 44 g 8 g 84,5 %

Tab. 8.3  Verrechnung der Prozessparameter zu resultierenden CO2-Emissionen Verfahren: Additive Fertigung Prozessparameter CO2-Emissionen

Rohmaterial: 8.635 kg/t 864 kg/t * 52 g = 0,506 kg

Spanende Bearbeitung Prozessparameter CO2-Emissionen

8635 kg 431 kg * 1.169 g = 10,84 kg

229 kg/t

205 kg

Produktionszeit: 2 kg/h * 8,5 h = 17 kg = 17,5 kg 1,8 kg * 5 h = 9 kg = 20,3 kg

Recyclingmenge: 431 kg/t * 8 g = 0,003 kg 431 kg * 1.129 g = 0,487 kg

Additive Fertigung mit einer Fertigungszeit von 8,5 Stunden um 3,5 Maschinenstunden langsamer als die konventionelle Fräsmaschine. Anhand der Prozessparameter aus Tab. 8.2 kann der spezifische CO2-Fußabdruck für das Musterteil im Vergleich der Fertigungsverfahren berechnet werden. Das Ergebnis der Berechnung ist in Tab. 8.3 aufgeschlüsselt. Für die Additive Fertigung ergeben sich somit in Summe CO2-Emissionen für alle Prozessschritte in Höhe von 17,5 kg. Analog dazu ergeben sich für die spanende Bearbei-

8.1  Ökologische Nachhaltigkeit

149

tung 20,3 kg. Es zeigt sich hier, dass die Additive Fertigung unter Berücksichtigung der vorherigen Annahmen als das nachhaltigere Verfahren anzusehen ist. Absolut werden 2,8 kg und relativ 14 % weniger CO2 emittiert. Aus einer kritischen Bewertung ergibt sich allerdings, dass die Komplexität beziehungsweise die Zerspanrate eines Bauteils und das gewählte Material (hier Aluminium) heute ausschlaggebend dafür sind, inwieweit die Additive Fertigung als ökologisch nachhaltigeres Produktionsverfahren angesehen werden kann. In Abb. 8.5 sind CO2 Emissionen in Abhängigkeit des späteren Bauteilgewichts zum benötigten Halbzeug aufgetragen. Anhand dieses Verhältnisses werden die Potenziale im Zuge der Herstellung von Aluminiumbauteilen sichtbar. Beträgt das spätere Bauteilgewicht ein Viertel oder weniger des Halbzeuggewichts, ist die Zerspanrate so hoch, dass über den Einsatz von Additiven Fertigungsmethoden nachgedacht werden sollte. Werden weniger als 70 % des Halbzeugs zerspant, ist die spanende Bearbeitung aus Sicht der ökologischen Dimension der Nachhaltigkeit vorzuziehen. Der Zusammenhang ist neben der Zerspanrate stark von der Art des Materials abhängig. Bei Aluminium ist die Einsparung von Material und somit Ressourcen besonders relevant, da die Aluminiumgewinnung energetisch sehr aufwändig ist. Andere Metalle, wie beispielsweise Stahl, lassen sich mit weniger Energie und dementsprechend mit geringeren CO2-Emissionen produzieren während das Pulververschmelzen in der SLM Maschine aufgrund des höheren Schmelzpunktes mehr Energie benötigt und länger dauert. Der Vorteil des geringeren Materialverbrauchs reicht dann bei der Additiven Fertigung nicht mehr aus, um die hohen CO2-Emissionen der Produktion zu kompensieren. Somit gibt es bei 35

CO2-Emission in kg

30 25 20 15 10 AM

Spanende Bearbeitung

5 Spanende Bearbeitung

0

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

Bauteilmaterial / Halbzeug SB - CO2-Emissionen (Aluminium)

AM - CO2-Emissionen (Aluminium)

SB - CO2-Emissionen (Stahl)

AM - CO2-Emissionen (Stahl)

