Konstruktion für die Additive Fertigung 2018 [1. Aufl. 2020] 978-3-662-59057-7, 978-3-662-59058-4

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XXI
Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt? (Rene Bastian Lippert, Roland Lachmayer)....Pages 1-18
Front Matter ....Pages 19-19
Entwicklung von Laser-Systemkomponenten optimiert für die additive Fertigung mittels SLM (Marius Lammers, Laura Budde, Alexander Barroi, Jörg Hermsdorf, Stefan Kaierle)....Pages 21-35
Analyse von Trends in der Implementierung der Additiven Fertigung anhand aktueller industrieller Anwendungen (Manuel Biedermann, Mirko Meboldt)....Pages 37-53
TRIZ als Schlüssel zu den Potentialen additiver Fertigungsverfahren (Fiona Schulte, Jan Würtenberger, Kay-Eric Steffan, Eckhard Kirchner)....Pages 55-75
Schnelle kostengerechte Bauteilgestaltung für die additive Fertigung (Peter Hartogh, Thomas Vietor)....Pages 77-91
Bionik – Potenziale für die Konstruktion additiv gefertigter Bauteile (Helena Hashemi Farzaneh, Ferdinand Angele, Markus Zimmermann)....Pages 93-105
Front Matter ....Pages 107-107
Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives Laserstrahlschmelzen (Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert, Roland Lachmayer)....Pages 109-127
Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter Mechanismen (Martin Hallmann, Benjamin Schleich, Sandro Wartzack)....Pages 129-143
Erkenntnisgewinn in der Gestaltung mit Rapid Prototyping Ersatzsystemen durch Modellbildung und Parametertransformation (Sven Matthiesen, Patric Grauberger, Emily Windisch)....Pages 145-164
Methodische Entwicklung einer modularen Lasersintermaschine zur Herstellung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen (Clemens Kautz, Dietmar Göhlich)....Pages 165-189
Front Matter ....Pages 191-191
Materialcharakterisierung transparenter Kunststoffe für die Additive Fertigung (Katharina Rettschlag, Alexander Wolf, Roland Lachmayer)....Pages 193-207
Anwendung agiler Entwicklungsprinzipien für die Herstellung von Ersatzteilen mit additiven Fertigungsverfahren (Joaquin Montero, Alexander Atzberger, Tobias Sebastian Schmidt, Matthias Bleckmann, Jens Holtmannspötter, Kristin Paetzold)....Pages 209-226
Automatische Supportoptimierung für die additive Fertigung (John Schlasche)....Pages 227-241
Optimierung von Inserts in Sandwichstrukturen durch additive Fertigung (Johann Schwenke, Tobias Hartwich, Dieter Krause)....Pages 243-259
Front Matter ....Pages 261-261
Verbesserung der Klebeignung von Polypropylen durch additiv gefertigte Oberflächenstrukturen und Multi-Material-Druck (Hagen Watschke, Hakon Gruhn, Vitali Fischer, Thomas Vietor)....Pages 263-281
Laseradditive Fertigung dünnwandiger Magnesiumbauteile (Yvonne Wessarges, Christian Hoff, Jörg Hermsdorf, Dietmar Kracht)....Pages 283-298
Formschlüssige multimaterielle Additive Fertigung zur Realisierung funktionsintegrierter Hybrid-Bauteile (Georg Leuteritz, Svenja Schudak, Markus Rohling, Roland Lachmayer)....Pages 299-317
Design und Simulation einer planaren GRIN Linse zur Kopplung von Licht in einen Wellenleiter (Hossein Salmani Rezaei, Christian Zander, Gerrit Hohenhoff, Oliver Suttmann, Stefan Kaierle, Ludger Overmeyer)....Pages 319-333
Back Matter ....Pages 335-348

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Roland Lachmayer Rene Bastian Lippert Stefan Kaierle  Hrsg.

Konstruktion für die Additive Fertigung 2018

Konstruktion für die Additive Fertigung 2018

Roland Lachmayer  •  Rene Bastian Lippert Stefan Kaierle Hrsg.

Konstruktion für die Additive Fertigung 2018

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

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

Stefan Kaierle Laser Zentrum Hannover e.V. Hannover, Deutschland

ISBN 978-3-662-59057-7    ISBN 978-3-662-59058-4  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-59058-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 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

Ein entscheidender Schlüssel für einen erfolgreichen Einsatz additiver Fertigungstechnologien ist die auf die Verfahren angepasste Konstruktion. Ein frühes Ansetzen in der Prozesskette bei der Konstruktion hat deutliche Auswirkungen auf die Potenziale und Gestaltung der Komponenten. Das Buch „Konstruktion für die Additive Fertigung 2018“ gibt einen Einblick in die umfangreiche Thematik der konstruktiven Aufgabenvarianten. Hierfür wurden Beiträge aus dem ganzen deutschsprachigem Raum der Methodik, Industrie und Forschung zusammengetragen. Die dargestellten Beiträge sind in die nachfolgenden Schwerpunkte gegliedert: • • • •

Spezifikationen, Potenziale und Lösungsfindung Gestaltung und Optimierung Simulation, Validierung und Qualitätssicherung Prozesskette und Geschäftsmodelle

Bereits zum vierten Mal wurde gemeinsam vom Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG) der Leibniz Universität Hannover und dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ein wissenschaftlicher Workshop zum Thema Additive Fertigung durchgeführt. Dieses Buch beinhaltet eine schriftliche Aufbereitung der vorgestellten Beiträge und ergänzt die Reihe „3D-Druck Beleuchtet“, „Additive Fertigung Quantifiziert“ und „Additive Serienfertigung“. Im Anhang des Buches sind weiterhin eine Übersicht einiger Additiver Fertigungsverfahren und ein Sachwortverzeichnis beigefügt. Das vorliegende Buch stellt eine aktuelle Zusammenstellung unterschiedlicher Herangehensweisen und Aspekte der Additiven Fertigung dar.

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Vorwort

Wir danken allen Teilnehmenden und dem wissenschaftlichen Direktorium für die Beiträge und Gutachten. Ebenso danken wir der DFG, dem BMBF, dem Land Niedersachsen, Niedersachen Additiv und der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktentwicklung für die Unterstützung und Bereitstellung finanzieller Mittel in den verschiedenen Forschungsprojekten und für die Durchführung der Veranstaltung. HannoverRoland Lachmayer , im März 2019  Rene Bastian Lippert  Stefan Kaierle

Inhaltsverzeichnis

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt?����������  1 Rene Bastian Lippert und Roland Lachmayer 1 Planen ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   2 2 Konzipieren��������������������������������������������������������������������������������������������������������������   3 2.1 Dünnwandigkeit im Sinne der Bionik ������������������������������������������������������������   3 2.2 Kraftflussanpassung durch Strukturoptimierung��������������������������������������������   6 2.3 Strömungsoptimierung für integrierte Kanäle������������������������������������������������   7 3 Entwerfen������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   8 3.1 Tretkurbel mit inneren Strukturen ������������������������������������������������������������������   8 3.2 Topologieoptimierung eines Radträgers����������������������������������������������������������  11 3.3 Strömungsoptimierung eines pneumatischen Ventils��������������������������������������  14 4 Ausarbeiten ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������  16 5 Ausblick��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  18 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  18 Teil I Spezifikationen, Potenziale und Lösungsfindung für die Additive Fertigung Entwicklung von Laser-­Systemkomponenten optimiert für die additive Fertigung mittels SLM������������������������������������������������������������������������������������������������  21 Marius Lammers, Laura Budde, Alexander Barroi, Jörg Hermsdorf und Stefan Kaierle 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  22 1.1 Laser-Draht-Auftragschweißen mit konduktiver Drahtvorwärmung��������������  22 1.2 Drahtzufuhr beim Laser-Draht-Auftragschweißen������������������������������������������  23 1.3 Entwicklung eines koaxialen Laser-Draht-­Auftragschweißkopfes ����������������  24 2 Konstruktion des Düsenhalters ��������������������������������������������������������������������������������  26 2.1 Anforderungen an den Düsenhalter����������������������������������������������������������������  26 2.2 Konzeption und Auswahl geeigneter Fertigungsverfahren������������������������������  27 2.3 Fertigungsgerechte Konstruktion des Düsenhalters����������������������������������������  28

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3 Fertigung des Düsenhalters��������������������������������������������������������������������������������������  30 3.1 Generative Fertigung des Düsenhalters mittels SLM��������������������������������������  30 3.2 Spanende Bearbeitung des Düsenhalters��������������������������������������������������������  31 3.3 Fertigung des Düsenhalters – manuelle Nacharbeit����������������������������������������  32 4 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������  33 4.1 Zusammenfassung – Fertigung des Düsenhalters ������������������������������������������  33 4.2 Ausblick – Einsatz des koaxialen Schweißkopfes zur additiven Fertigung����������������������������������������������������������������������������������������������������������  33 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  35 Analyse von Trends in der Implementierung der Additiven Fertigung anhand aktueller industrieller Anwendungen������������������������������������������������������������������������  37 Manuel Biedermann und Mirko Meboldt 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  38 2 Anwendungsfelder für Additive Fertigungsverfahren����������������������������������������������  39 3 Darstellung ausgewählter Anwendungsbeispiele aus dem „Swiss Additive Manufacturing Guide 2018“ ������������������������������������������������������������������������������������  41 3.1 Individualisierte Skischuhe������������������������������������������������������������������������������  42 3.2 Schleifringrotor mit integrierten elektrischen Leitungen��������������������������������  43 3.3 Individualisierte Strömungsmesssonden ��������������������������������������������������������  45 3.4 Weitere Anwendungsbeispiele������������������������������������������������������������������������  48 4 Analyse der Anwendungsbeispiele ��������������������������������������������������������������������������  49 4.1 Implementierung innovativer Serienbauteile mit erhöhter Komplexität������������  49 4.2 Kombination von additiven mit konventionellen Fertigungsverfahren��������������  50 4.3 Verwendung durchgängiger Prozessketten als Kundenlösung������������������������  50 4.4 Automatisierte Designerstellung und Produktindividualisierung��������������������  50 5 Diskussion der Analyse��������������������������������������������������������������������������������������������  51 6 Zusammenfassung����������������������������������������������������������������������������������������������������  52 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  53 TRIZ als Schlüssel zu den Potentialen additiver Fertigungsverfahren������������������  55 Fiona Schulte, Jan Würtenberger, Kay-Eric Steffan und Eckhard Kirchner 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  56 2 Stand der Forschung ������������������������������������������������������������������������������������������������  57 2.1 Potentiale der additiven Fertigung bei der Konstruktion��������������������������������  57 2.2 Realisierung von Potentialen der additiven Fertigung������������������������������������  62 2.3 Methodik TRIZ������������������������������������������������������������������������������������������������  62 3 Ziel und Vorgehen����������������������������������������������������������������������������������������������������  65 4 Entwicklung einer AM-approved TRIZ-Methodik��������������������������������������������������  66 4.1 Beispiel additiver Fertigung����������������������������������������������������������������������������  66 4.2 Potentialidentifikation��������������������������������������������������������������������������������������  66 4.3 Potentialzuordnung zu TRIZ-Prinzipien ��������������������������������������������������������  67

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4.4 Hervorheben von Widersprüchen��������������������������������������������������������������������  67 4.5 AM-approved TRIZ-Kartensatz����������������������������������������������������������������������  69 5 Demonstration der Anwendung der AM-approved TRIZ-­Methodik������������������������  70 6 Fazit und Ausblick����������������������������������������������������������������������������������������������������  73 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  74 Schnelle kostengerechte Bauteilgestaltung für die additive Fertigung ������������������  77 Peter Hartogh und Thomas Vietor 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  78 2 Zugrunde gelegte Forschung������������������������������������������������������������������������������������  79 2.1 Abstrahierung von CAD-Modellen ����������������������������������������������������������������  79 2.2 Abstrahierung additiver Fertigungsverfahren��������������������������������������������������  81 3 Analyse der Berechnungsdauer��������������������������������������������������������������������������������  83 4 Anwendung der schnellen Vorhersage auf Baugruppen ������������������������������������������  85 5 Implementierung in Blender ������������������������������������������������������������������������������������  86 6 Beispielhafte Anwendung der Vorhersagealgorithmen��������������������������������������������  88 7 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������  89 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  90 Bionik – Potenziale für die Konstruktion additiv gefertigter Bauteile ������������������  93 Helena Hashemi Farzaneh, Ferdinand Angele und Markus Zimmermann 1 Einleitung: Herausforderungen AM (Verzug)����������������������������������������������������������  94 2 Stand der Technik und Forschung����������������������������������������������������������������������������  95 2.1 Entstehung Verzug ������������������������������������������������������������������������������������������  95 2.2 Aktuelle Lösungen zur Vermeidung von Verzug ��������������������������������������������  95 3 Fallbeispiel: Mikrotiterplatte������������������������������������������������������������������������������������  96 4 Vorgehen zur Neu-Konstruktion mittels Bionik ������������������������������������������������������  97 4.1 Suche ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������  98 4.2 Analyse/Vergleich��������������������������������������������������������������������������������������������  99 4.3 Abstraktion������������������������������������������������������������������������������������������������������ 101 4.4 Transfer������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 102 5 Ergebnisse und Zusammenfassung�������������������������������������������������������������������������� 103 6 Danksagung�������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 104 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 104 Teil II  Gestaltung und Optimierung für die Additive Fertigung Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives Laserstrahlschmelzen�������������������������������������������������������������������������������������������������� 109 Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert und Roland Lachmayer 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 110 2 Konventioneller Einsatz von gradierten Materialien in industriellen Produkten ������������ 112 2.1 Anwendungsgebiete von gradierten Materialien�������������������������������������������� 112 2.2 Fertigungsverfahren von gradierten Materialien �������������������������������������������� 113

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3 Entwicklung eines Bewertungsverfahrens für Strukturbauteile aus gradierten Materialien���������������������������������������������������������������������������������������������� 115 3.1 Vorbetrachtung������������������������������������������������������������������������������������������������ 116 3.2 Abgleich von Anforderungs- und Eigenschaftsprofilen���������������������������������� 119 3.3 Verträglichkeit der Materialkombination�������������������������������������������������������� 122 3.4 Evaluation�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 123 4 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 124 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 125 Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter Mechanismen�������������������������������������������������������������������������������������������� 129 Martin Hallmann, Benjamin Schleich und Sandro Wartzack 1 Motivation���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 130 2 Stand der Technik und Forschung zur additiven Fertigung beweglicher Baugruppen�������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 131 3 Ableitung von Gestaltungsrichtlinien für additiv gefertigte Drehgelenke���������������� 133 3.1 Identifikation relevanter Geometrieelemente�������������������������������������������������� 134 3.2 Identifikation relevanter Einflussgrößen���������������������������������������������������������� 134 3.3 Ermittlung der Mindestspalte zur Trennung nicht- und einfach-­gekrümmter Elemente������������������������������������������������������������������������ 136 3.4 Transfer der Ergebnisse ���������������������������������������������������������������������������������� 138 4 Übertragung der Gestaltungsrichtlinien auf eine additiv gefertigte, montagefreie Kurbelschwinge���������������������������������������������������������������������������������� 139 5 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 141 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 142 Erkenntnisgewinn in der Gestaltung mit Rapid Prototyping Ersatzsystemen durch Modellbildung und Parametertransformation���������������������������������������������� 145 Sven Matthiesen, Patric Grauberger und Emily Windisch 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 146 2 Methoden im Umfeld des Erkenntnisgewinns in der Gestaltung ���������������������������� 147 2.1 Umgang mit Modellen������������������������������������������������������������������������������������ 148 2.2 Modellbildung der Zusammenhänge von Gestalt und Funktion �������������������� 148 2.3 Transformation von Parametern���������������������������������������������������������������������� 150 3 Entwicklung des methodischen Ansatzes zum Erkenntnisgewinn �������������������������� 151 4 Anwendung des methodischen Ansatzes an zwei Beispielsystemen������������������������ 152 4.1 Anwendung an einer Rasthakenverbindung���������������������������������������������������� 153 4.2 Anwendung am Beispiel Faden-Mähkopf������������������������������������������������������ 159 5 Diskussion���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 162 6 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 163 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 163

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Methodische Entwicklung einer modularen Lasersintermaschine zur Herstellung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen ������������������������������������������ 165 Clemens Kautz und Dietmar Göhlich 1 Einleitung und Zielsetzung �������������������������������������������������������������������������������������� 166 2 Grundlagen des Tissue Engineerings������������������������������������������������������������������������ 166 2.1 Prozesskette zur Herstellung eines Implantats mittels TE und AM���������������� 167 2.2 Anforderungen an eine bioresorbierbare Implantatmatrix������������������������������ 167 2.3 Werkstoffe für bioresorbierbare Implantatmatrizen���������������������������������������� 168 3 Stand der Technik und Wissenschaft������������������������������������������������������������������������ 168 3.1 Bauraumverkleinerte Lasersintermaschinen und Prüfstände�������������������������� 169 3.2 Aufheizvorgang und Temperaturregelbereiche����������������������������������������������� 170 3.3 Laserenergieeintrag und Laserabschwächungssysteme���������������������������������� 170 4 Forschungsansatz������������������������������������������������������������������������������������������������������ 170 5 Generelle Anforderungen an Lasersintermaschinen zur Herstellung von Implantatmatrizen ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 172 6 Methodische Entwicklung einer Lasersintermaschine �������������������������������������������� 173 6.1 Systemvorstudie���������������������������������������������������������������������������������������������� 173 6.2 Systementwicklung������������������������������������������������������������������������������������������ 175 6.3 Systemherstellung�������������������������������������������������������������������������������������������� 180 7 Materialspezifische Weiterentwicklung der Maschine am Beispiel des bioresorbierbaren Copolymers PLGA���������������������������������������������������������������������� 180 7.1 Mechanische Korngrößenreduktion des Ausgangsmaterials �������������������������� 182 7.2 DSC-Messungen zur Bestimmung thermischer Eigenschaften���������������������� 183 7.3 FTIR-Spektroskopie zur Bestimmung optischer Eigenschaften �������������������� 185 8 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 186 9 Danksagung�������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 187 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 187 Teil III Simulation, Validierung und Qualitätssicherung für die Additive Fertigung Materialcharakterisierung transparenter Kunststoffe für die Additive Fertigung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 193 Katharina Rettschlag, Alexander Wolf und Roland Lachmayer 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 194 2 Spezifikation der Referenzbauteile �������������������������������������������������������������������������� 195 2.1 Verwendete Additive Fertigungsverfahren������������������������������������������������������ 195 2.2 Probengeometrie���������������������������������������������������������������������������������������������� 195 3 Messaufbauten���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 196 4 Ergebnisse���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 198 4.1 Streuung���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 198 4.2 Gerichtete Transmission���������������������������������������������������������������������������������� 199



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4.3 Ungerichtete Transmission������������������������������������������������������������������������������ 201 4.4 Formtreue�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 203 4.5 Brechkraft und Doppelbrechung �������������������������������������������������������������������� 203 5 Diskussion und Ausblick������������������������������������������������������������������������������������������ 204 6 Danksagung�������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 206 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 207

Anwendung agiler Entwicklungsprinzipien für die Herstellung von Ersatzteilen mit additiven Fertigungsverfahren ������������������������������������������������������ 209 Joaquin Montero, Alexander Atzberger, Tobias Sebastian Schmidt, Matthias Bleckmann, Jens Holtmannspötter und Kristin Paetzold 1 Motivation���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 210 2 Stand der Technik ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 211 2.1 Additive Fertigungsverfahren im Überblick���������������������������������������������������� 211 2.2 Agile Entwicklung������������������������������������������������������������������������������������������ 213 3 Forschungsvorgehen anhand eines gewählten Fallbeispiels ������������������������������������ 215 4 AM Ersatzteilherstellungsprozess bisher (V1) �������������������������������������������������������� 217 5 Optimierter AM Ersatzteilherstellungsprozess (V2)������������������������������������������������ 218 6 Diskussion���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 222 7 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 224 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 225 Automatische Supportoptimierung für die additive Fertigung ������������������������������ 227 John Schlasche 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 228 2 Stand der Technik ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 229 3 Ansatz und Implementierung������������������������������������������������������������������������������������ 230 3.1 Workflow zur Generierung optimierter Supports in der Software Amphyon������������������������������������������������������������������������������������������ 230 3.2 Ansatz und Ergebnis der Optimierung������������������������������������������������������������ 231 3.3 Übersicht über Optimierungsparameter���������������������������������������������������������� 233 3.4 Erstellen der Supports�������������������������������������������������������������������������������������� 234 4 Netz und Netzunabhängigkeit – korrekte Optimierungsergebnisse auch auf groben Netzen���������������������������������������������������������������������������������������������������� 237 5 Experimentelle Ergebnisse �������������������������������������������������������������������������������������� 238 6 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 241 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 241 Optimierung von Inserts in Sandwichstrukturen durch additive Fertigung �������� 243 Johann Schwenke, Tobias Hartwich und Dieter Krause 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 244 2 Stand der Wissenschaft und Technik������������������������������������������������������������������������ 246 2.1 Sandwichstrukturen und Inserts���������������������������������������������������������������������� 246 2.2 Additive Fertigung von Inserts und Sandwichstrukturen�������������������������������� 247