Abb. 8.5 CO2 Emissionen der betrachteten Fertigungsverfahren im Vergleich

100%

150

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

Stahl am Beispiel des Reflektors keinen „Break-Even“-Punkt für die hier zum Vergleich herangezogene SLM-Maschine. Das bedeutet, die spanende Bearbeitung von Stahl ist auch bei hohen Zerspanungsraten derzeit ökologisch nachhaltiger. Gründe dafür sind unter anderem auch die lange Vorheizzeit, geringe Laserleistung und schlechte Isolation heutiger Lasersintermaschinen. Potenziale, im Lebenszyklus Weitgehend unabhängig vom spezifisch eingesetzten Material eröffnen sich durch die Additive Fertigung neue Möglichkeiten im Ultraleichtbau und damit zur Verbrauchsreduktion im Betrieb. So lassen sich bis dato schlecht bis gar nicht fertigbare bionische Formen und innere Strukturen konstruieren und fertigen und Bauteile mit hoher Struktursteifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht erstellen. Das so zu hebende Potenzial wird im Folgenden anhand von drei unterschiedlichen Produktgruppen exemplarisch abgeschätzt, um zukünftige Anwendungen besser beurteilen zu können: • Maschine/Roboter • Personenkraftwagen • Flugzeug Für Additiv gefertigte Maschinen- und Roboterteile ergeben sich Vorteile im Bereich der flexiblen Herstellung. So können in Bezug auf die Nachhaltigkeit durch verringerte Logistik und eine einsatzortnahe Herstellung Potenziale gehoben werden. Zudem können durch eine mögliche hohe Funktionsintegration bei schnell bewegten Teilen Kräfte reduziert werden und dadurch auch Strukturkomponenten in der kinematischen Kette und das Gestell ressourcenschonend ausgelegt werden. Signifikante Auswirkungen in der Nutzungsphase ergeben sich, wenn das gewichtsreduzierte Bauteil möglichst schnell bewegt werden muss und durch sein geringeres Gewicht zur Reduktion der Kräfte im gesamten Kraftfluss der Maschine beitragen kann. Für Personenkraftwagen wir das Leichtbaupotenzial durch Additive Fertigung auf 5–10  % des Gesamtgewichts geschätzt. Für, zum Beispiel, einen BMW aus der 7er Baureihe mit einem Gewicht von 2000 kg errechnet sich so eine Verbrauchsreduzierung von 0,3 l auf 100 km sowie, bei einer gesamten Laufleistung von 400.000 km, eine CO2-­ Gesamteinsparung von 2800  kg über den Lebenszyklus des Fahrzeugs [ADAC15]. Für ein Flugzeug fällt bei einem Leichtbaupotenzial von bis zu 7 % des Gesamtgewichtes die Bilanz noch wesentlich positiver aus. Beispielsweise ergäbe sich für eine Boeing 747 allein für einen achtstündigen Flug eine CO2-Einsparung von 5500  kg [Huan15]. Aus diesen Abschätzungen ergeben sich zusammenfassend für Produkte, die in Ihrem Lebenszyklus wenig bewegt werden Potenziale aus der inneren Dynamik und daraus resultierenden reduzierten Kräften. Bei Mobilitätsprodukten ergibt sich ein erhöhtes Ein-

8.2 Domänenspezifische Anwendungen und Ökonomie

151

sparpotenzial in der Nutzungsphase durch verringerten Energieverbrauch durch geringere Masse. So lohnt sich die Additive Fertigung von Flugzeugbauteilen schon sobald nur einige Prozent Gewichtseinsparung realisiert werden können. Damit die Additive Fertigung selbst aus ökologischer Sicht nachhaltiger wird, muss besonders der Prozessschritt der Produktion zukünftig eine verbesserte Energieeffizienz aufweisen. Dies könnte beispielsweise durch eine schnellere Fertigung und eine verbesserte Wärmeisolierung der Maschine realisiert werden. Darüber hinaus ist ein effizientes Materialrecycling besonders wichtig.