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3 Konzeptauswahl�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 249 3.1 Formänderung des Inserts�������������������������������������������������������������������������������� 249 3.2 Lastpfadoptimierte Integration in den Kern���������������������������������������������������� 250 4 Fertigung der Proben und Versuchsdurchführung���������������������������������������������������� 250 4.1 Additive Fertigung������������������������������������������������������������������������������������������ 250 4.2 Herstellung der Sandwichproben�������������������������������������������������������������������� 251 4.3 Durchführung des Pull-Out Test���������������������������������������������������������������������� 252 5 Ergebnisse & Auswertung���������������������������������������������������������������������������������������� 253 5.1 Ergebnisse der Formänderung des Inserts ������������������������������������������������������ 253 5.2 Ergebnisse der lastpfadoptimierten Integration in den Kern �������������������������� 255 6 Zusammenfassung & Ausblick �������������������������������������������������������������������������������� 257 6.1 Zusammenfassung ������������������������������������������������������������������������������������������ 257 6.2 Ausblick���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 257 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 258 Teil IV  Prozesskette und Geschäftsmodelle für die Additive Fertigung Verbesserung der Klebeignung von Polypropylen durch additiv gefertigte Oberflächenstrukturen und Multi-Material-­Druck ������������������������������������������������ 263 Hagen Watschke, Hakon Gruhn, Vitali Fischer und Thomas Vietor 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 264 2 Grundlagen und Stand der Technik�������������������������������������������������������������������������� 265 2.1 Additive Fertigung und Fused Deposition Modeling�������������������������������������� 265 2.2 Adhäsion additiv gefertigter Bauteile�������������������������������������������������������������� 266 3 Versuchsaufbau �������������������������������������������������������������������������������������������������������� 268 3.1 Identifikation konstruktiver Maßnahmen zur Fügestellengestaltung�������������� 268 3.2 Versuchsaufbau������������������������������������������������������������������������������������������������ 269 4 Versuchsdurchführung und Diskussion�������������������������������������������������������������������� 271 4.1 Experimentelle Untersuchungen zu den identifizierten konstruktiven Maßnahmen zur Fügestellengestaltung ���������������������������������������������������������� 271 4.2 Untersuchung additiv gefertigter Gitterstrukturen zur Verbesserung der Klebeignung���������������������������������������������������������������������������������������������������� 275 5 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 279 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 280 Laseradditive Fertigung dünnwandiger Magnesiumbauteile���������������������������������� 283 Yvonne Wessarges, Christian Hoff, Jörg Hermsdorf und Dietmar Kracht 1 Einleitung und Motivation���������������������������������������������������������������������������������������� 284 2 Stand der Wissenschaft und Technik������������������������������������������������������������������������ 285 2.1 Additive Fertigung mittels Laserstrahlschmelzverfahren�������������������������������� 285 2.2 Laseradditive Verarbeitung von Magnesiumwerkstoffen�������������������������������� 285 2.3 Einsatz von Stentstrukturen ���������������������������������������������������������������������������� 286

XIV

Inhaltsverzeichnis

3 Material und Methoden�������������������������������������������������������������������������������������������� 287 3.1 Pulverwerkstoff WE43������������������������������������������������������������������������������������ 287 3.2 Versuchstechnik���������������������������������������������������������������������������������������������� 288 3.3 Versuchsdurchführung������������������������������������������������������������������������������������ 288 4 Ergebnisdarstellung und Auswertung ���������������������������������������������������������������������� 289 4.1 Einfluss der Prozessparameter auf die Porenausbildung �������������������������������� 290 4.2 Einfluss der Prozessparameter auf die Probenansinterungen�������������������������� 292 4.3 Einfluss des Energieeintrags auf die Strukturbreite���������������������������������������� 293 5 Zusammenfassung und Ausblick������������������������������������������������������������������������������ 295 6 Danksagung�������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 296 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 296 Formschlüssige multimaterielle Additive Fertigung zur Realisierung funktionsintegrierter Hybrid-Bauteile���������������������������������������������������������������������� 299 Georg Leuteritz, Svenja Schudak, Markus Rohling und Roland Lachmayer 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 300 2 Bestehende formschlüssige Verbindungsmethoden�������������������������������������������������� 301 3 Selektion der Fertigungsverfahren und Materialien ������������������������������������������������ 303 4 Geometrie der multimateriellen Bauteile������������������������������������������������������������������ 304 5 Ergebnisse���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 308 6 Diskussion���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 314 7 Fazit und Ausblick���������������������������������������������������������������������������������������������������� 316 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 317 Design und Simulation einer planaren GRIN Linse zur Kopplung von Licht in einen Wellenleiter ���������������������������������������������������������������������������������� 319 Hossein Salmani Rezaei, Christian Zander, Gerrit Hohenhoff, Oliver Suttmann, Stefan Kaierle und Ludger Overmeyer 1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 320 2 Lichteinkopplung������������������������������������������������������������������������������������������������������ 321 3 GRIN-Linsen-Koppler���������������������������������������������������������������������������������������������� 322 3.1 Konventionelle GRIN-Linse���������������������������������������������������������������������������� 322 3.2 Mehrschicht-GRIN-Linsen������������������������������������������������������������������������������ 324 4 Simulation���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 326 4.1 Simulationsverfahren�������������������������������������������������������������������������������������� 326 4.2 Ergebnisse und Diskussion������������������������������������������������������������������������������ 327 5 Machbarkeitsstudie �������������������������������������������������������������������������������������������������� 329 5.1 Potopolymere�������������������������������������������������������������������������������������������������� 329 5.2 Additive Fertigungsverfahren�������������������������������������������������������������������������� 330 6 Zusammenfassung���������������������������������������������������������������������������������������������������� 332 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 332

Inhaltsverzeichnis

XV

Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Stichwortverzeichnis �������������������������������������������������������������������������������������������������� 345

Herausgeber- und Autorenverzeichnis

Über die Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer  Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG)

Dr.-Ing. Rene Bastian Lippert  Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG)

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Herausgeber- und Autorenverzeichnis

Dr.-Ing. Stefan  Kaierle  Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Autorenverzeichnis Ferdinand  Angele  Lehrstuhl für Produktentwicklung und Leichtbau, Technische Universität München, München, Deutschland Alexander  Atzberger  Institut für Technische Produktentwicklung (ITPE), Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, Deutschland Alexander Barroi  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Manuel  Biedermann  Produktentwicklungsgruppe Zürich (pd|z), ETH Zürich, Zürich, Schweiz Matthias  Bleckmann  Wehrwissenschaftliches Institut für, Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB), Erding, Deutschland Laura Budde  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Tobias Ehlers  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Vitali Fischer  Technische Universität Braunschweig – Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig, Deutschland Dietmar  Göhlich  Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik (MPM), Technische Universität Berlin, Berlin, Deutschland Patric Grauberger  Karlsruher Institut für Technologie (KIT), IPEK – Institut für Produktentwicklung, Karlsruhe, Deutschland Hakon Gruhn  Technische Universität Braunschweig – Institut für Konstruktionstechnik, Braunschweig, Deutschland

Herausgeber- und Autorenverzeichnis

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Martin  Hallmann  Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Konstruktionstechnik KTmfk, Erlangen, Deutschland Peter Hartogh  Technische Universität Braunschweig, Institut für Konstruktionstechnik, Braunschweig, Deutschland Tobias  Hartwich  Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (PKT), Technische Universität Hamburg, Hamburg, Deutschland Helena  Hashemi  Farzaneh  Lehrstuhl für Produktentwicklung und Leichtbau, Technische Universität München, München, Deutschland Jörg Hermsdorf  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Christian Hoff  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Gerrit Hohenhoff  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Jens  Holtmannspötter  Wehrwissenschaftliches Institut für Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB), Erding, Deutschland Stefan Kaierle  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Clemens Kautz  Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik (MPM), Technische Universität Berlin, Berlin, Deutschland Eckhard Kirchner  Institut für Produktentwicklung und Maschinenelemente, Darmstadt, Deutschland Dietmar Kracht  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Dieter Krause  Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (PKT), Technische Universität Hamburg, Hamburg, Deutschland Roland Lachmayer  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG), Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Marius Lammers  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Georg Leuteritz  Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Hannover, Deutschland Rene Bastian Lippert  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG), Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Sven Matthiesen  Karlsruher Institut für Technologie (KIT), IPEK – Institut für Produktentwicklung, Karlsruhe, Deutschland Mirko Meboldt  Produktentwicklungsgruppe Zürich (pd|z), ETH Zürich, Zürich, Schweiz Joaquin Montero  Wehrwissenschaftliches Institut für, Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB), Erding, Deutschland

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Herausgeber- und Autorenverzeichnis

Institut für Technische Produktentwicklung (ITPE), Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, Deutschland Ludger Overmeyer  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Kristin  Paetzold  Institut für Technische Produktentwicklung (ITPE), Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, Deutschland Katharina  Rettschlag  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG), Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Hossein Salmani Rezaei  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Markus Rohling  Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Hannover, Deutschland John Schlasche  Additive Works GmbH, Bremen, Deutschland Benjamin  Schleich  Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Konstruktionstechnik KTmfk, Erlangen, Deutschland Tobias Sebastian Schmidt  Institut für Technische Produktentwicklung (ITPE), Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, Deutschland Svenja Schudak  Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Hannover, Deutschland Fiona  Schulte  Institut für Produktentwicklung und Maschinenelemente, Darmstadt, Deutschland Johann  Schwenke  Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (PKT), Technische Universität Hamburg, Hamburg, Deutschland Kay-Eric Steffan  Institut für Produktentwicklung und Maschinenelemente, Darmstadt, Deutschland Oliver Suttmann  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Thomas Vietor  Technische Universität Braunschweig – Institut für Konstruktionstechnik, Braunschweig, Deutschland Jan Würtenberger  Institut für Produktentwicklung und Maschinenelemente, Darmstadt, Deutschland Sandro  Wartzack  Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Konstruktionstechnik KTmfk, Erlangen, Deutschland Hagen Watschke  Technische Universität Braunschweig – Institut für Konstruktionstechnik, Braunschweig, Deutschland Yvonne Wessarges  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland

Herausgeber- und Autorenverzeichnis

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Emily Windisch  Karlsruher Institut für Technologie (KIT), IPEK – Institut für Produktentwicklung, Karlsruhe, Deutschland Alexander Wolf  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG), Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Christian Zander  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Markus  Zimmermann  Lehrstuhl für Produktentwicklung und Leichtbau, Technische Universität München, München, Deutschland

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt? Rene Bastian Lippert und Roland Lachmayer

Inhaltsverzeichnis 1  Planen  2  Konzipieren  3  Entwerfen  4  Ausarbeiten  5  Ausblick  Literatur 

   2    3    8  16  18  18

Zusammenfassung

Ein Blick auf den Stand der Entwicklungsmethodik zur Unterstützung der Konstruktion für die Additive Fertigung zeigt, dass sich viele Autoren mit der Beschreibung der Maschinen und Technologie auseinandersetzen und ebenso zahlreiche Quellen zu Gestaltungsregeln und Beispielen vorliegen. Die Additive Fertigung wird inzwischen für die Herstellung von Werkzeugen und Montagehilfen sowie als Direct Manufacturing zur Herstellung von Teilen genutzt – Tendenz stark steigend. Um diese Potenziale heben zu können, muss ein anderer methodischer Ansatz als bisher gewählt werden: das Abarbeiten eines Konstruktionsprozesses beginnend mit Planen über Konzipieren und Entwerfen bis hin zum Ausarbeiten. Gerade zu den frühen Phasen des Konstruktionsprozesses liegen nur wenige methodische Handreichungen zum Umgang mit der Additiven Fertigung vor. Hier soll unser Beitrag angreifen, um ein Vorgehen zur Konstruktion Additiver Bauteile von Beginn an zu unterstützen. Vor diesem Hintergrund stellen wir unsere Erkenntnisse und die von uns entwickelten Methoden den Phasen des Entwicklungsprozesses nach VDI 2221 zugeordnet vor. R. B. Lippert (*) · R. Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG), Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2018, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59058-4_1

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2

R. B. Lippert und R. Lachmayer Schlüsselwörter

Entwicklungsmethodik · Gestaltungsziel · Strukturoptimierung · Strömungsoptimierung · Produktlebenszyklus Werfen wir heute einen Blick auf den Stand der Entwicklungsmethodik zur Unterstützung der Konstruktion für die Additive Fertigung, so fällt auf, dass sich viele Autoren mit der Beschreibung der Maschinen und 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 Guss- oder Drehteilen. Solange man die Verfahren der Additiven Fertigung lediglich für die Erstellung von Prototypen und Mustern genutzt hat, mag diese Vorstellung gerechtfertigt sein. Schauen wir uns jedoch die Nutzung der Additiven Fertigung im Jahr 2018 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 sowie zu einem weiteren Drittel als Direct Manufacturing zur Herstellung von Teilen genutzt – Tendenz stark steigend. Um die hierin liegenden Potenziale heben zu können, muss jedoch  – wie von der Entwicklungsmethodik seit Jahrzehnten gelehrt – ein anderer methodischer Ansatz gewählt werden; nämlich 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. Gerade zu den frühen, besonders effektreichen Phasen des Konstruktionsprozesses liegen jedoch nur wenige methodische Handreichungen zum Umgang mit der Additiven Fertigung vor. Hier soll unser Beitrag angreifen, um die Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung vom Kopf auf die Füße zu stellen, also ein Vorgehen zur Konstruktion Additiver Bauteile von Beginn an zu unterstützen. Vor diesem Hintergrund stellen wir im Folgenden unsere Erkenntnisse und die von uns entwickelten Methoden den Phasen des Entwicklungsprozesses nach VDI 2221 zugeordnet vor. Wobei, wie argumentiert, der besondere Schwerpunkt auf die frühen Phasen der Entwicklung gerichtet ist. Als Beispiele dienen hier Projekte, die wir am Institut für Produktentwicklung und Gerätebau in den vergangenen drei Jahren durchgeführt haben. Alle Arbeiten beziehen sich dabei auf Selektives Laserstrahlschmelzen von Aluminium auf einer Anlage vom Typ EOS M280.

1  Planen Betrachtet man den Mehrwert der Additiven Fertigung, können sich ähnelnde Ansätze identifiziert und zusammengefasst werden. Wie in Tab. 1 dargestellt, werden diese anhand von Zehn Gestaltungszielen beschrieben. Ein Gestaltungsziel dient dabei der ­grundlegenden Ausrichtung bei der Entwicklung für die Additive Fertigung und prägt insbesondere die Spezifikation in der Planungsphase [1, 2].

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt?

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Tab. 1  Gestaltungsziele der Additiven Fertigung # 1.

Gestaltungsziel Materialersparnis

Beschreibung Reduzierung des Materialeinsatzes sowie Ressourceneinsparung durch Erhöhung der Materialausnutzung. 2. FunktionsUmsetzung einer möglichst großen Anzahl technischer Funktionen integration durch einen minimalen Einsatz an Bauteilen. 3. Dünnwandigkeit Einsatz von dünnwandigen und filigranen Geometrien zur Reduzierung des Gewichts bei konstanten Rahmenbedingungen. 4. Kraftfluss-anpassung Materialanordnung entsprechend der Beanspruchungen zur Gewichtsreduktion oder Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften. 5. Integrierte Kanäle Verwendung von innenliegenden 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 Umsetzung von vordefinierten, komplizierten Fertigteilflächen auf Geometrien Basis von Simulationsergebnissen, wie z. B. 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

Die Frage welches Gestaltungsziel verfolgt wird, ist entscheidend für die Entwicklung additiv zu fertigender Bauteile und Systeme. Oft kommt es dabei auch zu gemischten Zielfunktionen, d. h. der Kombination mehrerer Gestaltungsziele.

2  Konzipieren Im Bezug zum gewählten Gestaltungsziels sollte zum Aufbau eines Konzeptes für die Additive Fertigung unterschiedlich vorgegangen werden. Im Folgenden werden exemplarisch drei Vorgehensweisen dargestellt.

2.1  Dünnwandigkeit im Sinne der Bionik Mit Blick auf die Natur bietet die Additive Fertigung in Kombination mit CAE Werkzeugen gegenüber klassischen Verfahren gute Möglichkeiten die Formsprache biologischer Vorbilder zu übernehmen. Schlüssel dabei ist die Technologie der Freiformflächen sowie die Optimierungsrechnung. Daneben können durch das gezielte Einstellen von Oberflächeneigenschaften, insbesondere Rauigkeiten, Effekte aus der Natur eingestellt werden.

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R. B. Lippert und R. Lachmayer

Abb. 1  Strukturen aus Biologie und Technik

Besonderes Augenmerk soll hier aber auf innere Strukturen und inhomogene Materialeigenschaften gelegt werden, wie sie überall in der Natur belastungsangepasst zu finden sind. Abb. 1 zeigt dazu exemplarische biologische Vorbilder und ihre Gruppierung nach duplizierten, selbstähnlichen und stochastischen Strukturen. Insbesondere können zwei Vorgehensweisen unterschieden werden. Zum einen ist dies die stochastische Strukturauslegung wie sie im Kontext der Strukturoptimierung diskutiert wird. Zum anderen das Füllen des Bauraums mit Regelstrukturen. Bei diesem Vorgehen stellt sich die Frage unter welchen Belastungen welche Strukturen geeignet eingesetzt werden können. Tab.  2 zeigt dazu für die Auslegung eines Strukturbauteils einsetzbare innere Strukturen. Für eine Gestaltungsaufgabe kann dabei das in Abb. 2 dargestellte systematische Vorgehen verwendet werden [3]. Am Ende jeder der vier sequentiell angeordneten Arbeitsschritte steht ein Arbeitsergebnis, welches die Eingangsgröße für den darauffolgenden Arbeitsschritt darstellt. Nach der in Abschn. 1 diskutierten Planungsphase werden die Topologie, Anschluss- und Hauptmaße unter Berücksichtigung relevanter Wirkflächen festgelegt. Zur Einbringung einer inneren Struktur muss das Modell weiterhin hinsichtlich der Kraftflüsse abstrahiert werden, um den Wirkraum einzugrenzen. Das Modell wird folglich von der Begrenzung durch den Wirkraum nach innen hin aufgebaut. Im Vorentwurf werden die innere Struktur und der Gestaltungsraum zusammengeführt. Hierbei wird Material in Bereichen mit hohen Spannungen angeordnet und in Bereichen mit geringen Spannungen reduziert. Abschließend werden konstruktive Maßnahmen zur Sicherstellung der Herstellbarkeit getroffen, was in Abschn. 4 diskutiert wird.

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt?

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Tab. 2  Geeignete Strukturen nach Belastungsart Innere Struktur Vollmaterial

Hauptanwendung –

Streben

Biegung

Quader

Biegung, Druck

Wabe

Biegung, Druck

Wabe versteift

Biegung, Druck

Fachwerk kfz

Biegung

Fachwerk krz

Biegung, Druck

Bambus

Biegung, Torsion

Spinnennetz

Torsion

Schachtelhalm

Torsion, Biegung

Polygone

Biegung

Kieselalge

Biegung, Torsion

Abb. 2  Systematisches Vorgehen zum restriktionsgerechten Gestalten gewichtsoptimierter Strukturbauteile

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R. B. Lippert und R. Lachmayer

2.2  Kraftflussanpassung durch Strukturoptimierung Die Strukturoptimierung ermöglicht die Anpassung der Materialverteilung eines Bauteils an dessen inneren Kraftfluss und dient als Entwicklungswerkzeug zum Lösen technischer Problemformulierungen mit unterschiedlichen Zielfunktionen. Diese Zielfunktionen können mit Hilfe eines Optimierungsansatzes minimiert oder maximiert werden. Bei der O ­ ptimierung von Strukturbauteilen kommen in der Praxis meistens die folgenden ­Zielfunktionen zur Anwendung: Minimierung des Gewichts, Maximierung der Steifigkeit, Minimierung der Verformung, Maximierung der Eigenfrequenz oder Maximierung der Lebensdauer [4–6]. Bezogen auf das Gestalten von Strukturbauteilen bestehen unterschiedliche Klassifizierungen der Strukturoptimierungsprobleme. Wie in Abb. 3 dargestellt, werden diese nach der Art der Entwurfsvariablen unterschieden, welche die anzuwendende Lösungsstrategie vorgeben [7]. Neben der grundsätzlichen Entscheidung über die Bauweise oder das verwendete Material, kann die Topologieoptimierung, Formoptimierung oder Dimensionierung eines Bauteils herangezogen werden [4]. Bei der Dimensionierung werden als Entwurfsvariablen Wanddicken und Querschnittsgrößen behandelt. Bei der Formoptimierung

Abb. 3  Klassifizierung von Strukturoptimierungsproblemen nach [4]

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt?

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beschreiben die Entwurfsvariablen die Form des Bauteilrandes, also die Bauteilhülle, sodass die Geometrie des Bauteils durchaus verändert werden kann. Das Einbringen neuer Strukturelemente, wie Hohlräume oder Streben, ist ausgeschlossen. Mit dem größten Änderungsumfang beschreiben die Entwurfsvariablen bei der Topologieoptimierung die Lage und Anordnung von Strukturelementen [4]. Zur Ausnutzung der Potenziale der Additiven Fertigung bietet besonders die Topologieoptimierung großes Potenzial, da kraftflussangepasste Geometrien resultieren, die ­aufgrund des hohen Freiformanteils konventionell schwierig herzustellen sind. Als rech­ ner­ unterstütztes Berechnungsverfahren ermöglicht die Topologieoptimierung die Beschreibung einer günstigen Grundgestalt (Topologie) für mechanisch belastete Bauteile. Ein Bauraum stellt als Eingangsgröße den maximal zur Verfügung stehenden Raum für das zu entwickelnde Bauteil dar. Im Ergebnis der Topologieoptimierung wird beschrieben, welche Bereiche im Bauraum mit Material belegt werden sollten. Die zugrunde liegende Bestimmung der Beanspruchungsverteilung im Bauraum wird üblicherweise mit der Finite-Element-Methode durchgeführt [8]. Die Ergebnisse der Topologieoptimierung müssen aufbereitet werden, weshalb explizit von einem Gestaltvorschlag gesprochen wird. Im Sinne einer effizienten Produktentwicklung ist dabei die Berücksichtigung unterschiedlicher Restriktionen für den Erfolg der Optimierungsmethode von hoher Relevanz. Hinsichtlich einer wirtschaftlichen Entwicklung ist beispielsweise die Einbeziehung von Fertigungsrestriktionen, wie die Entformbarkeit bei Gussbauteilen, notwendig. Die Umsetzung etwaiger Anforderungen gestaltet sich unterschiedlich schwer, da eine mathematische Formulierung der Restriktion notwendig ist. Beispielsweise kann die Symmetrie eines Bauteils mathematisch einfach ausgedrückt werden. Hingegen muss die Anforderung für eine fertigungsgerechte Gestalt durch einzelne Attribute, wie z. B. Wandstärken oder Hinterschnitte, angenähert werden [5]. Durch die Festlegung einer Synthese aus verschiedenen Anforderungen resultiert meist eine Abweichung zum ermittelten Vorschlag, sodass gewisse Einbußen akzeptiert werden müssen [5]. Bei der Verwendung des Selektiven Laserstrahlschmelzens können die Limitationen aus dem Fertigungsverfahren reduziert werden, sodass die finale Geometrie näher an den Designvorschlag angepasst werden kann.