8.2

Domänenspezifische Anwendungen und Ökonomie

Domänenspezifische Anwendungen der Additiven Fertigung finden sich schon heute in großer Zahl im Prototypen-, Vorrichtungs- und Werkzeugbau der verschiedenen Branchen, die auch für das Direct Manufacturing treibend sind. Diese gliedern sich in die Luftfahrt, die Automobilindustrie, die Life Sience, Konsumerprodukte sowie den allgemeinen Maschinenbau. Insbesondere auch dort wo teure Werkstoffe wie Titan oder Aluminium bei hohen Zerspanrate zum Einsatz kommen lohnt sich die Additive Fertigung auch unter ökonomischen Aspekten. Der Hype der „Maker Community“, welcher das Thema 3D-Druck vor einigen Jahren in der Öffentlichkeit publik gemacht hat, scheint hingegen ein wenig verflogen. Die zahlreich verfügbaren, zumeist sehr günstigen, Maschinen erreichen in vielen Anwendungsbereichen keine hinreichende Qualität. Nischen, wie die Herstellung von Lehrmaterial oder der Einsatz der Technologie in Kombination mit CAD Systemen, sind ein überschaubarer Markt. Bezogen auf die Medizintechnik gibt es ein weites Feld von Anwendungen von patientenspezifischen Implantaten etwa beim Zahnersatz bis hin zu Visionen wie dem Drucken von Organen. Personifizierte Gesundheitsversorgung und kostengünstige Prothetik sind hier zum Greifen nah. Smarte und personalisierte Kleidung oder Schutzausrüstung könnte zukünftig ein Trend werden, der ein großes Anwendungsgebiet für die Additive Fertigung neu erschließt. Auch die Vereinfachung der Logistik durch Produktion am Nutzungsort steckt noch in den Kinderschuhen, wobei Kunststoffverfahren hier eine Vorreiterrolle haben und insbesondere für die schnelle Herstellung von Ersatzteilen genutzt werden. Metallische Bauteile an beliebigen Orten herzustellen ist deutlich anspruchsvoller, da sowohl eine einheitliche Qualifizierung als auch hohe Anschaffungskosten der Maschinen und gegebenenfalls umfangreiche Nacharbeiten Herausforderungen darstellen. Für die Elektronikfertigung sind Materialkombinationen, primär aus leitenden und isolierenden Materialien, notwendig. Daher sind derzeitig starke Entwicklungen in diesem Bereich in der Forschung und Wirtschaft zu erkennen. In diesem Kontext ist auch die

152

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

Optomechatronik, das Drucken von optischen, elektrischen und mechanischen Komponenten beziehungsweise Baugruppen, als weiterführende Technologie zu nennen. Wir forschen hierzu im EFRE Strukturverbund GROTESK (Generative Fertigung optischer, thermaler und struktureller Komponenten) und im Excellenzcluster PHOENIX-D. Große Bauteile mittels der Additiven Fertigung herzustellen stand lange Zeit im Schatten der „3D-Drucker“. Inzwischen ist diese Annahme überholt. Sowohl durch Auftragsschweißen als auch durch Auftragen von Material-Binder-Kombinationen mittels Roboter lassen sich heute auch große Strukturteile additiv fertigen und werden im Wettbewerb, etwa bei Sportartikeln oder in der Bauindustrie, zukünftig zunehmend handwerklichere Produktionsformen ersetzen.

8.3

Digitalisierung und Lehrkonzept

Betrachtet man die Leitartikel der Fachzeitschrift Konstruktion im Jahr 2019 kann kaum ein Autor das Thema „Digitalisierung“ umgehen. Diese Entwicklung gipfelt in der Dezemberausgabe mit dem Titel „Konstruieren neu gedacht  – Digital Engineering“. Hier wird die Anwendung der künstlichen Intelligenz zur Erledigung von Routineaufgaben der Konstruktion postuliert. Insbesondere geht es dabei um: • die Konstruktion der n-ten Produktgenerationen • das Wiederauffinden vorhandener Konstruktionen • das Ausdrucken von Produkten in Echtzeit ohne die Notwendigkeit einer Arbeitsvorbereitung. All dies bedeutet in letzter Konsequenz ein Verschieben der Grenze zwischen kreativen, menschlichen, und geplanten, maschinellen Tätigkeiten durch den Einsatz „Künstlicher Intelligenz“ und „Digitaler Zwillinge“. Die Rolle, die der Additiven Fertigung dabei als Schlüsseltechnologie zukommt, liegt an der Grenze zwischen den virtuellen Modellen und der realen Welt. Durch die Fähigkeit additiver Fertigungsanlagen aus virtuellen Modellen unter relativ geringem menschlichem Aufwand ein Stück Realität entstehen zu lassen werden sowohl handwerkliche als auch planerische Fähigkeiten teilweise ersetzt. Daraus können wir jedoch nicht schließen, dass immer weniger Fähigkeiten des Menschen zur Realisierung von Produkten gebraucht werden, sondern lediglich, dass die benötigten Fähigkeiten sich verändern. Einerseits bedarf es zunehmend mehr Leistung und Kreativität in der Entwicklung neuer Geschäfts- und Produktmodelle zum Erhalt der unternehmerischen Wettbewerbsfähigkeit. Ferner werden Software und IT Wissen zum Enabler. Andererseits ist auch die Additive Fertigung mit ihren vielen Maschinentechnologien nicht uneingeschränkt. Deshalb müssen Chancen aber auch Fertigungs- und Gestaltungsrestriktionen möglichst früh