2.3  Strömungsoptimierung für integrierte Kanäle Die Additive Fertigung eignet sich insbesondere zur Herstellung von strömungsoptimierten Kanäle, da der Fertigungsprozess endkonturnahe Modelle ermöglicht. Somit ist die Reduzierung der Masse bei Erfüllung der funktionalen Anforderungen, hier insbesondere der Innendruck und der Strömungsverlauf in den Kanälen, anzustreben. In der Konzipierung muss folglich die Konstruktion auf Funktionsflächen abstrahiert werden, wobei der Verlauf der optimierten Strömungskanäle als Ausgang dienten und nicht wie konventionell ein Halbzeug, welches die maximalen Abmessungen beschreibt. Bei der Abstrahierung der inneren Kanäle sind insbesondere Fertigungsrestriktionen zu berücksichtigen, da eine nachträgliche Bearbeitung der inneren Kanäle nicht möglich ist. Zum Beispiel können

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R. B. Lippert und R. Lachmayer

kreisförmige Querschnitte durch eine auslaufende 45° Schräge angepasst werden, sodass einer Fehlstellenbildung bei horizontal verlaufenden Kanälen vorgebeugt wird. In der Konzipierung ist weiterhin zu beachten, dass eventuell enthaltenes disperses Stützmaterial nachträglich entfernt werden muss. Auch muss bei der Auslegung dünnwandiger Kanäle darauf geachtet werden, dass eine ausreichende Steifigkeit erlangt wird. Zur Definition der Wandstärken ist entsprechend die Simulation eines Innendrucks zu empfehlen, sodass Rückschlüsse auf die Dimensionierung der Materialität möglich sind. Durch die Berücksichtigung der Möglichkeiten aber auch Restriktionen ist im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren die Verkürzung der Strömungswege umsetzbar. In Rückkopplung mit der Anordnung von Elementen kann ferner die Reduzierung der Bauraumgröße geprüft werden.

3  Entwerfen Die in Abschn. 2 diskutierten Vorgehensweisen zum Konzipieren werden im Folgenden zur Erstellung eines Gesamtentwurfes an exemplarischen Demonstratoren angewandt.

3.1  Tretkurbel mit inneren Strukturen Eine Tretkurbel dient zur Kraftweiterleitung der wirkenden Last durch den Benutzer auf die Antriebseinheit. Dabei definieren die Lagerungen für das Pedal und das Tretlager die relevanten Wirkflächen zur Kraftaufnahme, siehe Abb. 4. Das virtuelle Ausgangsmodell wird in die Simulationsumgebung importiert. Zur Festlegung des Modells wird das Tretlager als feste Einspannung definiert. Die Lagerstelle der

Abb. 4  Tretkurbel eines Rennrades

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt?

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Abb. 5  Spannungsverlauf in einer Fahrradtretkurbel

Pedale wird mit dem Lastvektor Fmax = 2250 N beaufschlagt, sodass eine Sicherheit für die Auslegung bereits in der Lastannahme berücksichtigt ist. Die Krafteinleitung wird entsprechend einer Bolzenlast am Lagerzapfen definiert, um lokale Spannungsspitzen vorzubeugen. Dabei wird die Anisotropie des Modells so gewählt, dass die z-Koordinate der Tretkurbel in positive Aufbaurichtung zeigt. Dadurch kann eine minimale Bauhöhe erzielt, die Maßhaltigkeit der Lagerstellen erhöht und der mechanische Nachbearbeitungsaufwand reduziert werden. Die maximale Spannung σ’max = 211,36 N/mm2 tritt bei einer reinen Biegebelastung auf, siehe Abb. 5. Zur Einbringung von inneren Strukturen muss die Bauteilhülle dahingehend variiert werden, dass eingespart und die Steifigkeit verbessert werden kann. Ausgehend von den Wirkflächen wird die Materialumverteilung untersucht, indem Querschnitte mit hohem Randfaserabstand durch dünnwandige, filigrane Strukturen verbunden werden. Durch die Änderung der Bauteilhülle sowie der Einbringung einer inneren Struktur wird zudem die Homogenisierung der Spannungsverteilung beabsichtigt. Auf Basis einer Abschätzung der theoretischen maximalen Abmessungen erfolgt die iterative Eingrenzung durch die Simulations- und Optimierungswerkzeuge, siehe Abb. 6. Als Optimierungskriterium wird die Minimierung des Gewichts bei konstanter Spannung verfolgt. Aufgrund der symmetrischen Gestalt und zur Reduzierung des Aufwandes wird die Optimierung ins Zweidimensionale abstrahiert. Abb. 6 zeigt die Überlagerung der Simulationsergebnisse bei einer Reduktion von 25–80 % mit einer Schrittweite von 5 %. Die dunkel dargestellten Bereiche visualisieren dementsprechend maßgebende Lastpfade. Helle und transparente Bereiche entsprechen ferner dem Potenzial zur Materialreduktion. Es ist zu erkennen, dass eine asymmetrische Topologie mit einer Versteifung im Bereich der Einspannung resultiert. Weiterhin ist erkennbar, dass maßgebende Lastpfade nicht innerhalb bestehender Tretkurbeln liegen.

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R. B. Lippert und R. Lachmayer

Ausgehend vom Wirkraum wird das Modell nach innen hin detailliert, indem eine innere Struktur an die Beanspruchungen angepasst wird. Dafür wird die Bauteilhülle mit der Wandstärke s = 1 mm modelliert, um einen möglichst großen Gestaltungsraum abzubilden und eine gute Oberflächenrauheit zu erlangen. Ferner wird eine für Biegung geeignete Struktur eingebracht. Zur Reduzierung der maximalen Spannung σ′max und zur Homogenisierung der Spannungsverteilung wird das Modell an die Ergebnisse der Topologieoptimierung angepasst. Dabei soll die asymmetrische Form zur Homogenisierung der Spannungsverteilung bei simultaner Reduktion des Gesamtgewichts dienen, siehe Abb. 7. Zur Sicherstellung der Herstellbarkeit des Modells muss ferner eine ganzheitliche Bewertung anhand der Gestaltungsrichtlinien durchgeführt werden.

Abb. 6  Wirkraum zur Neugestaltung einer Fahrradtretkurbel

Abb. 7  Spannungsverteilung in der optimierten Fahrradtretkurbel

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt?

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3.2  Topologieoptimierung eines Radträgers 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. Klassische Lösungen bestehen in gefrästen oder mit verlorener Form gegossenen Bauteilen, siehe Abb. 8. Vor dem Hintergrund kleiner Stückzahl (1,2 >400 >200 ≤1

>20

20–17,5

17,5–15

15–0,1

≤0,1

sondern nur experimentell erprobt werden. Ein entsprechender Dämpfungsfaktor ist in den Datenblättern der Materialien von EOS noch nicht enthalten. Des Weiteren ist die Materialdämpfung bei Metallen so gering, sodass diese Art der Schwingungsdämpfung nicht effektiv ist [29]. Dementsprechend kann auch durch eine Kombination von metallischen Werkstoffen keine nennenswerte Steigerung der Dämpfung erzielt werden. Aus diesem Grund wird die Dämpfung im weiteren Verlauf des Verfahrens mehr berücksichtigt und auf den Ausblick verwiesen. Anhand der Kennzahlen aus den Datenblättern von EOS, können die Materialeigenschaften der Materialien aus Tab.  5 den Wertigkeiten in Tab.  6 zugeordnet werden. Da nicht alle Kennwerte in den Datenblättern von EOS enthalten sind, wurden die entsprechenden Werte in Datenblättern anderer Hersteller nachgeschlagen. Anschließend können die Materialien mit dem Anforderungsprofil verglichen werden. Aus dem Vergleich zwischen allen Materialien mit dem Anforderungsprofil kann ein Ranking erstellt werden,

Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives …

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welche Materialien die Anforderungen am besten erfüllen. Die drei ­Materialkombinationen mit der höchsten Übereinstimmung werden in den zweiten Block (C1) weitergeleitet. Eine Materialkombination bei der die Übereinstimmung von Anforderungs- und Eigenschaftsprofil kleiner als 20 % ist, wird vom weiteren Bewertungsverfahren ausgeschlossen, um schlechte Lösungen auszuschließen. Im Folgenden wird der Vergleich zwischen Anforderungs- und Eigenschaftsprofil anhand des Schaftfräsers verdeutlicht. Beispielhaft ergeben sich für die Materialeigenschaften MaragingSteel MS1, NickelAlloy IN718 und Titanium Ti64 nach Einordnung in Tab.  6 die in Tab.  7 dargestellten Wertigkeiten. Das Fehlen von Materialkennwerte ist der häufigste Grund, der zum Abbruch des Bewertungsverfahrens führt. Nachdem die Eigenschaftsprofile für alle Materialien definiert sind, erfolgt ein Abgleich zwischen dem Anforderungsprofil und allen Eigenschaftsprofilen. In Tab. 8 ist jeweils ein Abgleich zwischen dem Anforderungsprofil vom Bauteilkern bzw. vom Randbereich des Tab. 7  Eigenschaftsprofile für eine Auswahl an Materialien von EOS

Materialeigenschaften Dichte Duktilität/Zähigkeit Festigkeit Härte Thermische Ausdehnung Thermische Leitfähigkeit Steifigkeit

NickelAlloy MaragingSteel MS1 IN718 Kennwert: K; Wertigkeit: W K W 1 8,15 g/cm3 8,0 g/cm3 0,9 1 0,65 1200 MPa 4 1060 MPa 345 HV10 4 290 HV10 4 12,5 μK−1 10,3 μK−1 15 W/mK 3 17,6 W/mK 150 GPa 3 160 GPa

Titanium Ti64 W 1 5 4 3 3 2 3

4,41 g/cm3 0,9 1075 MPa 320 HV10 9 μK−1 17 W/mK 106 GPa

W 3 1 4 3 4 3 2

Tab. 8  Ergebnis des Abgleichs zwischen dem Anforderungsprofil mit den Eigenschaftsprofilen MaragingSteel MS1, NickelAlloy IN718 und Titanium Ti64 MaragingSteel MS1 Kern Rand Materialeigenschaften Wertigkeit Dichte 0 0 Duktilität/Zähigkeit 0 − Festigkeit 3 3 Härte 3 − Thermische Ausdehnung 3 4 Thermische Leitfähigkeit 1 1 Steifigkeit 0 − Summe 7 11 Max. möglich Punkte 14 18 Prozentuale Übereinstimmung/Wertigkeit 50 % 61,1 %

NickelAlloy IN718 Kern Rand

Titanium Ti64 Kern Rand

0 5 3 − 3 1 − 12 14 85,7 %

2 0 3 − 3 1 0 9 14 64,3 %

0 – 3 3 0 1 0 7 18 38,8 %

2 − 3 3 4 1 0 13 18 72,2 %

122

T. Ehlers et al.

Fräsers, mit den Eigenschaftsprofilen für MaragingSteel MS1, NickelAlloy IN718 und Titanium Ti64 dargestellt. Für die weiteren Materialien aus Tab. 5 wurde das Bewertungsverfahren ebenfalls durchlaufen, allerdings der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dokumentiert. Die höchste prozentuale Übereinstimmung für den Bauteilkern wurde für das Material NickelAlloy IN718 mit 85,7 % und für den Randbereich für das Material Titanium Ti64 mit 72,2 % ermittelt. Dementsprechend wird für den Bauteilkern das Material NickelAlloy IN718 und für den Randbereich Titanium Ti64 ausgewählt. Für die globale Bewertung des Schaftfräsers wird ein Mittelwert über die lokalen Bereiche gebildet. Die höchste Wertigkeit ergibt sich für die Materialkombination NickelAlloy IN718 (Bauteilkern) und Titanium Ti64 (Randbereich) zu (85,7 % + 72,2 %)/2 = 79,0 %.

3.3  Verträglichkeit der Materialkombination Im zweiten Block (C1) wird die Eignung von verschiedenen Materialkombination zwischen dem Bauteilkern und dem Randbereich festgestellt. Dazu werden die in Tab. 9 definierten Skalen verwendet, um aufzuzeigen welche Abweichungen die einzelnen Eigenschaftskennwerte zwischen den Materialien aufweisen dürfen (C2). In Tab. 10 wird exemplarisch für die drei Materialien aus Tab. 8 die Toleranzberechnung durchgeführt und Wertungen für die Toleranzen berechnet. Anhand der Wertigkeit aus Tab. 10 können Rückschlüsse gezogen werden, wie gut sich die entsprechenden Materialien miteinander verbinden lassen. Je kleiner die Wertigkeit ausfällt desto schlechter lässt sich die Materialkombination herstellen. Trotzdem ist es das Ziel, eine Materialkombination auszuwählen, bei denen sich die Materialeigenschaften entsprechend der lokalen Anforderungsprofile signifikant voneinander unterscheiden. Dementsprechend liegt ein Zielkonflikt vor. Je größer dieser Zielkonflikt ist, desto größer wird der gradierte Übergangsbereich ausgelegt. Als Bereich für die prozentuale Übereinstimmung wird 30–90 % festgelegt. Die untere Schranke wird durch eine minimal nötige Übereinstimmung der Materialkombinationen für die Herstellbarkeit begrenzt. Der obere Grenzwert wird auf Tab. 9  Toleranzbereiche zwischen Materialkombinationen aus unterschiedlichen Materialien Materialeigenschaft Dichte in g/cm3 Duktilität/Zähigkeit in % Festigkeit (Zugfestigkeit) in MPa Härte in % Therm. Ausdehnung in 1/(μK) Therm. Leitfähigkeit in % Steifigkeit (Elastizitätsmodul) in %

Wertigkeit 0 >2 >30 >250 >35 >3,5 >15 >30

1 1,5–2 30–20 200–250 27,5–35 3–3,5 12,5–15 25–30

2 0,5–1,5 20–10 50–200 7,5–27,5 0,5–3 2,5–12,5 5–25

3 0–0,5 0–10 0–50 0–7,5 0–0,5 0–2,5 0–5

Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives …

123

Tab. 10  Toleranzberechnung zwischen NickelAlloy IN718 und MaragingSteel MS1 bzw. Titanium Ti64 Wertigkeit

Eigenschaftskennwert Dichte Duktilität/Zähigkeit Festigkeit (Zugfestigkeit) Härte Therm. Ausdehnung Therm. Leitfähigkeit Steifigkeit (E-Modul) Summe Max. möglich Punkte Prozentuale Übereinstimmung/ Wertigkeit

NickelAlloy IN718/ MaragingSteel MS1 3 1 2 2 2 1 2 13 21 61,9 %

NickelAlloy IN718/Titanium Ti64 0 1 3 2 1 2 0 8

MaragingSteel MS1/ Titanium Ti64 0 3 2 2 2 1 0 10

38,1 %

47,6 %

90 % festgelegt, da ab diesem Wert keine signifikanten Eigenschaftsänderungen mehr realisiert werden können. Ziel sollte es sein eine Materialkombination auszuwählen, bei der das Ergebnis der Toleranzberechnung möglichst hoch ausfällt und im besten Fall ca. 90 % beträgt, um eine gute Herstellbarkeit zu gewährleisten. Die Beste Übereinstimmung (Wertigkeit) wird für die Materialkombination NickelAlloy IN718/MaragingSteel MS1 mit 61,9 % erzielt.

3.4  Evaluation Der letzte Schritt des Bewertungsverfahrens ist die Evaluation (D). Die maximal erreichbare Wertigkeit wird über den Mittelwert aus den ersten zwei Blöcken für eine Materialkombination gebildet. Die höchste Übereinstimmung im ersten Block (Anforderungs-/ Eigenschaftsabgleich) wurde für die Materialkombination NickelAlloy IN718/Titanium Ti64 bestimmt. Im zweiten Block (Toleranzberechnung) wies die Materialkombination NickelAlloy IN718/MaragingSteel MS1 die höchste Wertigkeit auf. In Tab. 11 ist das Ergebnis für das gesamte Bewertungsverfahren dargestellt, welches die Teilergebnisse aus den ersten zwei Blöcken miteinschließt. Nach dem Durchlauf des Bewertungsverfahren konnte die Materialkombination NickelAlloy IN718/MaragingSteel MS1 mit einer Wertigkeit 67,6 % als Materiallösung ausgewählt werden. Aus Abb. 4 (D) folgt, dass die Gradierung möglich und sinnvoll ist. Im zweiten Block (C1) konnte in der Toleranzberechnung eine Wertigkeit von 61,9 % ermittelt werden. Dieser Wert gibt Auskunft über die Größe des gradierten Übergangsbereichs, der möglichst groß ausgelegt werden sollte.

T. Ehlers et al.

124 Tab. 11  Zusammenfassung Materialauswahl

Eigenschaftskennwert Kern: Material Kern: Übereinstimmung Rand: Material Rand: Übereinstimmung Übereinstimmung (B) Toleranzberechnung C1 Mitellwert/Wertigkeit

Wertung NickelAlloy IN718/ MaragingSteel MS1 NickelAlloy IN718 85,7 %

NickelAlloy IN718/ Titanium Ti64 NickelAlloy IN718 85,7 %

MaragingSteel MS1/ Titanium Ti64 Titanium Ti64 64,3 %

MaragingSteel MS1 61,1 %

Titanium Ti64 72,2 %

MaragingSteel MS1 61,1 %

73,4 % 61,9 %

79,0 % 38,1 %

62,7 % 47,6 %

67,6 %

58,6 %

55,2 %

4  Zusammenfassung und Ausblick Anhand des im Zuge dieser Arbeit entwickelten Bewertungsverfahrens konnten qualitative Aussagen bezüglich einer potenziellen Gradierung für einen Schaftfräser getroffen werden. Es wurden für den Bauteilkern und den Randbereich unterschiedliche Anforderungsprofile definiert, anhand derer ein Abgleich mit Eigenschaftsprofilen durchgeführt wurde, um eine Materialkombination zu bestimmen. Ausgehend von der Festlegung einer Materialmischung als Gradierungsstrategie konnte für den Schaftfräser aus einem Pool von 17 Materialien die Materialkombination NickelAlloy IN718/MaragingSteel MS1 für die Gradierung ausgewählt werden. Das Potenzial dieser Materialkombination wurde auf 67,6 % bestimmt. NickelAlloy IN718 wurde dem Bauteilkern und MaragingSteel MS1 dem Randbereich zugewiesen. Berücksichtigt wurde zum einen wie gut die Materialkombination die Anforderungen aus den Anforderungsprofielen erfüllt. Zum anderen wurde untersucht, wie gut verschiedene Materialien miteinander kombinierbar sind. In dieser Arbeit wurde die Anforderung einer hohen Dämpfung vernachlässigt, da durch eine Variation der Materialzusammensetzung dieser Effekt nur in geringem Maße umgesetzt werden kann. In [27] wird beschrieben, dass eine hohe Energieabsorption durch Partikeldämpfung mit Hilfe von Pulvereinlagerung realisiert werden kann. Die Pulvereinlagerung könnte dem Bauteilkern zugewiesen werden. In Abb.  6 ist ein schematischer Aufbau für den Schaftfräser dargestellt, den es in weiteren Arbeiten zu untersuchen gilt. Eine zusätzliche und gleichermaßen in die Gesamtbetrachtung eingehende Analyse und Auswertung der Materialkompatibilität auf mikrostruktureller Ebene könnte das endgültige Ergebnis aufwerten. Das entwickelte Modell ist in seiner Funktionalität nur in eine vordefinierte Richtung zu verwenden. Durch das Erstellen möglicher Rückschritte kann eine zielorientiertere Materialauswahl stattfinden, da im Bewertungsablauf Kriterien wie Bauteil- oder Baugruppengröße angepasst und geändert werden können. Schließlich wäre der Bewertungsablauf durch mehrere Iterationsschritte in den Phasen in

Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives …

125

Abb. 6  Prinzipieller Aufbau der Gradierung vom Schaftfräser mit Partikeldämpfung

der Lage die Qualität der Bewertungsergebnisse zu erhöhen. Schließlich gilt es in weiteren ­Forschungsarbeiten ein Simulationsmodell für den Schaftfräser aufzubauen und die gradierten Materialien zu simulieren. Dabei soll die optimale Materialverteilung bestimmt werden. Letztlich sollten die Annahmen, die in diesem Bewertungsverfahren getroffen wurden experimentell validiert werden.

Literatur 1. Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J.; Grote, K.-H. (2007): Pahl/Beitz Konstruktionslehre: Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung. Methoden und Anwendung; Springer Verlag; ISBN: 978-3-540-34061-4 2. Askeland, D. R. (1996): Materialwissenschaften – Grundlagen – Übungen – Lösungen, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN: 3860253573 3. Gräfen, H. (1991): VDI-Lexikon Werkstofftechnik, VDI-Verlag, Düsseldorf, ISBN: 9783184008932 4. Gobrecht, J. (2009): Werkstofftechnik  – Metalle, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München; 3. Auflage, ISBN: 978-3-486-58977-1 5. Sommer, K.; Heinz, R.; Schöfer, J. (2014): Verschleiß metallischer Werkstoffe – Erscheinungsformen sicher beurteilen, Springer Verlag, Wiesbaden, 2. Auflage, ISBN 978-3-8348-2463-9 6. Ilschner, B.; Singer, R. F. (2010): Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik – Eigenschaften, Vorgänge, Technologien, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 5. Auflage, ISBN 978-3-642-­ 01733-9 7. Hornbogen, E.; Warlimont, H. (2016): Metalle: Struktur und Eigenschaften der Metalle und Legierungen, 6te Auflage, Springer Verlag, ISBN: 978-3-662-47951-3 8. König, W. (2007): Fertigungsverfahren 3: Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4te Auflage, Springer Verlag, ISBN: 978-3-540-23492-0 9. Siqueira, R.; Lachmayer, R.; Mozgova, I. (2017): Development of a Topology Optimization Method for Tailored Forming Multi-Material Design, COBEM 2017, DOI: https://doi.org/10.26678/ ABCM.COBEM2017.COB17-0079 10. Yin, S.; Yan, X.; Chen, C.; Jenkins, R.; Liu, M.; Lupoi, R. (2018): Hybrid additive manufacturing of Al-Ti6Al4V functionally graded materials with selective laser melting and cold spraying, In: Journal of Materials Processing Tech. 255, S. 650–655

126

T. Ehlers et al.

11. Mahamood, R. M.; Akinlabi, E. T. (2017): Types of Functionally Graded Materials and Their Areas of Application, In: Functionally Graded Materials, Springer-Verlag, ISBN: 978-3-319-­ 53755-9 12. Nami, M. R.; Eskandari, H. (2012): Three-dimensional investigations of stress intensity factors in a thermo-mechanically loaded cracked FGM hollow cylinder, In: International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 89, S. 222–229, ISSN: 0308-0161 13. Burlayenko, V. N.; Altenbach, H.; Sadowski, T. Dimitrova, S. D. Bhaskar, A. (2017): Modelling functionally graded materials in heat transfer and thermal stress analysis by means of graded finite elements, In: Applied Mathematical Modelling, Vol. 45, S. 422–438 ISSN: 0307-904X 14. Niino, M.; Kumakawa, A.; Watanabe, R.; DOI, Y. (1984): Fabrication of a high pressure thrust chamber by the CIP forming method, 20th Joint Propulsion Conference, AIAA Paper No. 84–1227. DOI: https://doi.org/10.2514/6.1984-1227 15. Miyamoto, Y.; Kaysser, W. A.; Rabin, B. H.; Kawasaki, A.; Ford, R. G. (1999): Functionally Graded Materials: Design, Processing and Applications, Springer Science+ Business Media New York, ISBN: 978-0-412-60760-8 16. Birman, V.; Byrd, L.  W. (2007): Modeling and analysis of functionally graded materials and structures, In: ASME Applied Mechanics Reviews, Vol. 60, S. 195–216 DOI: https://doi. org/10.1115/1.2777164 17. Ichikawa, K. (2001): Functionally Graded Materials in the 21st Century: A Workshop on Trends and Forecasts, Springer Science+Business Media New York, ISBN: 978-0-7923-7236-3 18. Lachmayer, R.; Lippert, R. B. (Hrsg.) (2017): Additive Manufacturing Quantifiziert – Visionäre Anwendungen und Stand der Technik, Springer Vieweg Verlag, Berlin Heidelberg, ISBN: 978-­ 3-­662-54112-8 19. R. B. Lippert, R. Lachmayer (2016): Bionic inspired Infill Structures for a Light-Weight Design by using SLM, Proceedings of the 14th International Design Conference (DESIGN), S. 331–340, Dubrovnik, Croatia, 16.–19., ISSN 1847-9073 20. Lachmayer, R.; Gottwald, R.; Lippert R. B. (2015): Approach for a comparatively evaluation of the sustainability for additive manufactured aluminum components, Proceedings of the 20th International Conference on Engineering Design (ICED), Vol 4: Design for X, S. 215-224, ISBN: 978-1-904670-67-4 21. Weisheit, A.; Fuchs, E.; Bakowski, M.; Freyer, C. (2006): Multifunktionale Gradientenwerkstoffe für den Werkzeugbau, Abschlussbericht, BMBF-Vorhaben, FK: 03N5045 22. Gu, D.D.; Meiners, W.; Wissenbach, K.; Poprawe, R. (2012): Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms, International Materials Reviews, Vol. 57, S. 133–164, DOI: https://doi.org/10.1179/1743280411Y.0000000014 23. Huseynov, R. (2015): Entwicklung von Werkzeugschäften für einen Betrieb im überkritischen Drehzahlbereich, Technische Universität Bergakademie Freiberg, Dissertation, Shaker Verlag Aachen 24. Baur, M. (2013): Aktives Dämpfungssystem zur Ratterunterdrückung an spanenden Werkzeugmaschinen – Entwurf und experimentelle Validierung, Technische Universität München, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften, Dissertation, Herbert Utz Verlag, ISBN-10: 383164408X 25. Krell, M. (2003): Auslegung und Einsatz einer dämpfend wirkenden Werkzeugaufnahme für lang auskragende Werkzeuge; Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Dissertation, Berichte aus der Produktionstechnik, Shaker Verlag, ISBN-13: 978-3832225674 26. Schröer, N. (2018): Spannnutschleifen von Hartmetall-Schaftwerkzeugen mit gradierten Schleifscheiben, Technische Universität Berlin, Dissertation, Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin, Fraunhofer Verlag, ISBN: 978-3-8396-1310-8

Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives …

127

27. Künneke, T.; Zimmer, D. (2017): Funktionsintegration additiv gefertigter Dämpfungsstrukturen bei Biegeschwingungen, In: Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen S. 61–75, Springer Verlag, ISBN: 978-3-658-17779-9 28. Hornbogen, E.; Eggeler, G.; Werner, E. (2017): Werkstoffe  – Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen, Springer Verlag, 11. Auflage, ISBN: 978-­ 3-­642-53867-4 29. Zeller, P. (2012): Handbuch Fahrzeugakustik: Grundlagen, Auslegung, Berechnung, Versuch, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2. Auflage, ISBN: 978-3-8348-1443-2

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter Mechanismen Martin Hallmann, Benjamin Schleich und Sandro Wartzack

Inhaltsverzeichnis 1  2  3  4 

Motivation   tand der Technik und Forschung zur additiven Fertigung beweglicher Baugruppen  S Ableitung von Gestaltungsrichtlinien für additiv gefertigte Drehgelenke  Übertragung der Gestaltungsrichtlinien auf eine additiv gefertigte, montagefreie Kurbelschwinge  5  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

 130  131  133  139  141  142

Zusammenfassung

Additive Fertigungsverfahren haben sich aufgrund ihrer losgrößenunabhängigen Fertigungskosten und der großen Gestaltungsfreiheit sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Anwendung erfolgreich etabliert. So werden die verschiedenen additiven Verfahren nicht mehr nur für die Herstellung von Prototypen, sondern vermehrt zur Fertigung komplexer, endkonturnaher Bauteile und gesamter Baugruppen angewendet. Dabei konnten in den letzten Jahren zahlreiche Richtlinien für die Gestaltung der schichtweise aufgebauten Bauteile hergeleitet werden. Eine umfassende Betrachtung additiv gefertigter Gelenke fehlt jedoch bisher. Um den Produktentwickler bzw. Kon­ strukteur bei der Gestaltung von mittels Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellten Drehgelenken zu unterstützen, werden im nachfolgenden Beitrag relevante Aspekte,

M. Hallmann (*) · B. Schleich · S. Wartzack Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Konstruktionstechnik KTmfk, Erlangen, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2018, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59058-4_8

129

130

M. Hallmann et al.

wie z. B erforderliche Mindestspalte zur Trennung von nicht- und einfach-gekrümmten Elementen, aufgezeigt. Versuchsergebnisse dienen dabei als Basis für die Ableitung von Richtlinien für das Design FDM-gedruckter Gelenke und ergänzen dadurch die Grundsätze des Design for Additive Manufacturing. Die Umsetzung der erarbeiteten Gestaltungsrichtlinien wird anschließend exemplarisch an einem ebenen Mechanismus dargelegt. Schlüsselwörter

Design for Additive Manufacturing · Montagefreie, additiv gefertigte Mechanismen · Gestaltungsrichtlinien · Fused Deposition Modeling · Gelenke

1  Motivation Seit den ersten industriellen Anwendungen additiver Fertigungsverfahren (AM) zur Fertigung endkonturnaher Prototypen, konnte sich die Gruppe der additiven Verfahren in den letzten Jahrzehnten als Ergänzung der traditionellen Fertigungsverfahren für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche empfehlen [1]. So werden die verschiedenen Verfahren, welche zu Beginn unter dem Begriff Rapid Prototyping bekannt wurden, zunehmend auch zum Direct Manufacturing, der Fertigung direkt einsatzfähiger Bauteile, genutzt [1, 2]. Das stetig zunehmende Interesse und die Akzeptanz der neuen Fertigungsverfahren spiegelt sich hierbei unter anderem in den steigenden Investitionen in AM, der Vielfältigkeit der Anwendungsgebiete sowie der steigenden Patentanmeldungen wider [1]. Dabei führen u.  a. die große Gestaltungsfreiheit zur Realisierung komplexer Geometrien, die Möglichkeit zur Individualisierung, zur Hybridisierung und zur Erzeugung montagefreier Baugruppen sowie die losgrößenunabhängigen Fertigungskosten dazu, dass diese im Bereich der Ersatzteilfertigung aber auch in der Serienfertigung erfolgreich zum Einsatz kommen [1, 3, 4, 5]. Das zugrundeliegende Fertigungsprinzip additiver Verfahren, d. h. der schichtweise Aufbau der Bauteile entlang der Bauteilhöhe z, hat zur Folge, dass bei der Konstruktion und Auslegung additiv gefertigter Bauteile verschiedene, fertigungsspezifische Gestaltungsrichtlinien zu berücksichtigen sind, welche unter dem Begriff Design for Additive Manufacturing (DfAM) zusammengefasst werden [6, 7]. Bei der Gestaltung von im Gesamten, additiv gefertigten Baugruppen mit beweglichen Elementen, wie z. B. ebenen Mechanismen mit Drehgelenken, sind zusätzliche Fertigungsgerechtheiten, wie etwa die Einhaltung geeigneter Trennspalte, zu berücksichtigen, um die Funktionsfähigkeit und Bewegungsgenauigkeit zu gewährleisten [8]. Eine ganzheitliche Betrachtung montagefreier Gelenke aus dem Fused Deposition Modeling (FDM) hinsichtlich Fertigbarkeit und Funktionsgewährleistung blieb bisher jedoch aus. Um den Produktentwickler bzw. Konstrukteur bei der Gestaltung von FDM-gedruckten Mechanismen mit Drehgelenken

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter …

131

zu unterstützen, zeigt nachfolgender Beitrag wichtige Aspekte bei der Konstruktion FDM-­gedruckter Mechanismen auf und leitet hierfür geeignete Gestaltungsrichtlinien ab. Hierzu wird in Abschn. 2 zunächst der aktuelle Stand der Technik und Forschung dargestellt, ehe Abschn. 3 gezielt auf relevante Aspekte bei der Gestaltung additiv gefertigter, montagefreier Drehgelenke eingeht. Hierzu werden die erforderlichen Mindestspalte zur Trennung der Gelenkglieder experimentell ermittelt und die Einflüsse von Bauteilorientierung und Nahtbildung untersucht. Diese Erkenntnisse werden in Abschn. 4 exemplarisch auf ein montagefrei gefertigtes Viergelenk übertragen. Abschließend fasst Abschn. 5 diesen Beitrag zusammen und zeigt weitere Forschungsfragen zur additiven Fertigung montagefreier Baugruppen auf.

2  S  tand der Technik und Forschung zur additiven Fertigung beweglicher Baugruppen Bei der Konstruktion technischer Systeme muss sich der Produktentwickler einer Vielzahl an Herausforderungen stellen, um die vielfältigen Produktanforderungen in seinem technischen Produkt zu vereinen. Um diese Aspekte gleichermaßen zu berücksichtigen, sind geeignete Gestaltungsrichtlinien erforderlich, die in ihrer Gesamtheit unter dem Begriff Design  for  X  (DfX) zusammengefasst werden können. Dabei steht der Buchstabe X als Platzhalter für die unterschiedlichen Produkteigenschaften oder Produktlebensphasen. Das für die Fertigung vorgesehene Verfahren hat dabei wesentlichen Einfluss auf die Gestalt des Produkts, da zur Sicherstellung der Herstellbarkeit stets fertigungsspezifische Gestaltungsrichtlinien berücksichtigt werden müssen. Diese werden unter dem Begriff Design for Manufacturing zusammengefasst. [9] Während für die traditionellen Fertigungsverfahren eine Vielzahl an Gestaltungsrichtlinien aus Forschung und Industrie bekannt sind, sind für den erfolgreichen Einsatz junger Technologien, wie der additiven Fertigung, neue Gestaltungsrichtlinien essentiell [7]. Hierzu leisten seit einigen Jahren zahlreiche Autorinnen und Autoren aus Forschung und Industrie einen wichtigen Beitrag zum Design for Additive Manufacturing (DfAM), indem sie an zumeist speziell für AM entwickelten Prüfkörpern unterschiedliche Zielgrößen untersuchen. Allen additiven Fertigungsverfahren ist der schichtweise Aufbau der Bauteile gemein, sodass eine Vielzahl der Gestaltungsrichtlinien verfahrensübergreifend gültig ist. Da jedoch die einzelnen Fertigungsverfahren unterschiedlichen Wirkprinzipien unterliegen, sind verfahrensspezifische Richtlinien erforderlich, welche oftmals in Abhängigkeit der jeweils eingesetzten Maschine ermittelt werden müssen. Dabei sind diese jedoch zumeist auf einzelne Bauteile beschränkt und nicht ohne weiteres auf Baugruppen übertragbar. [3, 6, 7, 10] Die Gestaltung beweglicher Baugruppen wird im Wesentlichen davon bestimmt, ob diese im Gesamten als Baugruppe oder die einzelnen Bauteile getrennt gefertigt werden und somit einen zusätzlichen Montageschritt erfordern (siehe Abb. 1).

132

M. Hallmann et al.

Additiv gefertigte Mechanismen montagefrei mit lösbarer Stützstruktur

ohne Stützstruktur

nachträglich montiert

Abb. 1  Additive Fertigung beweglicher Baugruppen

Hierbei bestimmt die Wahl des eingesetzten Fertigungsverfahren sowie die Gestalt der zu realisierenden Gelenkverbindungen über die Notwendigkeit des Einsatzes von Stützstrukturen zur Realisierung von Überhängen und Hinterschnitten. Während z.  B. der ­Einsatz von Selektivem Lasersintern (SLS) prozessbedingt keine Stützstruktur erfordert, muss beim FDM das Stützmaterial, welches hier die Funktion der Trennung der einzelnen beweglichen Bauteile übernimmt, nachträglich entfernt werden  [7]. Da jedoch die Zugänglichkeit der Gelenke zumeist eingeschränkt ist, werden für die Stützstrukturen i. d. R. wasserlösliche Kunststoffe eingesetzt, welche in einem nachträglichen Auswaschprozess entfernt werden (siehe Abb. 1) [8]. Als Verbindungselemente der einzelnen beweglichen Glieder kommen je nach Führungsaufgabe unterschiedliche Gelenkarten zum Einsatz. So stehen u.  a. Dreh-  [8, 11–20], Kugel- [11, 12, 17, 19, 21] oder Kreuzgelenke [11–15, 18] im Fokus diverser Forschungsaktivitäten. Dabei zeigt sich, dass die Orientierung sowie das Design des Gelenks wesentlichen Einfluss auf den erforderlichen Nennspalt und die Genauigkeit additiver Gelenke hat [13, 14, 16]. Hierzu kommen gängige Fertigungsverfahren wie Selektives Lasersintern [11, 12], Stereolithographie [16], Selektives Laserschmelzen [15], PolyJet-Verfahren (PJ) [13, 14, 19, 21] und FDM [16, 19, 22] zum Einsatz, weshalb neben Kunststoffen [13, 20, 22] auch metallische Legierungen [15, 18] Anwendung finden. Neben der Untersuchung von Prozessparametern, wie z. B. der Tesselierungsgrad des 3D-Modells im STL-Format (=Standard Tesselation Language) [19] werden auch alternative Gelenkdesigns wie z. B. ballige [14, 15] oder wellige Profilierungen der Führungsflächen betrachtet [8]. Während in einigen Arbeiten die Fertigung bewegter Systeme als Anschauungsmodelle [17, 22] im Fokus stehen, kommen montagefreie Gelenke aufgrund der stetigen Verbesserungen der Technologien auch in technischen Systemen, wie z. B in Robotikanwendungen, zur Anwendung  [11, 12]. Wenngleich die geometrische Genauigkeit von FDM im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren geringer ist [7], führen die vergleichsmäßig deutlich geringeren Anlagenkosten sowie die Möglichkeit der Verarbeitung unterschiedlicher Materialien dazu, dass FDM eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren nicht nur im Privatbereich, sondern auch in der Industrie v. a. für den Prototypenbau darstellt [1]. Allerdings mangelt es bisher an allgemeingültigen und übertragbaren Richtlinien für die Gestaltung additiv gefertigter technischer Gelenke. Im Nachfolgenden steht hierbei besonders die Ermittlung von Gestaltungsrichtlinien für additiv gefertigte Drehgelenke mittels FDM im Fokus.

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter …

133

3  A  bleitung von Gestaltungsrichtlinien für additiv gefertigte Drehgelenke Bei der Gestaltung von beweglichen Baugruppen mit Gelenken muss zu Beginn festgelegt werden, ob diese im Gesamten gefertigt oder nachträglich assembliert werden (siehe Abb. 1). Für Letztere gelten hierbei die Gestaltungsrichtlinien, die aus Untersuchungen an Standardgeometrieelementen auf Einzelteilbasis bekannt sind. Hierbei ist besonders auf Schwund und geometrische Abweichungen der Führungsflächen zu achten, damit die Funktionserfüllung der Gelenke gewährleistet werden kann. Montagefreie Gelenke mit löslichem Stützmaterial aus dem FDM-Prozess hingegen erfordern weiterführende Gestaltungsrichtlinien: Damit die Bauteile voneinander getrennt werden können, sind die Abstände der einzelnen Bauteile geeignet festzulegen. Die Ausführung der Gelenke, das gewählte Fertigungsverfahren und die Anlage mit ihrem Anlagenkonzept haben dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung und die resultierende geometrische Genauigkeit der Gelenke. Ist der Trennspalt zu klein, so können die zueinander beweglichen Funktionsflächen nicht voneinander getrennt werden und das Gelenk ist nicht funktionsfähig. Hierbei wird in Abhängigkeit davon, ob das Gelenk nach Verdrehen seine Position durch Selbsthemmung halten kann oder nicht, zwischen selbstarretierenden Gelenken mit interner Reibung und frei beweglichen Gelenken unterschieden [17] (siehe Abb. 2). Um im Folgenden die zur Bauteiltrennung erforderlichen Abstände zu ermitteln, wird wie in Abb.  3 dargestellt vorgegangen. Zunächst werden in Abschn.  3.1 die relevanten Geometrieelemente identifiziert. Hierbei stehen im Rahmen dieses Beitrags frei bewegliche Gelenke im Vordergrund. In Abschn. 3.2 erfolgt anschließend die Festlegung von Prozessparametern, die im Rahmen der Versuchsstudien untersucht werden. In Abhängigkeit der gewählten Versuchsparameter werden in Abschn.  3.3 die Mindestspalte für die in

PJ

Kugelgelenk nk

…

Fertigungs verfahren

SLS

Gelenkart lenkart

…

FDM

…

Fertigungs anlage

Drehgelenk nk Trennspalt s s selbstarretierende Gelenke

keine Bauteiltrennung 0

smin , 1

frei bewegliche Gelenke smin , 2

Abb. 2  Unterscheidung in selbstarretierende und frei bewegliche Gelenke in Abhängigkeit der Größe des Trennspalts zusammen mit dessen relevanten Einflussgrößen

134

M. Hallmann et al. 3.1

3.4

Identifikation der Funktionsflächen

Transfer der Ergebnisse

3.2

3.3

Festlegung der relevanten Einflussgrößen Geometrieabhängige Ermittlung der Mindestspalte

Abb. 3  Vorgehensweise zur Ermittlung relevanter Gestaltungsrichtlinien für montagefreie Drehgelenke aus dem FDM-Druck

­Abschn. 3.1 definierten Funktionsflächen ermittelt. Durch die Übertragung der Ergebnisse in Abschn.  3.4 wird sichergestellt, dass die an Prüfkörpern ermittelten Werte auch für montagefreie Gelenke, in denen alle Funktionsflächen gleichzeitig berücksichtigt werden, gültig sind.

3.1

Identifikation relevanter Geometrieelemente

Im ersten Schritt muss das betrachtete Gelenk in seine für die Funktion relevanten Geometrieelemente (siehe Abb. 4) zerlegt werden. Ein Drehgelenk schränkt alle translatorischen und zwei der drei rotatorischen Freiheitsgrade ein, sodass lediglich eine Rotation um eine Achse möglich ist  [23]. Die Buchse und der Zapfen werden i.  d.  R als zylindrische, einfach-­gekrümmte Geometrieelemente ausgeführt, welche durch den radialen Nennspalt zueinander verdrehbar sind. Für eine Sperrung der Translation des Gelenks in Achsrichtung sorgen die nicht-gekrümmten, planaren Funktionsflächen für die unteren und oberen Berührflächen des Gelenkglieds. Zwischen diesen Geometriepaarungen muss ein ausreichend großer Spalt vorgesehen werden, um die Bauteiltrennung und die Beweglichkeit dieser Elemente sicherzustellen.