8.3  Digitalisierung und Lehrkonzept

153

in der Ausbildung vermittelt werden, um zu garantieren, dass Bauteile für die Additive Fertigung ausgelegt werden. Außerdem erfordern neue Maschinen, die richtige Bedienung sowie der Umgang mit den Materialien sowie der Qualitätssicherung und Sicherheit auch im Kontext Additiver Fertigung gut ausgebildete Ingenieurinnen und Ingenieure sowie technische Fachkräfte. Um Studierenden und technischen Fachkräften die Additive Fertigung näher zu bringen wird daher im Folgenden ein Lehrkonzept vorgestellt, welches wir in den letzten Jahren entwickelt haben und welches die Theorie mit der praktischen Umsetzung koppelt. Die Lernziele der Veranstaltung, welche sich an Studierende in unseren Masterstudiengängen Maschinenbau, Mechatronik sowie Produktion und Logistik wendet, entsprechen in ihren technischen Inhalten im Wesentlichen dem Kontext dieses Buches. Lernziele • Maschinentechnologie – Verfahren der Additiven Fertigung • Konstruktion für die Additive Fertigung • Digitale Prozesskette • Materialien und Qualitätssicherung • Geschäftsmodelle und Nachhaltigkeit Struktur der Lehrveranstaltung und Methoden Die Struktur der Veranstaltung basiert im Wesentlichen auf der Idee einer Lernfabrik Additive Fertigung. Im Rahmen des 2019 eröffneten neuen Campus Maschinenbau in Hannover/Garbsen haben wir acht verschiedene Additive Fertigungstechnologien bei insgesamt 30 Maschinen zur Verfügung, die es uns ermöglichen einen signifikanten Praxisbezug und experimentelles Lernen im Rahmen der Lehrveranstaltung zu bieten. Die Veranstaltung gliedert sich somit in die Formate: • Vorlesungen • Web gestützte Übungen (Stud.IP) • Seminare mit praktischem Teil/Teamprojekt In der Vorlesung werden die Grundlagen dargestellt. Diese Veranstaltung vermittelt nicht nur die Bandbreite der verschiedenen Verfahren, sondern insbesondere auch die konstruktionsbezogenen Methoden und Regeln sowie weitere Themen, wie sie auch in diesem Buch dargestellt sind. In den Web basierten Übungen werden Aufgaben zur Gestaltung, Berechnung von Prozessparametern, CAx-Prozesskette sowie Werkstoffbedarf und Nachhaltigkeit in Heimarbeit bearbeitet und digital zur Korrektur gegeben. So können über Kurzfragen hinaus auch kompliziertere Zusammenhänge aus der Vorlesung vertieft werden. Neben den theoretischen Grundlagen ist es unerlässlich, dass Seminare mit praktischem Teil die Ausbildung begleiten, da die Fülle von additiven Fertigungsverfahren