3.2

Identifikation relevanter Einflussgrößen

Additive Fertigungsverfahren unterliegen stets einer Vielzahl an Fertigungseinflüssen. In diesem Zusammenhang ist bekannt, dass das Fertigungsverfahren und die anlagenspezifischen Maschinenparameter wesentlichen Einfluss auf die Bauteiltrennung haben (siehe Abb. 2). Daher soll im Folgenden untersucht werden, welcher Mindestspalt zur Trennung der Bauteile erforderlich ist, und ob und in welchem Ausmaß die Form der Naht sowie die Orientierung des Bauteils im Fertigungsprozess einen Einfluss auf diesen haben (siehe Abb. 5). Im Allgemeinen ist bekannt, dass die Orientierung des Bauteils Einfluss auf die geometrische Genauigkeit hat [8], weshalb im Rahmen dieser Studie Gelenke mit Achse in und senkrecht zur Baurichtung betrachtet werden.

135

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter … Drehgelenk

Funktionsflächen spl

Analyse

scyl

Zapfen Buchse

spl nichtgekrümmt

einfachgekrümmt

Abb. 4  Identifikation relevanter Geometrieelemente zur Ermittlung von Mindestabständen zur Trennung montagefreier Drehgelenke aus dem FDM-Druck Nahtbild

Orienerung

Startpunkt

Stützmaterial

z

z

random

align

in Baurichtung

90 ° gedreht

Abb. 5  Nahtbild und Bauteilorientierung als ausgewählte Einflussgrößen auf die Trennbarkeit additiv gefertigter Baugruppen

Es ist bekannt, dass additiv gefertigte Bauteile sukzessive, Schicht für Schicht, aufgebaut werden. So werden in jeder Schicht zunächst die Bahn(en) für die Außen- und Innenkonturen des Bauteils gelegt, ehe die Schicht entsprechend dem gewählten Füllmuster und- grad ausgefüllt wird. Um die einzelnen Konturzüge zu schließen, werden stets Anfangs- und Endpunkt miteinander verbunden, wodurch es zu einer Anhäufung an Baumaterial kommt. Sind diese Punkte in den einzelnen Layern an gleicher x- und y-Position angeordnet, so ergibt sich eine geradlinige Naht (align). Bei zufälliger Wahl der Positionen von Start- bzw. Endpunkten (random) bildet sich keine strukturierte Naht aus. Typischerweise werden Nähte stets an Kanten oder an Stellen außerhalb des Sichtbereichs gelegt. Im Folgenden soll dabei geprüft werden, ob das Nahtbild einen Einfluss auf die Trennbarkeit der Drehgelenke hat (siehe Abb. 5). Zur Fertigung der Gelenke kommt im Rahmen dieses Beitrags der FDM-Drucker Stratasys F370 zum Einsatz. Dieser ist als Zweidüsenextruder ausgeführt, sodass Bauteile und Stützstrukturen mit unterschiedlichem Material gefertigt werden können. Für alle nachfolgenden Untersuchungen wird dabei exemplarisch ASA als Baumaterial und QSR als wasserlösliches Stützmaterial verwendet. Als Slicer, der Software zur Überführung des 3D-CAD-Modells in den Maschinencode, wird die Software Stratasys Insight eingesetzt. Der Füllgrad wird bei allen Versuchen mit HighDensity und die Schichthöhe auf 0,25 mm festgelegt. Alle weiteren Einstellungen entsprechen den Standardeinstellungen [24].

136

3.3

M. Hallmann et al.

 rmittlung der Mindestspalte zur Trennung nicht- und E einfach-­gekrümmter Elemente

Für die in Abb.  4 ermittelten Geometrieelemente werden im Folgenden geeignete Abstände zur Bauteiltrennung ermittelt. Hierfür werden diese für die jeweilige Funktion relevanten Geometriepaarungen ermittelt. Abb. 6 zeigt den zur Untersuchung genutzten Prüfkörper. Zur Realisierung des Nennspalts zwischen den beiden zylindrischen Flächen wird der Durchmesser der Buchse variiert, während der Durchmesser des Zapfens mit d = 15 mm bei allen Versuchen konstant gehalten wird. Durch Variation der Länge des Zapfenzylinders l und des Lochdurchmesser D werden die Abstände zwischen den nicht- und einfach-­ gekrümmten Geometrieelementen spl bzw. scyl (siehe Abb. 5) untersucht. Als Bewertungsgröße wird die Beweglichkeit der Gelenke hinsichtlich der Kriterien nicht beweglich und beweglich bewertet. Nicht-gekrümmt Da die Naht bei der Ermittlung der Nennspalte der nicht-gekrümmten Elemente keinen Einfluss hat, bleibt dieser Faktor im Folgenden unberücksichtigt. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht durch zu gering gewählte Radialspalte beeinflusst wird, wird der radiale Abstand zwischen Zapfen und Buchse mit scyl = 1,00 mm bei einer Layerhöhe von 0,25 mm als ausreichend groß festgelegt. Der durchgeführte Versuchsplan sowie die Ergebnisse sind in Tab. 1 zusammengefasst. Hierbei zeigt sich, dass in Baurichtung z eine Schicht an Stützmaterial zur Bauteiltrennung ausreichend ist, da bereits ab spl, 0°min = 0,25 mm der Prüfkörper in Buchse und Zapfen zerlegt werden kann. In 90°-Orientierung hingegen können kleine 90°-Überhänge ohne Stützmaterial gefertigt werden (siehe Tab. 1). Daher werden hier die verschiedene Trennspalte als Vielfaches der halben Layerhöhe festgelegt. Ab einem Spalt von spl, 90°min = 0,25 mm können hier die beiden Körper voneinander getrennt werden. (siehe Tab. 1). spl

A

d

D

scyl

A

l

A-A

Abb. 6  Prüfkörper zur Untersuchung der Trennbarkeit nicht- und einfach gekrümmter Geometrieelemente

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter … Tab. 1  Versuchsplan zur Ermittlung des minimalen Trennspalts nicht-gekrümmter Elemente spl, min: ⨯ = nicht trennbar, ✓ = trennbar

Trennspalt spl in mm

Orientierung

Lösbar?

0°

z

90°

137

0,25

0,5

0,75

1

0,125

0,25

0,375

0,5

z

Tab. 2  Versuchsplan zur Ermittlung des minimalen Trennspalts einfach-gekrümmter Elemente scyl, min: ⨯ = nicht trennbar, ✓∗ = nur durch Einbringung eines externen Krafteintrags trennbar, ✓ = trennbar

Orientierung

Nahtbild Buchse

Trennspalt scyl in mm

Zapfen

Lösbar? 0,125

align

0°

0,175

align

0,15

0,175

0,225

0,25

0,20

0,225

0,25

0,225

0,25

-

-

-

-

*

align 180° 0,125

random

0,20 *

align 0,125

z

0,15

0,15

0,175

0,20

random *

90°

z

-

0,25

0,5

0,75

1

Einfach-gekrümmt Bei der Ermittlung des Mindestspalts der nicht-gekrümmten Geometrieelemente wird nun der Einfluss der Naht berücksichtigt. So werden hier für die 0°-Orientierung drei verschiedene Nahtbilder näher betrachtet. Aus Abb. 5 ist die gerichtete und die zufällige Anordnung der Anfangs- und Endpunkte der Konturen über die Baurichtung z bekannt. So werden im Folgenden das Zusammenfallen zweier Nähte (align-align), der Versatz der beiden Bindenähte um 180° (align-align  180°) und die zufällige Anordnung der Anfangs- und Endpunkte von Buchse und Zapfen (random-random) untersucht (siehe Tab. 2 bzw. Abb. 7). Da zwischen Buchse und Zapfen in radialer Richtung bei geringen Spaltmaßen kein Stützmaterial zur Abstützung des Überhangs der Gelenkkappe erforderlich ist (siehe Abb. 5 bzw.

138

M. Hallmann et al. align

random

Abb. 7  Nahtbilder bei unterschiedlichen Einstellungen für Konturanfangs- und Endpunkte im Vergleich

Tab. 2), werden hier wiederum Trennspalte kleiner als eine Layerhöhe g­ etestet. Ein Vergleich der Ergebnisse in Tab. 2 zeigt, dass für alle Nahtbildungsarten dieselben Trennspalte erforderlich sind. Dabei konnte jedoch die Trennung der Bauteile für s∗cyl, 0°= 0,20 mm lediglich durch einen externen Krafteintrag zur Erzeugung eines Losbrechmoments erfolgen. Da dies jedoch für die Fertigung von Mechanismen, welche je nach Art und Gestaltung aus mehreren Drehgelenken bestehen, nicht zielführend ist, ist hier ein Spalt von mindestens scyl, 0° min = 0,225 mm vorzusehen. Bei der Untersuchung der 90°-Orientierung beeinflusst die Nahtart die Ergebnisse nicht und wird daher nicht weiter berücksichtigt. Da hier wie auch bei der 0°-Orientierung der planaren Geometrieelemente mindestens eine Schicht zwischen den beiden Bauteilen erforderlich ist (siehe Abb. 5), wird hier die Schrittweite als Vielfaches der Layerhöhe festgelegt. Hier hat sich gezeigt, dass ein Spalt von scyl, 0° min = 0,5 mm, welcher zwei Layer an Stützmaterial entspricht, erforderlich ist (vgl. Tab. 2).

3.4

Transfer der Ergebnisse

In Abschn. 3.3 sind am Prüfkörper die zur Trennung erforderlichen Abstände für die jeweiligen Geometrieelementepaarungen separat ermittelt worden. Deren Gültigkeit für ein Drehgelenk soll im Folgenden geprüft werden. Da die ebenen und zylindrischen Funktionsflächen hier stets zueinander senkrecht angeordnet sind, ergeben sich zwei, von der Baurichtung abhängige Kombinationen: In Baurichtung z (0°-Orientierung) spl, min  =  0,25  mm, scyl, min = 0,225 mm, in x- bzw. y-Richtung (90°-Orientierung) spl, min = 0,25 mm, scyl, min = 0,50 mm. Hierzu werden die Gelenke in der 0°-Orientierung für die drei verschiedenen Nahtbilder und in 90°-Orientierung gedruckt (vgl. Tab. 2). Da sich nach Entfernen des Stützmaterials alle Gelenke frei drehen lassen, ist die Übertragung der für die ­einzelnen Geometrieelemente getrennt ermittelten Werte auf das montagefreie Drehgelenk als gültig zu bewerten.

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter …

139

4  Ü  bertragung der Gestaltungsrichtlinien auf eine additiv gefertigte, montagefreie Kurbelschwinge Die in Abschn. 3 erarbeiteten Gestaltungsrichtlinien werden im Folgenden auf ein ebenes Viergelenk angewandt. Dabei sind die Abmessung der Gelenkglieder 1–3 so gewählt, dass das Koppelgetriebe gemäß dem Satz von Grashof eine umlauffähige Kurbelschwinge darstellt (siehe Abb. 8) [23]. Der Mechanismus wird dabei im Liegen gedruckt, d. h. die Achsorientierung der Gelenke entspricht der Baurichtung z (siehe Abb.  9). Die Trennspalte nicht- und einfach-­ gekrümmten Elemente für alle Drehgelenke werden auf Basis der Ergebnisse aus Abschn. 3 auf spl = 0,25 mm und scyl = 0,225 mm bei einer Layerhöhe von 0,25 mm festgelegt. Das Viergelenk wird in zweifacher Ausführung mit geradliniger Naht (align-align) und mit zufälliger Verteilung der Anfangs- und Endpunkte (random) gefertigt (siehe Abb. 7). Die in Abb. 8 blau dargestellte Unterbaugruppe ist montagefrei gedruckt und enthält alle Gelenke (G01, G12, G23 & G03) zur Verbindung der drei Gelenkglieder 1–3 (siehe Abb. 9a). Hierbei ist darauf zu achten, dass der Mechanismus in einer Stellung gedruckt wird, in der möglichst wenig Stützmaterial benötigt wird. Während in gängigen Softwaresystemen zur Druckvorbereitung eine automatisierte Positionierung von Einzelbauteilen zur Minimierung des erforderlichen Stützmaterials möglich ist, müssen Baugruppen bereits vorab im CAD-System passend angeordnet werden (vgl. Abb. 9a). Die Kurbel und der Sockel in grauer Farbe sind hier lediglich als Einzelbauteile gedruckt, um den Verbrauch von Stützmaterial möglichst gering zu halten. Anschließend an den Druck des Mechanismus wird das Stützmaterial in einer mit spezieller Reinigungslösung gefüllten Auswaschstation bei einer Temperatur von ca. 70 °C gelöst. Dabei bestimmt neben dem Sättigungsgrad des Wasserbads die Zugänglichkeit des Stützmaterials den benötigten Zeitbedarf. Ist das Stützmaterial vollständig entfernt, sodass alle Funktionsflächen zueinander bewegt werden können und der Mechanismus seine

Abb. 8  Prinzipskizze, CAD-Modell und physischer Demonstrator einer montagefreien, mittels FDM gefertigten Kurbelschwinge

140

M. Hallmann et al.

Abb. 9 (a) Additiv gefertigtes, montagefreies Viergelenk: (a) nach dem Druck mit Stützstruktur, (b) nach Entfernen des Stützmaterials

vorgesehene Bewegungsaufgabe ausführen kann, ist dieser direkt funktionsfähig einsetzbar (siehe Abb. 9b). Die anschließende Funktionsprüfung zeigt, dass bei beiden Mechanismen alle Gelenke an den Funktionsflächen getrennt werden können und sich diese frei drehen lassen. Die radialen Spielanteile, welche aufgrund der vorzusehenden Trennspalte verhältnismäßig groß ausfallen, haben neben geometrischen Abweichungen von der Nenngestalt einen besonders großen Einfluss auf das Bewegungsverhalten des Mechanismus  [25]. Daher ist das Spiel zwischen Buchse und Zapfen im Gelenk möglichst gering zu halten, um eine geforderte Bewegungstreue gewährleisten zu können. Ebenso ist zu großes Spiel zwischen den Auflageflächen zu vermeiden, da andernfalls der Mechanismus durch axiale Verschiebungen der einzelnen Glieder klemmen kann. Die Untersuchungen aus Abschn. 3 haben gezeigt, dass die Naht hinsichtlich der Lösbarkeit der einzelnen Bauteile keinen wesentlichen Einfluss auf den erforderlichen Nennspalt hat. Jedoch wirkt sich die gewählte Naht in den Funktionsflächen auf die Bewegungsgenauigkeit additiv gefertigter Mechanismen

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter …

141

aus. Ein qualitativer Vergleich beider Mechanismen zeigt, dass das Bewegungsverhalten durch die Nahtform wesentlich beeinflusst wird. Treffen die Nähte von Buchse und Zapfen bei einer geradlinigen Nahtform (align) aufeinander, so führt dies zu einem unrunden Lauf und zu kleineren, lokalen Verklemmungen des Mechanismus. Bei einer zufälligen Verteilung der Anfangs- und Endpunkte (random) bildet sich keine kontinuierliche Naht in den Führungsflächen aus. Dadurch können hier gleichmäßigere und ruhigere Bewegungsverläufe erzielt werden. Diese ersten Erkenntnisse sollen in nachfolgenden Arbeiten bestätigt und mit Hilfe optischer Bewegungsanalysen quantifiziert werden.

5  Zusammenfassung und Ausblick Um den Produktentwickler bei der Gestaltung additiv gefertigter Bauteile zu unterstützen, sind geeignete, auf die verschiedenen additiven Fertigungsverfahren abgestimmte Gestaltungsrichtlinien notwendig. Auf Bauteilebene sind dank intensiver Bemühungen der letzten Jahrzehnte aus Forschung und Industrie zahlreiche Gestaltungsrichtlinien bekannt. Im Gegensatz dazu sind diese für die Gestaltung von Baugruppen mit beweglichen Elementen, wie Gelenke oder Scharniere, bisher nur eingeschränkt vorhanden. Um diese Lücke zu schließen, hat dieser Beitrag relevante Punkte aufgezeigt, die bei der Konstruktion von montagefrei gedruckten, bewegten Systemen zu beachten sind. Im Fokus stand hierbei die Gestaltung von mittels Fused Deposition Modeling hergestellten Drehgelenken. Auf Basis experimenteller Versuche konnten Mindestspalte zur Trennung nicht- und einfach-­gekrümmter Elemente ermittelt werden und der Einfluss von Bauteilorientierung und Nahtbildung gezeigt werden. Die an geeigneten Prüfkörpern ermittelten Richtlinien sind anschließend exemplarisch bei der Konstruktion eines ebenen Mechanismus angewendet und geprüft worden. Hier hat sich gezeigt, dass das Nahtbild einen Einfluss auf das Bewegungsverhalten der Gelenke und somit des gesamten Mechanismus hat. So konnte der Beitrag erste Richtlinien für das DfAM von montagefreien Baugruppen ableiten und für deren Gestaltung relevante Punkte aufzeigen. Jedoch muss in nachfolgenden Forschungsarbeiten geprüft werden, inwiefern die ermittelten Ergebnisse auf andere Schichtdicken und weitere FDM-Anlagen übertragen werden können. Zudem sind die Auswirkungen der fertigungstechnischen Spielanteile und Abweichungen auf das Bewegungsverhalten additiv gefertigter Mechanismen zu untersuchen. Durch Betrachtung weiterer Gelenkarten, wie z. B. Kugelgelenke oder auch Zahnradpaarungen, können die bisher ermittelten Gestaltungsrichtlinien erweitert werden, sodass der Produktentwickler auch bei der Gestaltung additiv montagefrei gefertigter, beweglicher Baugruppen ausreichend unterstützt werden kann. Danksagung Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung des Forschungsvorhabens „Statistische Toleranzanalyse additiv gefertigter Gelenkgetriebe unter der Berücksichtigung anlagenspezifischer Fertigungseinflüsse“ (WA 2913/27-1).

142

M. Hallmann et al.

Literatur 1. Wohlers, T. T (Hrsg.): Wohlers Report 2017: 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry: Annual Worldwide Progress Report; Wohlers Associates; USA Fort Collins; 2017; ISBN: 978-0-9913332-3-3. 2. Gebhardt, A.: Additive Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping-­Tooling-Produktion.; Carl Hanser Verlag; Deutschland München; 2016; ISBN: 978-­ 3446444010. 3. Klahn, C.; Meboldt, M. (Hrsg.): Entwicklung und Konstruktion für die Additive Fertigung: Grundlagen und Methoden für den Einsatz in industriellen Endkundenprodukten; Deutschland Würzburg; 2018; Vogel Business Media; ISBN: 978-3-8343-3395-7. 4. Lachmayer, R., Lippert, R.B.: Chancen und Herausforderungen für die Produktentwicklung. In:Lachmayer, R.; Lippert, R.B.; Fahlbusch, T. (Hrsg.): 3D-Druck beleuchtet: Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung; Springer Verlag; Deutschland Hannover, 2016; ISBN: 978-3-662-49056-3. 5. Spallek, J; Krause,D.: Entwicklung individualisierter Produkte durch den Einsatz Additiver Fertigung, In Lachmayer, R. Lippert, R.B. (Hrsg.): Additive Manufacturing Quantifiziert: Visionäre Anwendungen und Stand der Technik; Springer Verlag; Deutschland Hannover; 2017; ISBN: 978-3-662-54112-8. 6. Adam. G.  A. O: Systematische Erarbeitung von Konstruktionsregeln für die additiven Fertigungsverfahren Lasersintern, Laserschmelzen und Fused Deposition Modeling; Shaker Verlag; Deutschland Aachen; 2015; ISBN: 978-3-8440-3474-5. 7. Kumke, M.: Methodisches Konstruieren von additiv gefertigten Bauteilen; Dissertation; AutoUni – Schriftenreihe Bd. 124; Springer Verlag; Deutschland Wiesbaden; 2008; ISBN 978-3-658-­ 22208-6. 8. Wei, X.; Tian, Y.; Joneja, A.: A study on revolute joints in 3D-printed non-assembly mechanisms; Rapid Prototyping Journal Bd. 22 Nr. 6; 2014; S. 910–933; DOI: https://doi.org/10.1108/RPJ10-2014-0146. 9. Wartzack, S.; Meerkamm, H.; Bauer, S.; Krehmer, H.; Walter, M.; Schleich, B.: Design for X (DFX). In Steinhilper, R.; Rieg, F. (Hrsg.): Handbuch Konstruktion; Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG; Deutschland München; 2018; ISBN: 978-3-446-45224-4. 10. Zimmer, D.; Adam, G.: Konstruktionsregeln für Additive Fertigungsverfahren; Konstruktion, Bd. 7/8; 2013; S. 77–82. 11. Won, J.; DeLaurentis, K.; Mavroidis, C.: Rapid Prototyping of Robotic Systems; Proceedings 2000 ICRA. Millennium Conference. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Symposia Proceedings (Cat. No.00CH37065) Bd. 4; 2000; S. 3077–3082; DOI: https://doi. org/10.1109/ROBOT.2000.845136. 12. Mavroidis, C; DeLaurentis, K. J.; Wey, J.; Alam, M.: Fabrication of Non-Assembly Mechanisms and Robotic Systems Using Rapid Prototyping; Journal of Mechanical Design Bd. 123 Nr.4; 2000; S. 516–524 DOI: https://doi.org/10.1115/1.1415034. 13. Chen, Y. H.; Chen, Z. Z.: Major Factors in Rapid Prototyping of Mechanisms; Key Engineering Materials Bd. 443; 2010; S. 516–521; DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ KEM.443.516. 14. Chen, Y.  H.; Chen, Z.  Z.: Joint analysis in rapid fabrication of non-assembly mechanisms; Rapid Prototyping Journal Bd. 17 Nr.6; 2011; S. 408–417; DOI: https://doi.org/10.1108/ 13552541111184134.

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter …

143

15. Yang, Y.; Su, X.; Wang, D.; Chen, Y.: Rapid fabrication of metallic mechanism joints by selective laser melting; Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture Bd. 225 Nr. 12; 2011; S. 2249–2256; DOI: https://doi. org/10.1177/0954405411407997. 16. Song, X.; Chen, Y.: Joint Design for 3-D Printing Non-Assembly Mechanisms; ASME: International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Volume 5: 6th International Conference on Micro- and Nanosystems; 17th Design for Manufacturing and the Life Cycle Conference; 2012; S. 619–631; DOI: https://doi. org/10.1115/DETC2012-71528. 17. Cali, J.; Calian, D. A.; Amati, C.; Kleinberger, R.; Steed, A.; Kautz, J.; Weyrich, T.: 3D-Printing of Non-Assembly, Articulated Models; ACM Transactions on Graphics Bd. 31 Nr. 6; 2014; DOI: https://doi.org/10.1145/2366145.2366149. 18. Calignano, F.; Manfredi, D.; Ambrosio, E. P.; Biamino, S.; Pavese, M., Fino, P.: Direct Fabrication of Joints based on Direct Metal Laser Sintering in Aluminum and Titanium Alloys; Procedia CIRP Bd. 21; 2014; S. 129–132; DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.03.155. 19. Krishna, R.; Dibakar, S.: DFM for Non-Assembly RP of Mechanisms; Proceedings of the 14th IFToMM World Congress; 2015; DOI https://doi.org/10.6567/IFToMM.14TH.WC.OS20.013. 20. De Crescenzio, F.; Lucchi, F.: Design for Additive Manufacturing of a nonassembly robotic mechanism, In (Eynard, B. et. al.): Proceedings of the International Joint Conference on Mechanics, Design Engineering & Advanced Manufacturing (JCM 2016), 14–16 September, Italien Catania; 2016; S. 251–259, 2017; DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-45781-9_26. 21. Li, Y.; Cen, Y.: Physical Rigging for Physical Models and Posable Joint Designs Based on Additive Manufacturing Technology; Procedia Manufacturing Bd. 11; 2017; S. 2235–2242; DOI: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.371. 22. Lipson, H.; Moon, F. C.; Hai, J.; Paventi, C.: 3-D Printing the History of Mechanism; Journal of Mechanical Design Bd. 127 Nr. 5; 2004; S. 1029–1033; DOI: https://doi.org/10.1115/1.1902999. 23. Kerle, H.; Corves, B.; Hüsing, M.: Getriebetechnik: Grundlagen, Entwicklung und Anwendung ungleichmäßig übersetzender Getriebe; Springer Verlag; Deutschland Wiesbaden; 2015; ISBN 978-3-658-10056-8. 24. Stratasys GmbH: The Stratasys F123 Series: SMARTER PROTOTYPING FOR BUSINESS; Online verfügbar: www.stratasys.com/~/media/Main/Files/Brochures/BR_FDM_F123Series_0117e_ Web.pdf; abgerufen am: 27.06.2018. 25. Stuppy, J.; Meerkam, H.: Tolerance analysis of mechanisms taking into account joints with clearance and elastic deformations; International Conference of Engineering Design ICED09; 24.-27. August 2009; USA Stanford University; S. 5-489-5-500.

Erkenntnisgewinn in der Gestaltung mit Rapid Prototyping Ersatzsystemen durch Modellbildung und Parametertransformation Sven Matthiesen, Patric Grauberger und Emily Windisch

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Methoden im Umfeld des Erkenntnisgewinns in der Gestaltung  3  Entwicklung des methodischen Ansatzes zum Erkenntnisgewinn  4  Anwendung des methodischen Ansatzes an zwei Beispielsystemen  5  Diskussion  6  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

 146  147  151  152  162  163  163

Zusammenfassung

In der Gestaltung als Teil der Produktentwicklung benötigt die Umsetzung eines Lösungsprinzips in ein herstellbares Produkt häufig erhebliche Ressourcen. Ein großer Teil dieser Ressourcen wird für den Erkenntnisgewinn zu Zusammenhängen von Gestaltparametern und Funktionserfüllung mittels Versuch oder Simulation verwendet. Im Versuch können Ressourcen eingespart werden, wenn die zur Gestaltung notwendigen Erkenntnisse statt im Originalsystem in einem mit Rapid Prototyping Verfahren erstellten Ersatzsystem gewonnen werden können. Dazu ist ein Modell notwendig, mit dem funktionsrelevante Parameter identifiziert und in ein geeignetes Ersatzsystem transformiert werden können. In diesem Ersatzsystem ist ein beschleunigter Erkenntnisgewinn mit geringerem Ressourceneinsatz möglich. Anschließend werden die gewonnenen

S. Matthiesen · P. Grauberger (*) · E. Windisch Karlsruher Institut für Technologie (KIT), IPEK – Institut für Produktentwicklung, Karlsruhe, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2018, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59058-4_9

145

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S. Matthiesen et al.

Erkenntnisse rücktransformiert und im Originalsystem umgesetzt. In diesem Beitrag wird ein Vorgehen entwickelt, in dem durch Modellbildung und Transformation von ­Gestaltparametern in ein mit Rapid Prototyping gefertigtes Ersatzsystem Erkenntnisse gewonnen werden. Diese werden durch Rücktransformation im Originalsystem nutzbar. Dieses Vorgehen wird an zwei Beispielsystemen angewandt. Mit ihm soll die Ressourceneffizienz in der Gestaltung durch Einsatz von Rapid Prototyping-Verfahren unterstützt werden. Schlüsselwörter

Modellbildung · Rapid Prototyping · Produktentwicklung · Gestaltung · C&C2-Ansatz

1  Einleitung Um erfolgreich Produkte entwickeln zu können, sind Erkenntnisse dazu notwendig, wie die Produktgestalt beschaffen sein muss um gewünschte Funktionen erfüllen zu können. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse wird die Gestalt in ihren Parametern so definiert, dass das Produkt seine Funktionen für den Kunden unter gegebenen Anforderungen und Randbedingungen erfüllen kann [1]. Häufig ist es nicht einfach, die notwendigen Erkenntnisse zu gewinnen und es müssen erhebliche Ressourcen investiert werden. Beispielsweise müssen Fertigungsmittel wie Spritzgussformen erzeugt werden, bevor geprüft werden kann, ob eine Optimierungsidee tatsächlich zur Verbesserung einer Produktfunktion führt. Oftmals führt auch die Fülle an Parametern innerhalb des Produkts zu Unsicherheiten bezüglich der Tragweite einer Optimierungsidee. Entscheidungen zur Gestaltung müssen aufgrund von Unsicherheiten häufig aus vagen Vermutungen und Annahmen heraus getroffen werden [2]. Bestätigen sich Vermutungen und Annahmen nicht, führt dies zu einer Iteration in der Gestaltung. Je später in der Entwicklung diese Vermutungen und Annahmen geprüft werden, desto gravierender werden die auftretenden Iterationen. Der „worst-case“ ist hier die Falsifikation von Vermutungen und Annahmen nach der Markteinführung, die zu kostspieligen Rückrufen führen können. Eine frühestmögliche Prüfung von Vermutungen zum Zusammenhang von Gestalt und Funktion ist deshalb anzustreben, auch um in auftretenden Iterationen Systemverständnis aufzubauen und aus Fehlschlägen lernen zu können. Benötigt eine Vermutung viele Ressourcen zu ihrer Prüfung, beispielsweise durch ein aufwändiges Fertigungsverfahren, können aber auch diese frühen und bewusst provozierten Iterationen sehr aufwändig werden. Dies ist beispielsweise bei der Erzeugung von Kunststoff-­Komponenten mit Spritzgussformen der Fall. Spritzgießen ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von sehr hohen Stückzahlen. Allerdings werden für dieses Verfahren kostenintensive Werkzeuge benötigt, die Versuche mit dem Originalsystem sehr aufwändig werden lassen [3, S. 91]. So werden selbst für einen teilfaktoriellen Screening-Versuchsplan mit

Erkenntnisgewinn in der Gestaltung mit Rapid Prototyping Ersatzsystemen durch …

147

vier Faktoren auf zwei Stufen acht verschiedene Prototypen benötigt (vergleiche auch [4, S. 29]). Es müssten also acht unterschiedliche Spritzgussformen erstellt werden. Eine Auslegung über simulative Verfahren kann in dieser Situation helfen und wird auch verstärkt genutzt. Allerdings ist die Aussagekraft eines Simulationsmodells abhängig vom schon vorhandenen Systemverständnis und den vorhandenen Erfahrungen im Umgang mit Produkt und Simulation, was bei komplexen Systemen zu Unsicherheiten führen kann, beispielsweise wenn tribologische Effekte das Systemverhalten beeinflussen. Die Berücksichtigung von tribologischen Effekten kann einen erheblichen Modellierungsaufwand für die Simulation bedeuten, um den notwendigen Detaillierungsgrad abbilden zu können (vgl. auch [5]). Alternativ werden Versuche mit Rapid Prototyping Systemen durchgeführt. Diese Prototypen spielen auch im Rahmen der agilen Produktentwicklung eine wichtige Rolle für die Kundeninteraktion während der Produktentwicklung [6]. Hier kann der Erkenntnisgewinn für die Gestaltung jedoch eine Herausforderung darstellen, da mit Rapid Prototyping Verfahren erstellte Prototypen oft stark vom Originalsystem abweichen und unklar ist, welche der mit ihnen gewonnenen Erkenntnisse verwertet werden können. Aus dieser Herausforderung ergibt sich die folgende Forschungsfrage: Wie kann der ressourceneffiziente Erkenntnisgewinn bei fertigungsaufwändigen Produkten durch Rapid Prototyping Verfahren unterstützt werden?

In diesem Beitrag wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, in dem mit Hilfe einer geeigneten Modellbildung Erkenntnisse zu fertigungsaufwändig herzustellenden Systemen in einem mit Rapid Prototyping Verfahren erzeugten Ersatzsystem gewonnen werden.

2  Methoden im Umfeld des Erkenntnisgewinns in der Gestaltung Um Erkenntnisse in einem Ersatzsystem strukturiert gewinnen zu können, wird ein Modell benötigt, in dem diese Erkenntnisse abgebildet werden. Zudem ist ein strukturiertes Vorgehen zur Anwendung dieses Modells notwendig. Zur Vereinfachung im Ersatzsystem sind Methoden zur Transformation von Erkenntnissen zwischen Original- und Ersatzsystem notwendig. Der zur Beantwortung der Forschungsfrage entwickelte methodische Ansatz zum Erkenntnisgewinn beinhaltet die Aspekte „Umgang mit Modellen“, „Modellbildung der Zusammenhänge von Gestalt und Funktion“ und die „Transformation von Parametern“. Um diese Aspekte abzubilden, werden bewährte Methoden genutzt. Den Rahmen des Ansatzes bilden die Modelloperationen nach Stachowiak, in denen Modellaufbau und -nutzung allgemein beschrieben werden [7]. Für die in den konkreten Schritten der Modelloperationen notwendige Modellbildung wird der C&C2-Ansatz verwendet, mit dem Zusammenhänge von Gestalt und Funktion modelliert werden können. Für die notwendige Skalierung von Parametern, die in den Modellen identifiziert werden, wird auf vorhandene Skalierungsansätze zurückgegriffen.

148

S. Matthiesen et al.

2.1  Umgang mit Modellen Nach Stachowiak werden im Umgang mit Modellen zunächst die wesentlichen Eigenschaften eines Originalsystems in einem Modell abgebildet. Zielgerichtete Operationen werden eingesetzt um Erkenntnisse über das ursprüngliche Modell zu gewinnen und dieses daraufhin in einen veränderten Zustand überführen zu können. Dieser Erkenntnisgewinn kann im Modell mit geringerem Aufwand erzielt werden, als in dem komplexen Originalsystem. Für die Übertragung der Erkenntnisse auf das Original sind nach Stachowiak „gewisse Transferierungskriterien“ notwendig [7, S. 138–140]. Dieses Vorgehen ist in Abb. 1 dargestellt. Hier ist links die Originaloperation dargestellt, die häufig schwierig umsetzbar ist. Über Modellabbildung, Operationen im Modell und Interpretation des veränderten Modells können Erkenntnisse zum veränderten Original gewonnen werden.

2.2  Modellbildung der Zusammenhänge von Gestalt und Funktion In der Gestaltung ist es notwendig, im Umgang mit konstruktiven Herausforderungen die Zusammenhänge von Gestalt und Funktion im Produkt zu kennen und auch in Modellen abbilden zu können, um Erkenntnisse zu gewinnen. Es existieren viele Möglichkeiten der Modellbildung, die unterschiedliche Aspekte dieser Zusammenhänge betrachten und für verschiedene Einsatzzwecke entwickelt wurden. Function-Behaviour-Structure Framework (FBS) Das Function-Behaviour-Structure Framework (FBS) nach Gero beschreibt grundlegende Prozesse in der Produktentwicklung und unterscheidet dabei Funktion als Anforderung (Soll-Funktion – Function), erwartetes und real auftretende Verhalten (Ist-Funktion – Behaviour) des Produkts und seine Gestalt (Structure) [9]. Es klassifiziert Aktivitäten der Produktentwicklung und wird beispielsweise in der Automatisierung von CAD-Systemen als Basis genutzt. Es bietet allerdings keine explizite Unterstützung der Denkprozesse im

Abb. 1  Operationen auf Modellen, Glinz [8, S. 22] nach Stachowiak [7]

Erkenntnisgewinn in der Gestaltung mit Rapid Prototyping Ersatzsystemen durch …

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Konstruieren und ist somit nur eingeschränkt geeignet, um Erkenntnisse zu unbekannten Zusammenhängen von Gestalt und Funktion zu gewinnen. Characteristics-Properties Modeling (CPM) Mit dem Characteristics-Properties Modeling (CPM) nach Weber können Zusammenhänge zwischen Merkmalen und Eigenschaften eines Produkts beschrieben werden [10]. Merkmale (Characteristics) können dabei vom Entwickler direkt beeinflusst werden, während Eigenschaften (Properties), abhängig von den Merkmalen auftreten. CPM prägt damit grundlegende Begriffe der Gestaltung und unterstützt in der Strukturierung von Zusammenhängen im Produkt. Eine Visualisierung dieser Zusammenhänge im System wird hier als Netzwerkmodell ermöglicht. C&C2-Ansatz Für die Unterstützung im Durchdenken und Analysieren in der Gestaltung ist eine Visualisierung des betrachteten Systems, beispielsweise Skizzen in der Konzeptphase, Zeichnungen und CAD-Modelle hilfreich, die auch häufig durch Konstruktionsingenieurinnen und -ingenieure genutzt wird [11]. Der C&C2-Ansatz nach Matthiesen und Albers wurde als Unterstützung für die Denkprozesse im Konstruieren entwickelt und beinhaltet eine an die reale Gestalt angelehnte Form der Visualisierung [12, 13]. Er enthält spezielle Elemente zur Verbindung von Gestalt und Funktion, die das Durchdenken des Systems erleichtert. In Abb. 2 ist eine Übersicht des C&C2-Ansatzes und ein mit ihm erstelltes Modell dargestellt. Links sind die Kernelemente Wirkflächenpaar, Leitstützstruktur und Connector visualisiert, die unter Beachtung der Grundhypothesen (rechts) in ein Abbild einer Gestalt eingefügt werden und so das C&C2-Modell bilden (Mitte). In den Kernelementen hinterliegen Parameter, mit denen das Systemverhalten und damit die Funk­tions­

Abb. 2  Übersicht über den C&C2-Ansatz und seine Elemente nach [11]

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er­fül­lung des Produktes beeinflusst werden. Sie werden den Kernelementen des C&C2-­ Ansatzes zugeordnet und sind entscheidend, um aus dem Modell synthesefähig zu werden. Ein C&C2-Modell stellt immer genau einen Zustand im System dar. Treten während der Funktionserfüllung eines Systems mehrere Zustände auf, verändert sich das C&C2-Modell, da Kernelemente hinzukommen, wegfallen oder ihre Merkmale und Eigenschaften ändern. Um diese Veränderungen modellieren zu können, wird das C&C2-Sequenzmodell genutzt, das die einzelnen Modelle der Zustände verknüpft und so einen Überblick über die Veränderungen im System ermöglicht. Das Vorgehen zum Aufbau eines C&C2-Modells wird von Matthiesen beschrieben [1]. Zunächst werden die Systemgrenzen in Raum und Zeit festgelegt. Daraus kann ein geeignetes Abbild des Systems erstellt werden, in das die Kernelemente des C&C2-Ansatzes integriert werden. Anschließend werden funktionsrelevante Parameter in den Kernelementen identifiziert, womit das C&C2-Modell aufgebaut ist. In der Verifikation muss anschließend abgesichert werden, dass das gebildete Modell das Original ausreichend genau und korrekt abbildet. Um in der Modellverifikation die Einflüsse der identifizierten funktionsrelevanten Parameter zu prüfen, werden Konstruktionshypothesen gebildet, mit denen sichergestellt wird, dass die gewonnenen Erkenntnisse zu den Parametern in der Gestaltung genutzt werden können [14]. Konstruktionshypothesen verknüpfen ein Merkmal der Gestalt mit einer Funktion und sind damit hilfreich in der Gestaltung, da Merkmale direkt verändert werden können, um Funktionen zu beeinflussen. In der Prüfung, die in einer Konstruktionshypothese direkt mit definiert werden muss, wird der Aufwand für das Experiment und die Konfidenz des erreichten Ergebnisses festgelegt. Ziel ist es dabei, die notwendigen Erkenntnisse so schnell wie möglich und so gut wie nötig zu erzielen. Diese Prüfung folgt damit der Idee der orientierenden Versuche, wie sie Ehrlenspiel und Meerkamm beschreiben [15, S. 630]. Die Modellverifikation gibt damit vor Beginn einer umfangreicheren Versuchsplanung Hinweise darauf, welche Parameter als Stellgrößen beachtet werden sollten. Auf dieser Basis kann dann eine detaillierte Versuchsplanung zur Quantifizierung der Effekte aus den Merkmalen erfolgen. Hierzu sei auf Siebertz et al. verwiesen, die einen umfassenden Überblick über Möglichkeiten der statistischen Versuchsplanung und situationsangepasst geeigneten Versuchsplänen geben [4]. Mit dem C&C2-Ansatz ist es möglich, durch Analyse des Systemverhaltens, Modellbildung der Zusammenhänge und Modellverifikation mittels geeigneter Hypothesen in der Gestaltung zu unterstützen. Durch den Fokus auf die funktionsrelevanten Gestaltparameter ermöglicht er zudem einen strukturierten Einsatz von Rapid-Prototyping-Verfahren im Erkenntnisgewinn. Eine Aussage dazu, welche Parameter in welcher Güte abgebildet werden müssen, um Erkenntnisse zum Originalsystem gewinnen zu können, kann aus den gebildeten Modellen getroffen werden.

2.3  Transformation von Parametern Die Abbildung eines Originals durch ein Modell umfasst häufig eine Transformation seiner Parameter. Ein Beispiel hierfür ist die Größenskalierung von Landkarten zu der durch

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sie abgebildeten Landschaft. Um Informationen eines solchen Modells auf ein Original übertragen zu können, sind Skalierungs- oder Transformationsmethoden notwendig. Die Skalierung kann beispielsweise durch Inhomogenitäten des Materials zu Schwankungen von Eigenschaften führen, die berücksichtigt werden müssen [16, S. 83]. Dutson und Wood klassifizieren mögliche Abweichungen, welche in Skalierungsgesetzen auftreten können [17]. Dabei unterscheiden sie zwischen geometrischen, funktionalen, parametrischen und experimentellen Aspekten, die ein skaliertes System beeinflussen. Experimentelle Abweichungen wie Materialkennwerte können beispielsweise über Kerbschlagbiegeversuche bestimmt werden, wie Kynast et al. im Vergleich von ABS Spritzguss und verschiedenen additiv gefertigten Prototypen zeigen [18, S. 255]. Bezüglich Leistungsflüssen in skalierten Systemen sollte zudem beachtet werden, dass mit Rapid Prototyping erstellte Prototypen zwar meist früher verfügbar sind als mit dem Serienfertigungsverfahren hergestellte, dann aber häufig eine geringere Belastbarkeit aufweisen und deshalb nur mit skalierten Belastungen beaufschlagt werden können [5].