154

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

eine Vielzahl von Herausforderungen bieten, die in der Theorie zwar beschrieben werden können, jedoch der Umgang damit gezeigt und selbstständig bewältigt werden muss. Seien es Probleme mit der Anhaftung von Bauteilen auf der Plattform bei FLM-Verfahren oder die Auswahl geeigneter Stützstrukturen für die Stereolithografie. Learning-by-doing soll den Studierenden zeigen, dass die Additive Fertigung in vielen Aspekten herausfordernd ist, der Umgang mit der Technologie jedoch motiviert und die gesammelte Praxiserfahrung befähigt, exzellente Fertigungsergebnisse für individualisierte Bauteile zu erzielen. Abb.  8.6 zeigt den Ablauf des praktischen Teils der Lehrveranstaltung, welcher in Teams von vier bis sechs Studierenden begleitet jeweils durch einen Tutor an zehn Veranstaltungstagen, von jeweils Hausarbeit begleitet, durchgeführt wird. Nach einer Einführungsveranstaltung werden im nächsten Termin Komponenten gefertigt, welche bereits vorkonstruiert wurden, und nicht verändert werden müssen, um den Umgang mit den Fertigungsanlagen in den Fokus zu rücken. Dabei werden Erfahrungen im Pre-, In- und Post-Prozess gesammelt und können für die nächsten Schritte angewandt Grundwissen der Studenten: Konstruktionslehre, CAD, Mechanik, Methoden der Produktentwicklung, Projekt- und Innovationsmanagement

Fertigung vordefinierter Teile

Konstruktion eigener Teile

Fertigung eigener Teile

Nachbearbeitung und Validierung

• • • •

Einführung in die FDM Technologie Team Building Verteilung der Gestaltungsziele Aufgabenverteilung und Organisation innerhalb des Teams

• Erlernen der Techniken: Slicen Stützstrukturen, Prozessparameter • Nachbearbeitungsverfahren

• Konzepte und Konstruktion mithilfe der Gestaltungsziele • Anwenden von Hilfsmitteln und Methoden der Konstruktion (Topologieoptimierung, innere Strukturen, etc.) • Einbinden von Gestaltungsrichtlinien • Iterative Anpassung der CAD-Modelle • Positionieren, Anordnen und Ausrichten der Bauteile • Iterative Fertigung der Bauteile

• • • •

Post -Processing und Nachbearbeitung Zusammenbau und Inbetriebnahme Optimierung ausgewählter Bauteile Vorbereiten der Dokumentation

Produktvalidierung Abb. 8.6  Ablauf der Teamprojekte/Seminare mit praktischem Teil

Vorlesungen

Einführungsveranstaltung

8.3  Digitalisierung und Lehrkonzept

155

werden. In weiteren Terminen werden Komponenten von den Studenten selbst konstruiert, gefertigt und der Rennwagen assembliert. Mit einer Abschlussfahrt im Sinn eines Team Wettbewerbs werden die Wagen auf ihre Funktionalität geprüft und somit die Arbeit der Gruppen evaluiert. Prüfung In der 90-minütigen Klausur zum Fach werden sowohl den Lernzielen entsprechende Wissensfragen gestellt als auch Gestaltungsaufgaben und die Berechnung von Prozessgrößen abgefragt. Voraussetzung für die Zulassung zur Prüfung ist die erfolgreiche Teilnahme am Teamprojekt. Teamprojekt Der praktische Part soll die gesamte Prozesskette der Additiven Fertigung umfassen und erhält eine Aufgabenstellung, die über die gesamte Veranstaltungsdauer bearbeitet werden kann. Im hier vorgestellten Beispiel sollten die Studierenden einen ferngesteuerten Rennwagen assemblieren, für den vordefinierte Komponenten konstruktiv angepasst und a­ dditiv gefertigt werden sollten. Für die Konstruktion standen dabei verschiedene Gestaltungsziele im Vordergrund, welche erfüllt sein müssen, um den praktischen Part erfolgreich abzuschließen. Daher werden die Studierenden in Gruppen aufgeteilt, welche jeweils ein anderes Gestaltungsziel bearbeiten (Abb. 8.7).