3  Entwicklung des methodischen Ansatzes zum Erkenntnisgewinn Im Folgenden wird beschrieben, wie die in Abschn. 2 erläuterten Methoden in dem methodischen Ansatz verknüpft werden. Das allgemeine Vorgehen nach Stachowiak wird auf die Gestaltung in der Produktentwicklung adaptiert, um das Vorgehen im Ansatz zu erstellen. Die Übersicht dieses Vorgehens ist in Abb. 3 dargestellt. Hier ist erkennbar, welche Aktivitäten zwischen den einzelnen Elementen notwendig sind. Vom zu optimierenden Originalsystem wird zunächst mit Hilfe des C&C2-Ansatzes ein Modell gebildet und die darin relevanten Parameter identifiziert und t­ ransformiert,

Abb. 3  Übersicht des methodischen Ansatzes zum Erkenntnisgewinn

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um zum Rapid Prototyping Ersatzsystem zu gelangen. Nachdem die Modellbildung und Transformation abgeschlossen sind, werden Versuche durchgeführt, um Erkenntnisse zu gewinnen. Dazu muss zu dem gewählten Ersatzsystem auch eine geeignete Prüfumgebung erstellt und abgesichert werden. Aus den Versuchen gewonnene Erkenntnisse werden rücktransformiert und in der Synthese eines optimierten Originalsystems genutzt. Das Vorgehen in den einzelnen Schritten des methodischen Ansatzes orientiert sich am Vorgehen zur Modellbildung mit dem C&C2-Ansatz nach Matthiesen [1]. Zunächst findet eine Systemcharakterisierung im Originalsystem statt. Dabei wird die Entwicklungssituation erfasst und beispielsweise dynamisches Verhalten ermittelt. Anschließend findet im Originalsystem eine Modellbildung der Gestalt-Funktion-Zusammenhänge mit dem C&C2-Ansatz statt, in der potenziell funktionsrelevante Parameter identifiziert werden. Ausgehend von diesen Parametern werden mögliche Ersatzsysteme ermittelt und für ihre Eignung in der Untersuchung bewertet. Mit der Auswahl des Ersatzsystems und der Identifikation von Skalierungsmaßnahmen ist der Schritt Modellbildung und Transformation abgeschlossen. Im Ersatzsystem findet zunächst wieder eine Systemcharakterisierung statt, dann wird ein C&C2-Modell des Ersatzsystems aufgebaut. Nach der Modellbildung im Ersatzsystem findet ein Abgleich mit dem Modell des Originalsystems statt, um abschätzen zu können, wie weit das Ersatzsystem vom Originalsystem abweicht und welche Zustände und Parameter davon betroffen sind. Dann beginnt die Versuchsdurchführung im Ersatzsystem, um Effekte der Gestaltparameter auf das Systemverhalten zu ermitteln. Über die Datenqualität der Versuche (Signifikanz, Normalverteilung der Streuung usw.) lässt sich erkennen, ob die benötigten Erkenntnisse schon in ausreichender Güte vorliegen, oder beispielsweise noch Störgrößen identifiziert werden müssen. Ist die Datenqualität ausreichend, um Lösungsmöglichkeiten eines optimierten Ersatzsystems abzuleiten, kann die Rücktransformation der Erkenntnisse zu den untersuchten Parametern durchgeführt werden. Hierbei kommen je nach Bedarf Skalierungsmethoden zum Einsatz. Die rück­ transformierten Erkenntnisse können zur Gestaltung eines optimierten Originalsystems genutzt werden.

4  A  nwendung des methodischen Ansatzes an zwei Beispielsystemen Im Folgenden wird an zwei Beispielsystemen beschrieben, wie mit Hilfe der Modellbildung Erkenntnisse im Ersatzsystem erzeugt werden können, um Originalsysteme hinsichtlich gewünschter Funktionen zu optimieren. Am Beispielsystem der Rasthakenverbindung wird der entwickelte Ansatz hinsichtlich seiner Anwendbarkeit geprüft und Herausforderungen identifiziert. Am Beispielsystem des Faden-Mähkopfs wird der Ansatz auf eine Fragestellung aus dem Unternehmensumfeld angewandt, um seine Eignung für die Anwendung in komplexeren Fragestellungen zu prüfen.

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4.1  Anwendung an einer Rasthakenverbindung Als erstes Beispielsystem wird eine Rasthakenverbindung untersucht, um den entwickelten Ansatz in der Anwendung zu prüfen. Dieses System ist geeignet, da es eine überschaubare Anzahl an funktionsrelevanten Parametern besitzt, gleichzeitig aber in vielen verschiedenen Variationen vorliegt und die funktionsrelevanten Parameter im Einzelfall nicht direkt ersichtlich sind. Rasthakenverbindungen sind im Bereich der Kunststoffkonstruktionen eine der am häufigsten verwendeten Bauteilverbindungen. Beispiele für verschiedene Rasthakenverbindungen sind in Abb. 4 dargestellt. In den Bereichen Automotive, IT und Luftfahrt werden viele Gehäuseverbindungen über Rasthaken realisiert, im Sport- und Freizeitbereich werden sie zur schnellen Verbindung und Trennung von Ausrüstung ausgeführt, bei definierter Kraft öffnend können sie als Überlastschutz beispielsweise in Schlüsselbändern dienen. Eine Rasthakenverbindung besteht dabei aus einem elastischen Federelement und einer Rastvorrichtung. Da in der Regel hohe Stückzahlen gefertigt werden, findet die Herstellung im Spritzgussverfahren statt. Eine bereits bestehende Rasthakenverbindung soll weiterentwickelt werden. Das Vorgängerprodukt löst bei 18N Zugkraft selbstständig aus. Der zu entwickelnde Rasthaken soll bei 12N Zugkraft auslösen. Die Anforderungen „einfaches Fügen“ und „zerstörungsfreies Lösen der Verbindung“ werden aus dem Vorgängerprodukt beibehalten. Daraus ergibt sich die Aufgabenstellung, funktionsrelevante Parameter für das Lösen der Verbindung zu identifizieren und gezielt zu verändern, um die maximale Haltekraft zu senken. Modellbildung und Parameteridentifikation Der C&C2-Ansatz wird im Originalsystem genutzt, um die funktionsrelevanten Parameter in den Zuständen ‚Fügen‘, ‚Halten‘ und ‚Lösen‘ der Rasthakenverbindung zu identifizieren. Dazu muss zunächst eine Beobachtungsbarriere überwunden werden, um die Funktionsweise der Rasthakenverbindung beobachten zu können. Ein Querschnitt durch die

Abb. 4  Beispiele für Rasthakenverbindungen in Systemen aus verschiedenen Branchen

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Kunststoffhalterung wird erzeugt, um verborgene Wirkflächenpaare sichtbar zu machen. Die Funktionsweise bleibt unbeeinflusst, da für die zu betrachtenden Funktionen keine Leitstützstruktur entfernt wird und die auftretenden Wirkflächenpaare nicht beeinflusst werden. Mit Hilfe eines Auflichtmikroskops wird ein Abbild der Gestalt erzeugt, in das die Kernelemente des C&C2-Ansatzes eingefügt werden. Abb.  5 zeigt die Erstellung des C&C2-Modells. Hier sind die Wirkflächenpaare, sowie die von diesen ausgehenden Leitstützstrukturen dargestellt. Wechselwirkungen mit der Umgebung werden in den Connectoren abgebildet, wie beispielsweise rechts erkennbar die extern aufgeprägte Zugkraft auf den Rasthaken. Bei der Funktionserfüllung zeigen sich weitere Zustände, so dass das C&C2-­Sequenzmodell statt der initial angenommenen drei nun sechs Zustände abbildete. In Abb. 6 ist exemplarisch für den Zustand 5 das C&C2-Modell mit den anliegenden Kräften im Wirkflächenpaar 5.2 und zwei der funktionsrelevanten Parametern (Winkel α und Hinterschnitt f) dargestellt. Zu den identifizierten funktionsrelevanten Parametern werden Konstruktionshypothesen aufgestellt, um sie zu überprüfen, da noch unsicher ist, ob das gebildete Modell der Realität entspricht. In Abb.  7 ist beispielhaft eine Hypothese aus dem Zustand 5 des C&C2-Sequenzmodells dargestellt. Der Gestaltparameter ist hier der Hinterschnitt f (Abb. 6 unten rechts), der als Merkmal im Wirkflächenpaar 5.2 auftritt und durch die Höhe des Hakens verändert wird. Die Vermutung hinter der Hypothese ist, dass eine stärkere Durchbiegung des Hakens vor dem Lösen die Haltekraft signifikant verändert. Die quantitative Variation des Parameters (die Grenzen des Faktorraums im Originalsystem) wird vom Vorgängerprodukt (f = 0,3 mm) ausgehend abgeschätzt. Zur Überprüfung der aufgestellten Hypothesen wird ein geeignetes Ersatzsystem benötigt. Die im erstellten Modell als relevant betrachteten Parameter ermöglichen dabei die Beurteilung, ob ein Ersatzsystem geeignet ist. Für die Umsetzung des Originalsystems in

Abb. 5  Modellbildung am Originalsystem

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Abb. 6  Übersicht der Zustände und der jeweiligen initialen Gestaltparameter

Abb. 7  Beispielhypothese im Zustand 5 des C&C2-Sequenzmodells

ein Ersatzsystem werden verschiedene verfügbare Verfahren bezüglich der auftretenden Änderung von Eigenschaften zum Originalsystem und der benötigten Fertigungsdauer bewertet. In Tab. 1 sind die möglichen Fertigungsverfahren und ihre Eigenschaften dargestellt. In der Bewertung dieser Verfahren für die Prüfung der Konstruktionshypothesen

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erweist sich die Fertigung mittels Lasercutter als geeignet, da die Änderung der Eigenschaften relativ zum Originalsystem gering ausfallen. Die Vereinfachung auf eine 2D-­ Konstruktion ist unkritisch, da auch das Originalsystem seine funktionsrelevanten Parameter in einer 2D-Ebene beinhaltet. Zudem ist die geringe Fertigungszeit angesichts der benötigten Versuche zu 7 Faktoren (Referenz und sechs Hypothesen) und der verfügbaren Ressourcen relevant. Mit der Auswahl des Ersatzsystems wird eine Größenskalierung um Faktor 2 beschlossen, um die Einflüsse der Fertigungstoleranzen (±0,02 mm Toleranzfeld des Lasercutters) zu reduzieren. Dann werden notwendige Skalierungen der Parameter aus den Hypothesen geprüft. Diese sind auszugsweise in Abb. 8 unten dargestellt. Tab. 1  Vergleich von Fertigungsverfahren für das Ersatzsystem Verfahren Spritzguss (Originalsystem) RP (Rapid Prototyping): Fused Deposition Modeling (3D-Drucker)

RP: 2D-Trennverfahren mittels Lasercutter

RP: Subtractive Prototyping (Modellfräse)

Eigenschaften Material: ABS gespritzt E-Modul 2700N/mm2 Material: ABS gedruckt (μ=0,6–0,78, geringe Oberflächengüte, Schichtbildung) E-Modul 1500–2000N/mm2 Material: Hochdichte Faserplatten, gegossenes Acrylglas E-Modul 3000–4300N/mm2 Material: Aluminium E-Modul 70.000N/mm2

Abb. 8  Abgleich der Sequenzmodelle von Ersatz- und Originalsystem

Fertigungsdauer/ Einheit 4–8 Wochen ~5h

~5min

~10h

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Versuchsdurchführung im Ersatzsystem Um im weiteren Verlauf Operationen im Ersatzsystem durchführen zu können, ist es zunächst notwendig, einen Abgleich des Ersatzsystems mit dem Originalsystem durchzuführen. Dazu wird ein C&C2-Sequenzmodell der Ersatzkonstruktion erstellt und mit dem C&C2-Sequenzmodell des Originalsystems abgeglichen. Abb.  8 zeigt die identifizierten Parameter des Ersatzsystems und ihre quantitative Abweichung zu den Parametern im Original. Bevor Versuchsdaten erhoben werden können, ist eine Identifikation von unbekannten Eigenschaften des Ersatzsystems notwendig. Beispielsweise adressiert eine Konstruktionshypothese den Einfluss der Reibung auf die Haltekraft in Zustand 5 des Sequenzmodells. Die Reibkoeffizienten der dabei in Kontakt stehenden Oberflächen im Ersatzsystem (HDF glatt zu HDF lasergeschnitten) sind unbekannt. In einer Vorversuchs-Umgebung werden deshalb die relevanten Reibwerte und ihre Streuung ermittelt. Damit sind sie bekannt und können bei der Rücktransformation berücksichtigt werden, falls sie als funktionsrelevant identifiziert werden. Abb.  9 zeigt die ermittelten Reibwerte für Haftreibung der unterschiedlichen Materialpaarungen im Ersatzsystem. Die Reduktion des Reibwertes wird durch Ölschmierung der WFP erreicht. Nachdem die Gestaltparameter aus den Konstruktionshypothesen im Ersatzsystem implementiert sind, kann die Überprüfung durchgeführt werden. In Abb. 10 sind die Ergebnisse der geprüften Konstruktionshypothesen dargestellt. Hypothese 1,2,3 und 6 zu den geometrischen Parametern werden verifiziert, d. h. sie haben einen Einfluss auf die Haltekraft. Hypothese 4 wird überraschenderweise falsifiziert, da die Reibung im Rahmen der gewählten Faktorstufen keinen signifikanten Effekt zeigt. Hypothese 5 beinhaltet über die Materialwahl mehrere, zunächst nicht trennbare Gestaltparameter (E-Modul, Anisotropie), deren Effekt aber ebenfalls nicht signifikant ist. Bei diesem Ergebnis muss der vorher gewählte Faktorraum berücksichtigt werden, da beispielsweise bei Hypothese 5 der Faktorraum von 3000N/mm2 (Minimalwert) zu 4300N/mm2 (Maximalwert) so gewählt wird, dass er im Originalsystem mit Spritzgusswerkzeugen umsetzbar ist. Ein Faktorraum, ­dessen Maximalwert beispielsweise mit einem Stahl-Prototyp auf 210.000N/mm2 erhöht wird, ist für den Erkenntnisgewinn für das Originalsystem nicht relevant.

Abb. 9  Ermittelte Reibwerte für verschiedene Materialkombinationen im Ersatzsystem

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Aus den geprüften Hypothesen können Auswirkungen von Veränderungen der Gestaltparameter auf die definierte Zielgröße erkannt werden. Die benötigten Erkenntnisse liegen damit vor. Rücktransformation von Erkenntnissen Um aus diesen Erkenntnissen im Originalsystem synthesefähig zu werden, müssen sie rücktransformiert werden. Dabei werden die geometrischen Abweichungen von Parametern zwischen den Sequenzmodellen von Original und Ersatzsystem berücksichtigt und über geometrische Skalierung transformiert. Die Zielgröße der Haltekraft von 12N kann durch die Variation der ermittelten funktionsrelevanten Parameter in eine geeignete Richtung erreicht werden. Die quantitative Veränderung kann aus dem Faktorraum des Versuchsplans im Ersatzsystem unter Beachtung der Abweichungen abgeschätzt werden. Daraus können viele Ausprägungen des Rasthakens konstruiert werden, mit denen die

Abb. 10  Übersicht der Prüfungsergebnisse der Konstruktionshypothesen

Abb. 11  Absicherung des Erkenntnisgewinns durch Variation im Originalsystem

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gewünschte Funktion erreicht wird. In Abb. 11 ist die Überprüfung der Rücktransformation der gewonnenen Erkenntnisse durch Testen der Konstruktionshypothesen im Originalsystem dargestellt. Die Variation der Parameter Länge (Hypothese 2) und Hinterschnitt (Hypothese 3) an einem spritzgussgefertigten Rasthaken in die im Ersatzsystem ermittelte Richtung ermöglicht die Erfüllung der vorgegebenen Haltekraft von 12N.  Die Reibung (Hypothese 4) wird ebenfalls geprüft, zeigt aber wie im Ersatzsystem nur einen sehr schwachen Effekt. Die im Ersatzsystem gewonnenen Erkenntnisse sind damit auch im Originalsystem gültig.

4.2  Anwendung am Beispiel Faden-Mähkopf In einer weiteren Entwicklungsfragestellung wird ein Fadenmähkopf für Freischneider untersucht und durch geeignete Modellbildung und vereinfachte Prototypen optimiert. Freischneider sind leistungsstarke Gartengeräte, welche in der professionellen Landschaftspflege genutzt werden. Sie besitzen einen Verbrennungs- oder Elektromotor, der ein am Boden rotierendes Werkzeug auf ca. 9000 U/min beschleunigt. Das Anwendungsspektrum von Freischneider ist sehr breit und reicht von lokalen Ausputzarbeiten, Mähen von mittelgroßen Rasenflächen, Häckseln von Gestrüpp und Dornenhecken bis zum Sägen von Gehölz. Ein Freischneider besteht meist aus den Komponenten Motor, Griffsystem, Schaft, Schutz, Getriebe und Schneidwerkzeug. Für Ausputz- oder Mäharbeiten werden häufig Fadenmähkopfe mit Kunststofffäden eingesetzt. Sie ermöglichen ein effizientes Arbeiten, da sie Kontakt zu Hindernissen aufnehmen können, ohne es zu zerstören oder selbst beschädigt zu werden (siehe Abb.  12 oben links). Da der Mähfaden in der Anwendung verschleißt, existieren Mechanismen zur Fadennachstellung. Am weitesten verbreitet sind sogenannte tap-n-go-Mähköpfe. Der Mähkopf wird hierfür im Betrieb auf

Abb. 12  Freischneider und Details eines Fadenmähkopfes

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den Boden „getappt“, wodurch ein Federmechanismus betätigt wird, durch welchen die Spule eine Raststellung weiterbewegt und Faden nachgestellt wird. Dieser Mechanismus ist in Abb. 12 dargestellt. Mittig sind die Spritzgussteile Gehäuse und Spule dargestellt. Das Gehäuse beinhaltet viele funktionsrelevante Gestaltelemente wie Rampen, Schaltnasen, Clips, Passungen (vgl. Abb. 12 rechts). Als Spritzgussteil benötigt es eine aufwändige Form mit Kern, Schrägschiebern und Fallkern. Im Bild oben rechts sind die für den Faden-­Nachstellvorgang funktionsrelevanten Schaltnasen dargestellt. Bei der Entwicklungsfragestellung sollen zusätzliche Funktionen am Mähkopf entwickelt werden, von denen auch diese Steuerkanten betroffen sind. Die Gestaltung dieser Steuerkanten stellt Entwickler sowohl in der Konzeptphase, in der die prinzipielle Kinematik analysiert wird, wie auch in der Ausgestaltung, in der die geometrischen Parameter und zulässigen Toleranzen definiert werden vor Herausforderungen. Hierbei kann das C&C2-Sequenzmodell unterstützen. Modellbildung und Parameteridentifikation Zu Beginn der Gestaltungsphase wird auf Basis des Vorgängerproduktes ein C&C2-­ Sequenzmodell erstellt, in dem die vorhandenen Zustände abgebildet werden und Gestaltparameter der Steuerkanten identifiziert werden. Da die Gestaltparameter schwierig zu erkennen sind, wird ein Modell gebildet, in dem die Gestaltparameter auf eine Ebene abgewickelt werden. Hierdurch findet eine Reduktion von 3D auf 2D statt. Dieses Modell ist in Abb. 13 oben rechts erkennbar. Aus dem erstellten C&C2-Sequenzmodell werden beispielsweise die funktionsrelevanten Parameter Radius der Steuerkante r, Steigungswinkel α und Reibkoeffizient μ ermittelt. Zu diesen Parametern werden Hypothesen aufgestellt. Für die Überprüfung dieser Hypothesen müssen 3D-Prototypen entwickelt werden, um die bei der Rotation auftretenden

Abb. 13 C&C2-Sequenzmodell und Ersatzsystem am Mähkopf

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Tab. 2  Verfahrensauswahl für die Steuerkanten Verfahren Eigenschaften Spritzguss (Originalsystem) Material: ABS gespritzt E-Modul 2700N/mm2 RP (Rapid Prototyping): Material: ABS gedruckt Fused Deposition Modeling (μ=0,6–0,78, geringe Oberflächengüte, (3D-Drucker) mäßige mechanische Belastbarkeit) E-Modul 1500–2000N/mm2 3D-Geometrie möglich RP: Selectives Lasersintern Material: Polyamid (Nylon) SLS (geringe Oberflächengüte, hohe mechanische Belastbarkeit) E-Modul 1600–1900N/mm2 3D-Geometrie möglich RP: 2D-Trennverfahren Material: Hochdichte Faserplatten, mittels Lasercutter gegossenes Acrylglas E-Modul 3000–4300N/mm2 3D-Geometrie nicht möglich RP: Subtractive Prototyping Material: Aluminium, E-Modul 70.000N/mm2 (Modellfräse) 3D-Geometrie möglich

Fertigungsdauer/ Einheit 4–8 Wochen ~5h

~5h

~5min

~10h

dynamischen Effekte abzubilden. Zur Variantenerzeugung kommen verschiedene generativ herstellbare Prototypen in Frage, die in Tab. 2 beschrieben sind. Die Fertigungszeit und die Notwendigkeit einer 3D-Geometrie zeigen das SLS- und FDM-Verfahren als geeignet. Es werden beide Verfahren parallel zur Erzeugung von Prototypen eingesetzt. Um eine realitätsnahe Belastbarkeit des Gesamtsystems zu erreichen und den Erkenntnisgewinn effizienter zu gestalten, wird nicht das gesamte Gehäuse additiv gefertigt, sondern Schnittstellen für die additiv gefertigten Steuerkanten in das Vorgängerprodukt integriert. Im Übertrag auf das Ersatzsystem werden die geometrischen Parameter nicht skaliert, da keine Größenskalierung stattfindet. Die abweichende Porosität aus dem gewählten Verfahren wird über Kennzahlen der Kerbschlagbiegezähigkeit berücksichtigt. Der Reibkoeffizient wird ebenfalls transformiert, indem die veränderte Verzögerung aufgrund der Reibkräfte berücksichtigt wird. Versuchsdurchführung im Ersatzsystem In Vorversuchen mit dem Ersatzsystem werden die resultierenden dynamischen Effekte abgeschätzt. Anschließend werden im Vorgängergehäuse die spritzgussgefertigten Steuerkanten entfernt und Taschen eingebracht, in denen die additiv gefertigten Steuerkanten montiert werden können. Hierbei muss die richtungsabhängige Schichtung im 3D-Druck berücksichtigt werden, um reproduzierbare Ergebnisse erzielen zu können. Zudem muss eine geeignete Passung der Steuerkanten zu den Taschen ermittelt werden, die ein schnelles Wechseln und zuverlässige Anbindung an das Vorgängersystem ermöglicht. In Abb. 14 sind die ersetzten Steuerkanten im Original schematisch dargestellt (links) und rechts unten die additiv gefertigten Prototypen des Ersatzsystems erkennbar.

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Abb. 14  Hypothesen im Ersatzsystem

Mit diesem Ersatzsystem können die aufgestellten Hypothesen zu den Gestaltparametern geprüft und Erkenntnisse gewonnen werden. Rücktransformation von Erkenntnissen Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Versuchen werden rücktransformiert, indem unter anderem der Einfluss der Porosität auf das Kraft-Durchbiegungs-Verhalten bereinigt wird. Dadurch können die Wandstärken der Steuerkanten reduziert werden, geometrische Parameter bleiben aufgrund der nicht durchgeführten Größenskalierung unverändert. Die finale Geometrie der Steuerkanten für das Spritzgusswerkzeug wird aus den im additiv gefertigten Ersatzsystem gewonnenen Erkenntnissen festgelegt. Die gewünschten Funktionen werden integriert, ohne dass Versuche zum Erkenntnisgewinn im Originalsystem notwendig sind.