Projektgruppe 1 2 3 4 5

Gestaltungsziel Maximale Materialersparnis Funktionsintegration und innere Kanäle Gewichtsreduktion durch innere Strukturen Kraftflussangepasste und bionische Geometrien Mass Customization und Design

Abb. 8.7  oben: CAD-Modell der zugekauften und vordefinierten Bauteile, unten: Unterschiedliche Gestaltungsziele für fünf Projektgruppen

156

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

Abb. 8.8  Prozess der Additiven Fertigung für ein Differenzial a) Zeichnung der vordefinierten Komponenten b) FLM Prozess c) Gehäuse mit SLM-gefertigten Zahnrädern d) Assemblierung mit zugekauften Komponenten e) Zusammenbau am Wagen

Über den gesamten Übungsbetrieb werden die Studierenden durch Tutoren betreut, die bei Fragen oder technischen Schwierigkeiten aushelfen und auch bei der Implementierung der Gestaltungsziele in der Konstruktion unterstützen können. Zusätzlich kann auf Handlungsempfehlungen bezüglich der Slicing-Software, der Anlagen, etc. zurückgegriffen werden. In Abb. 8.8 ist beispielhaft ein Teil der Fertigungskette, welche die Studierenden umsetzen müssen, dargestellt. Hier handelt es sich um das Differenzial, welches aus vordefinierten und zugekauften Komponenten besteht. Das Gehäuse und die Zahnräder werden additiv gefertigt und folgend assembliert. Die Fertigung mittels SLM bietet sich hier beispielsweise für die Zahnräder an. Um die Bauteile weiterhin zu optimieren, steht es den Studierenden frei, die Bauteile nachzubearbeiten, um beispielsweise eine verbesserte Oberflächenrauheit zu erzielen Im nächsten Schritt werden die Komponenten konstruiert, die noch nicht als Datensatz vorliegen. Diese sollen nach den anfangs gestellten Gestaltungszielen modifiziert und optimiert werden. Dafür stehen den Studierenden verschiedene Hilfsmittel wie Topolo­ gieoptimierung, Makros innerer Strukturen oder bionische Muster aus der Natur zur ­Verfügung. Ob diese Hilfsmittel eingesetzt werden, steht hierbei im Ermessen der Studierenden. Um die Bauteilqualität weiter zu steigern und die Bauteile für die Additive Fertigung auszulegen, werden zudem Gestaltungsrichtlinien hinsichtlich der Fertigung einbe-

8.3  Digitalisierung und Lehrkonzept

157

Abb. 8.9  Beispiel eines bionischen Chassis, angepasst mit Hilfe der Topologieoptimierung

Abb. 8.10  Beispiel für ein fertiges ferngesteuertes Fahrzeug a) assembliertes Standard-Modell b) kraftflussangepasstes/bionisches Chassis c) Chassis mit minimalem Gewicht und geringster Größe

zogen. Zudem ist es möglich, die Bauteile iterativ anzupassen, soweit der zeitliche Rahmen dies zulässt. Abb. 8.9 zeigt beispielsweise die Anpassung einer Chassiskomponente durch Topologieoptimierung. Schließlich wird das Fahrzeug zusammengebaut und über eine Testfahrt evaluiert. Abb. 8.10 zeigt eines der Fahrzeuge und den Vergleich zu Chassis anderer Gruppen. Kompetenzmatrix Die Studierenden haben über die Veranstaltung hinweg die Vor- und Nachteile der Kon­ struktion für die Additive Fertigung erlernt und selbst durch ein Projekt im Team geübt. Tab.  8.4 zeigt die Kompetenzmatrix bezogen auf die Inhalte der Lehrveranstaltung und die Dimensionen Fachkompetenz, Methodenkompetenz sowie Sozial- und Selbstkompetenz.

8  Lohnt sich die Additive Fertigung?

158 Tab. 8.4 Kompetenzmatrix

Vorlesungen und Web Übungen Maschinentechnologie und Additive Verfahren Vorlesungen und Web Übungen Konstruktion für die additive Fertigung Vorlesungen und Web Übungen Digitale Prozesskette Vorlesungen und Web Übungen Materialien und Qualität Vorlesungen und Web Übungen Geschäftsmodelle und Nachhaltigkeit Praktische Übung Fertigung vordefinierter Bauteile Praktische Übung Konstruktion eigener Bauteile entsprechend Entwicklungszielen Fertigung und Nachbearbeitung eigener Bauteile sowie Montage und Qualitätssicherung Challenge Schriftliche Prüfung

Fachkompe- Methodenkom- Sozialkompe- Selbstkomtenz petenz tenz petenz +++ + + ++

+

+++

++

+

+++

++

+

+

+++

++

++

+

+++

+

+++

+++

+

+

+++

+++

+

+++

+++

+ ++

+ +++

+++

++

++ ++

Literatur [ADAC15] ADAC: Sparen beim Fahren, https://www.adac.de/infotestrat/tanken-kraftstoffe-undantrieb/spritsparen/sparen-beim-fahren-antwort-5.aspx. Zugegriffen am 01.07.2015, 2015 [Ages12] Ages GmbH Münster: Verbrauchskennwerte 2005  – Energie und Wasserverbrauchswerte in der Bundespublik Deutschland, Münster, 2015 [Deck87] Deckard, C.  R.: METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING PARTS BY SELECTIVE SINTERING, WO001988002677A2, Tag der Anmeldung: 14.10.1987 [Eos14] EOS Electro Optical Systems: System data sheet EOSINT M 280 www.eos.info/systems_ solutions/metal/systems_equipment/eosint_m280. Zugegriffen am 01.07.2015, 2014 [Gebh16] Gebhardt, A.: Additive Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion; Hanser Verlag; Deutschland München; 2016; ISBN: 978-3446444010 [Huan15] Huang, R.; Riddle, M.; Grazino D et al.: Energy and emissions saving potential of additive manufacturing: the case of lightweight aircraft components. J Clean Prod, S.1–12 [Lach15] Lachmayer, R.; Gottwald, P. und Lippert, R. B.: Approach for a comparatively evaluation of the sustainability for additive manufactured aluminum components; Proceedings of the 20th International Conference on Engineering Design (ICED); Italy Milan; 2015; ISBN: 978-1-904-67067-4

Literatur

159

[ Oste07] Ostermann, F.: Anwendungstechnologie Aluminium. Springer, Berlin/Heidelberg, 2007 [Scha07] Schatt, W. Wieters, K. P., Kieback, B.: Pulvermetallurgie. Technologien und Werkstoffe, Springer, Deutschland Berlin/Heidelberg, 2007 [Schä08] Schäfer JH: Aluminium – Ressourceneffizienz entlang des Lebenszyklus von Aluminiumprodukten: Stoffstrom Aluminium – Vom Bauxitabbau bis hin zum Recycling. Gesamtverband der Aluminiumindustrie, Düsseldorf, 2008 [Stib17] Stibbe, R.: Globales Life-Cycle-Controlling: Footprinting in der Praxis, Springer Fachmedien Wiesbaden, Deutschland Wiesbaden, 2017, ISBN: 978-3-658-15660-2 [Weiß12] Weißbach, W: Werkstoffkunde – Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. Vieweg + Teubner Verlag, Deutschland Wiesbaden, 2012 [Worl14]  World Aluminium: The website of the International Alumnium Institute. Word-­ aluminium.org/statistics, Nov. 2014. Zugegriffen am 01.07.2015

 onstruktionskatalog der Additiven K Fertigungsverfahren

X

Fused Layer Modeling / Manufacturing

X

Laser-Draht-Auftragsschweißen

< 10 10-100 10-100 X >200 X

Begrenzt Begrenzt Begrenzt Ja

mittel mittel klein mittel

Ja

Nein

groß

Nein

Ja

groß

Nein

Ja

mittel

X

>200

b x h x t [mm]

Ja Ja Ja Nein

> 100 10-100

X

X X

Bauraum

Schichtdicke [µm]

X

Multimaterialfähigkeit

3D-Drucken

X X X X

Kammergebunden

X

Keramik

Laser-Sintern Laser-Strahlschmelzen Elektronen-Strahlschmelzen Laser-Pulver-Auftragsschweißen

Metall

Bezeichnung

Stützstruktur

Zugriffsteil

Hauptteil

Kunststoff

mechanismus

UV

Verkleben Verschmelzen Binder Verschmelzen

Bindungs-

Form Strang Liquid

Flüssig

Folie

Fest

Pulver

Aggregatszustand

Gliederungsteil

X 10-100

X

Ja

Nein

groß

X

X

X

Ja

Nein

groß

Multi-Jet Modeling

X

X 10-100

X

Ja

Ja

mittel

Zwei-Photonen-Polymerisation Digital Light Processing

X X

(X)