5  Diskussion Durch eine Modellbildung der Gestalt-Funktion-Zusammenhänge konnten Erkenntnisse zum Systemverhalten in zwei Rapid Prototyping Ersatzsystemen gewonnen und durch Rücktransformation in der Gestaltung genutzt werden. In der Anwendung des entwickelten methodischen Ansatzes wird festgestellt, dass die Systemcharakterisierung im Ersatzsystem essenziell ist, um verwertbare Erkenntnisse zu erzielen, da Störgrößen in den Ersatzsystemen einen erheblichen Einfluss auf das Systemverhalten zeigen und die Güte der Erkenntnisse reduzieren. Um die Qualität der Erkenntnisse zu steigern, sollten Störgrößen im Ersatzsystem systematisch berücksichtigt werden. Dazu bieten sich Verfahren der statistischen Versuchsplanung an, mit denen ihr Einfluss auf das Beschreibungsmodell bestimmt und bereinigt werden kann. In der Anwendung am Faden-Mähkopf war es notwendig, mehrere Ersatzsysteme zu nutzen, da zunächst Erkenntnisse auf der Konzeptebene benötigt werden und anschließend Erkenntnisse zum Einfluss der Parameter an den Steuerkanten.

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Der entwickelte Ansatz unterstützt im Erkenntnisgewinn zu funktionsrelevanten Parametern, ersetzt aber die Validierung des optimierten Produkts mit einem aus Serienwerkzeugen hergestellten Prototyp nicht, da erst dieser alle Eigenschaften des Originalsystems abbildet. In dieser Untersuchung wird die Frage, wann ein physisch vorhandenes Ersatzsystem Vorteile gegenüber einem virtuellen Ersatzsystem bietet, nicht näher betrachtet, weshalb keine Aussage dazu getroffen werden kann, ob eine Simulation zur Bearbeitung der Fragestellungen in den Beispielsystemen möglicherweise besser geeignet wäre.

6  Zusammenfassung und Ausblick Der entwickelte methodische Ansatz soll einen Leitfaden für Möglichkeiten des ressourceneffizienten Erkenntnisgewinns in der Gestaltung darstellen. In ihm sind etablierte Methoden der Modellbildung integriert und verknüpft. Eine Möglichkeit, die in den vorgestellten Untersuchungen noch nicht genutzt wurde, ist die Optimierung der Gestalt bezogen auf mehrere Zielgrößen, wie sie beispielsweise Siebertz et  al. beschreiben [4, S.  348]. Dadurch kann beispielsweise eine Rasthakenverbindung erzeugt werden, die bei 12N auslöst und gleichzeitig auf minimalen Verschleiß optimiert ist. Aufbauend auf dieser Untersuchung ist eine Studie geplant, in der ein Erkenntnisgewinn mit dem entwickelten methodischen Ansatz im Vergleich zum Erkenntnisgewinn im Originalsystem an verschiedenen Aufgabenstellungen bezüglich der Erfolgsfaktoren Zeit und Ressourceneinsatz untersucht wird. Zur Entscheidungsunterstützung, in welchen Situationen Simulation oder Versuche mit Prototypen geeignet ist, wurde weiterer Forschungsbedarf identifiziert, da abhängig von den benötigten Erkenntnissen und vorhandenen Simulationsmodellen der Einsatz von Prototypen nicht immer der ressourceneffizientere Weg ist.

Literatur 1. S. Matthiesen, „Gestaltung“ in Pahl/Beitz Konstruktionslehre, B. Bender und K. Gericke, Hg., 9th ed., Berlin Heidelberg, Germany: Springer-Verlag GmbH, 2019 (in print). 2. M. Meboldt, S. Matthiesen und Q. Lohmeyer, „The Dilemma of Managing Iterations in Time-to-­ market Development Processes“ in 2nd International Workshop on Modelling and Management of Engineering Processes, Cambridge, UK, 2012, S. 127–139. 3. G. Menges, W. Michaeli, P. Mohren und M. Bussmann, Spritzgießwerkzeuge: Auslegung, Bau, Anwendung, 6. Aufl. München: Hanser, 2007. 4. K. Siebertz, D. van Bebber und T. Hochkirchen, Statistische Versuchsplanung. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2017. 5. S. Matthiesen, T. Gwosch, S. Mangold, P. Grauberger, M. Steck und S. Cersowski, „Frontloading in der Produktentwicklung von Power-Tools durch frühe Validierung mit Hilfe von leistungsskalierten Prototypen“, Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung, 2017. 6. A. Albers, J. Heimicke, T. Hirschter, T. Richter, N. Reiß, A. Maier und N. Bursac., „Managing Systems of Objectives in the agile Development of Mechatronic Systems by ASD – Agile Systems Design“ in NordDesign 2018, Linköping, Sweden, 2018.

164

S. Matthiesen et al.

7. H. Stachowiak, Allgemeine Modelltheorie. Wien, New York: Springer-Verlag, 1973. 8. M. Glinz, „Einführung in die Modelltheorie: Informatik II: Modellierung“. Zürich, 2005. 9. J. S. Gero und U. Kannengiesser, „The situated function–behaviour–structure framework“, Design Studies, Jg. 25, Nr. 4, S. 373–391, 2004. 10. C. Weber, „CPM/PDD – An Extended Theoretical Approach to Modelling Products and Product Development Processes“ in Proceedings of the 2nd German – Israeli Symposium, Stuttgart, Germany: Fraunhofer-IRB-Verlag, 2005. 11. S. Matthiesen, P. Grauberger, C. Sturm und M. Steck, „From Reality to Simulation – Using the C&C2-Approach to Support the Modelling of a Dynamic System“ in Procedia CIRP, Elsevier B.V., 2018. 12. S. Matthiesen, „Ein Beitrag zur Basisdefinition des Elementmodells „Wirkflächenpaare & Leitstützstrukturen” zum Zusammenhang von Funktion und Gestalt technischer Systeme“. Dissertation, Forschungsberichte des Instituts für Maschinenkonstruktionslehre und Kraftfahrzeugbau, Universität Karlsruhe (TH), Karlsruhe, 2002. 13. A. Albers und E. Wintergerst, „The Contact and Channel Approach (C&C2-A): relating a system’s physical structure to its functionality“ in An Anthology of Theories and Models of Design: Philosophy, Approaches and Empirical Explorations, A. Chakrabarti und L. T. M. Blessing, Hg., Springer, 2014, S. 151–172. 14. S. Matthiesen, P. Grauberger, T. Nelius und K. Hölz, „Methodische Unterstützung des Erkenntnisgewinns in der Produktentwicklung durch Konstruktionshypothesen“, Karlsruhe, KIT Scientific Working Papers 61, 2017. 15. K. Ehrlenspiel und H. Meerkamm, Integrierte Produktentwicklung: Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit, 6. Aufl. München, Wien: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2017. 16. P. Wolniak, I. Mozgova und R. Lachmayer, „Concept for the Implementation of a Scaling Strategy into the Paradigm of Technical Inheritance“, Procedia Manufacturing, Jg. 24, S. 80–85, 2018. 17. A.J. Dutson und K. Wood, „Foundations and Application of the Empirical Similitude Method“, Department of Mechanical Engineering – The University of Texas at Austin, 2002. 18. M. Kynast, M. Eichmann und G. Witt, Rapid.Tech + FabCon 3.D – International Trade Show + Conference for Additive Manufacturing: Proceedings of the 15th Rapid.Tech Conference Erfurt, Germany, 5–7 June 2018. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2018.

Methodische Entwicklung einer modularen Lasersintermaschine zur Herstellung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen Clemens Kautz und Dietmar Göhlich

Inhaltsverzeichnis 1  2  3  4  5 

 inleitung und Zielsetzung  E Grundlagen des Tissue Engineerings  Stand der Technik und Wissenschaft  Forschungsansatz  Generelle Anforderungen an Lasersintermaschinen zur Herstellung von Implantatmatrizen  6  Methodische Entwicklung einer Lasersintermaschine  7  Materialspezifische Weiterentwicklung der Maschine am Beispiel des bioresorbierbaren Copolymers PLGA  8  Zusammenfassung und Ausblick  9  Danksagung  Literatur 

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Zusammenfassung

In den vergangenen Jahren hat sich das Lasersintern im Bereich der medizintechnischen Forschung als aussichtsreiches AM-Verfahren zur zeitnahen Herstellung von patientenspezifischen Implantaten mit entsprechender Bioaktivität etabliert. Aufgrund mangelnder Prozesssteuerbarkeit und zu großer Bauvolumina kommerzieller Lasersintermaschinen wird diesbezüglich am Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Keramische Werkstoffe und dem 3D-Labor der Technischen Universität Berlin eine modulare Lasersintermaschine C. Kautz (*) · D. Göhlich Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik (MPM), Technische Universität Berlin, Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2018, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59058-4_10

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neuentwickelt, die in Zukunft zur Fertigung von Implantatmatrizen aus bioresorbierbareren Polymeren verwendet werden soll. Ein kleiner Bauraum, hohe Fertigungsgenauigkeit, parametrische Steuerung und die Möglichkeit der Integration geeigneter Sensorik waren die Hauptanforderungen an die Forschungsmaschine. Die Prozesskammer ist durch die Verwendung FDA-konformer Werkstoffe für die Fertigung von Medizinprodukten unter inerter Gasatmosphäre geeignet. Der im Rahmen der Konzipierungsphase erarbeitete Modularisierungsansatz unterteilt die Lasersintermaschine in Maschinengestell, Baustempel-, Pulverzuführ-, Pulverauftrags-, Prozessgas-, Heiz- und Lasermodul. Im Rahmen der materialspezifischen Prozessentwicklung wird das Lasermodul mit entsprechenden Spezifikationen ergänzt. Schlüsselwörter

Lasersintern · Tissue Engineering · Modulare Lasersintermaschine · Bioresorbierbare Implantate · Biopolymer · Produktentwicklung

1  Einleitung und Zielsetzung Das Additive Manufacturing (AM) wird zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen, Endbauteilen und zur Reparatur von Verschleißteilen eingesetzt [1]. Eine aus dem Bereich der regenerativen Medizin stammende visionäre Anwendung der Technologie ist die Fertigung von patientenspezifischen Implantaten und Organen [2]. Die in der medizinischen Diagnostik mittels Magnetresonanz- oder Computertomographie erfassten 2-­dimensionalen Bilddaten sind nach der Volumetrisierung direkt nutzbar für den AM-Prozess. Leidet der Patient beispielsweise an einem komplexen Knochenbruch oder einem Herzfehler soll das patientenspezifische Hart- bzw. Weichgewebe zukünftig mittels Lasersintern „gedruckt“ und außerhalb des Patientens vorbereitet werden. Das Lasersintern erzeugt durch den Einsatz eines Lasers mechanisch belastbare Funktionsbauteile aus pulverförmigem Ausgangsmaterial. Das durch die Anwendung des Tissue Engineerings (TE) erzeugte Implantat verbleibt nach der Transplantation im Körper des Patienten. Der Einsatz der synthetischen, bioabbaubaren Materialien verringert Unverträglichkeiten und Abstoßungsvorgänge. Um einen Beitrag zur zukünftigen Herstellung von bioresorbierbaren Implantaten mittels Lasersintern zu leisten, soll diesbezügliche eine spezifische Lasersintermaschine neuentwickelt werden.

2  Grundlagen des Tissue Engineerings Das Tissue Engineering wird unter anderem zur künstlichen Gewebezüchtung für die medizinische Regeneration eingesetzt. Zur Herstellung von Implantatmatrizen, dem Gerüst zum Gewebeaufbau, werden bioresorbierbare Polymere mittels Lasersintern verarbeitet.

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Im Folgenden werden die Grundlagen der Prozesskette zur Herstellung eines Implantats mittels TE und AM, die Anforderungen an die bioabbaubaren Implantatmatrizen und einige Beispiele medizinisch geeigneter Werkstoffe vorgestellt.

2.1  Prozesskette zur Herstellung eines Implantats mittels TE und AM Das Tissue Engineering (TE) befasst sich mit der Entwicklung bioartifizieller „Gewebe oder Gewebe-Ersatzsystemen zur Unterstützung oder Substitution von kranken Geweben oder Organen“ als mögliche Alternative zu einer Organtransplantation [3]. Der Verbund spezifischer Zellen mit Oberflächenbereichen der extrazellulären Matrix wird als Gewebe bezeichnet, dessen Funktion und Struktur auf den Wechselwirkungen von Gerüst/Zelle und Zelle/Zelle basieren. Gewebespezifische Zellen werden in der Regel durch enzymatische Methoden aus entnommenem Gewebematerial isoliert und ex vivo (außerhalb des Patienten) flächig expandiert. Zur geometrisch bestimmten Gewebebildung mittels Soft Tissue Engineering werden die vermehrten Zellen auf ein dreidimensionales Trägergerüst (Scaffold, Matrix) aufgebracht und in entsprechenden Gefäßen kultiviert. Verfahrenstechnisch automatisierte Kulturgefäße (Bioreaktoren) versorgen das mit Zellen besiedelte Scaffold stetig mit Nahrung/Sauerstoff und transportieren Stoffwechselprodukte/Kohlendioxid ab, damit das bioartifizielle Gewebe in  vitro (in Laborum­ gebung) vor der Transplantation reifen kann [4, 5]. Bei der Herstellung von Knochenimplantaten mittels Bone Tissue Engineering werden spezifische Knochenersatzmaterialien verarbeitet und ohne weitere Zellbesiedlung transplantiert. Durch die Integration der additiven Fertigung in die Prozessketten des Tissue Engineerings werden die Implantatmatrizen aus geeigneten Werkstoffen durch ein entsprechendes AM-Verfahren patientenspezifisch gefertigt [6–8].

2.2  Anforderungen an eine bioresorbierbare Implantatmatrix Die Leistungsfähigkeit einer additiv gefertigten Implantatmatrize (Scaffold) wird anhand der Biokompatibilität, Biodegradierbarkeit, Bioaktivität sowie geometrischer und mechanischer Eigenschaften bewertet. Das Implantat darf weder toxisch sein noch Abstoßungsreaktionen im Empfängerkörper verursachen. Die Degradationsgeschwindigkeit muss zeitlich so abgestimmt sein, sodass die Gewebefestigkeit über den gesamten Entstehungsprozess konstant bleibt. Bioaktive Werkstoffe sind durch die Einbeziehung biologischer Reize und Wachstumsfaktoren fähig eine aktive Bindung mit dem umliegenden ­Empfängergewebe aufzubauen. Die gewebe- und zellspezifische Makroporosität der Ma­ trix ermöglicht eine Zellmigration in die Gerüststruktur und die notwendige Versorgung mit Nährstoffen. Die Mikroporosität des Scaffolds dient der Flächenvergrößerung für die Gerüst/Zelle-Wechselwirkung. Die mechanische Festigkeit des Scaffolds ist im Idealfall, auch nach der Transplantation, identisch mit dem zu ersetzenden Gewebe. Im Kontext der

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additiven Fertigung ist die Biokompatibilität, Biodegradierbarkeit und Bioaktivität ein Werkstoffentwicklungsthema mit stark ausgeprägten Schnittstellen zur Medizin. Geometrische und mechanische Eigenschaften sind in Abhängigkeit des gewählten Werkstoffs auf geeigneten Maschinen mit einer entsprechenden Prozessstrategie zu fertigen ohne dabei die Leistungen des Implantats zu vermindern [9, 10]. Aufgrund der Möglichkeit zur stützstrukturfreien Fertigung von zellbesiedlungsfähigen Polymer-Scaffolds mit einer hohen mechanischen Festigkeit wird das Lasersintern als geeignetes AM-Verfahren zur Herstellung der Implantatmatrizen identifiziert.

2.3  Werkstoffe für bioresorbierbare Implantatmatrizen Die Anforderungen an die Biokompatibilität, Biodegradierbarkeit und der Bioaktivität des Scaffolds implizieren eine anwendungsgerechte Werkstoffwahl unter medizinischen Aspekten. Biologische Materialien unterteilen sich nach ihrer Herkunft. Autogenes Material wird dem Empfänger zuvor entnommen. Der Einsatz eines allogenen (gleiche Spezies/anderes Individuum) und xenogenen (andere Spezies) Materials hat das Risiko der Krankheitsübertragung und Antigenität. Synthetisches Biomaterial, im Kontext der additiven Fertigung besonders hervorzuheben, umfasst die Werkstoffgruppen der Polymere, Metalle und Keramiken. Die alloplastischen Materialien haben durch ihren synthetischen Ursprung kein Risiko bezüglich einer Krankheitsübertragung. Ein Kompositmaterial besteht aus organischen und anorganischen Komponenten [9–11]. Zum Lasersintern von bioresorbierbaren Implantatmatrizen werden im Rahmen der Forschung unter anderem bioresorbierbare Polymere (PCL: Polycaprolacton/PLA: Poly(Lactic Acid)/PGA: Poly(Glycolic Acid)/PLGA: Poly(Lactic-co-Glycolic Acid)), Biokeramiken (HA: Hydroxylapatit/TCP: Tricalciumphosphat) und Biogläser (Henchglas) und Verbundwerkstoffe aus den genannten Materialien verwendet [12].

3  Stand der Technik und Wissenschaft Die vorgestellten bioresorbierbaren Polymere sind aus medizinischer Perspektive für die Fertigung eines Implantats ideal geeignet, im Kontext des Lasersinterns jedoch als Sonderwerkstoff zu klassifizieren. Kommerziell ist nach dem aktuellen Stand der Technik weder eine spezifische Lasersintermaschine zur Verarbeitung von bioresorbierbaren Polymeren noch ein bioresorbierbares Lasersintermaterial erhältlich. Die mechatronischen Teilsysteme kommerzieller Lasersintermaschinen sind abgestimmt auf die Verwendung kommerzieller Lasersintermaterialien wie beispielsweise PA12 oder PEEK. Zur Verarbeitung eines bioresorbierbaren Werkstoffs in einer kommerziellen Lasersintermaschine muss aufgrund der spezifischen Werkstoffcharakteristik, die erheblich von den kommerziellen Lasersintermaterialien abweicht, zunächst eine Reihe an Modifikationen an der Maschine durchge-

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führt werden. Im Folgenden werden die im Rahmen der Forschung durchgeführten Modifikationen und bereits formulierten Herausforderungen bei der Wechselwirkung von bioresorbierbarem Material, Prozess und Maschine im Kontext der Maschinenentwicklung detailliert vorgestellt.

3.1  Bauraumverkleinerte Lasersintermaschinen und Prüfstände Zur Herstellung von Implantatmatrizen mittels Lasersintern werden im Bereich der Forschung sowohl kommerzielle Lasersintermaschinen als auch eigenentwickelte Prüfstände eingesetzt. Aufgrund der hohen Werkstoffpreise und der teilweise im Labormaßstab hergestellten Materialmengen sind die Bauräume der kommerziellen Lasersintermaschinen in den meisten Forschungsprojekten durch die Verwendung spezifischer Maschinenadapter (Bauraumverkleinerung) stark verkleinert. Der Pulverauftrag, die Inertisierung und der Laserenergieeintrag wird weiterhin mit den mechatronischen Teilsystemen der Basismaschine durchgeführt. Die Verarbeitung von Kleinstmengen PLGA auf einer kommerziellen DTM Sinterstation 2000 in Kombination mit einer vollintegrierten Bauraumverkleinerung fand erstmals im Jahr 2007 statt. Der eigenentwickelte Maschinenadapter, der in das Bauvolumen (Ø305 mm × 381 mm) der DTM Maschine eingesetzt wird, besitzt eine verkleinerte runde Bauplattform, zwei eckige Zuführplattformen und ist rundum mit Überlaufbehältern ausgestattet. Die drei Plattformen werden jeweils durch einen Schrittmotor angetrieben [13]. Für die DTM Sinterstation 2500 wurde ein mechanisch angetriebener Maschinenadapter mit einer verkleinerten Bauplattform von 80 mm × 100 mm entwickelt, die über eine Zahnstange mit der Bauplattform der Basismaschine verbunden ist. Durch eine entsprechende Kinematik löst eine Abwärtsbewegung der Bauplattform die Aufwärtsbewegung beider Pulverzuführplattformen aus [14]. Firma EOS entwickelte für die Formiga P110 (200 mm × 250 mm × 330 mm) einen Maschinenadapter, der das Bauvolumen der Maschine auf 60 mm × 75 mm × 75 mm reduziert. Bei der teilintegrierten Bauraumverkleinerung wird die hohe Stellgenauigkeit der Basismaschinen-z-Achse durch eine mechanische Kopplung auf die reduzierte Bauplattform übertragen [15]. Die Überlegenheit dieses OEM-Integrationsansatzes gegenüber einer Fremdmodifikation kommerzieller Maschinen besteht in der Umsetzung der Elektrik und der Anpassung der Steuersoftware. Kommerzielle Lasersintermaschinen aus dem Tiefpreissegment besitzen zwar kleine Bauräume, eignen sich durch ihre budgetbewusst entwickelten Teilsysteme lediglich zur Fertigung von Prototypen aus dunkel eingefärbten Polymeren. Einige wenige Forschungsgruppen aus Großbritannien [16], Aachen [17] und China [18] nutzten eigenentwickelte Prüfstände mit kleinen Bauräumen für die Verarbeitung der bioresorbierbaren Materialien. In der Regel werden dazu experimentelle Prozesskammern in Verbindung mit einem autark arbeitenden Lasermarkiersystem verwendet. Einige der Technologiedemonstratoren besitzen weder bewegliche Bauplattformen noch werden die Prozesskammern vor dem Laserenergieeintrag mit Stickstoff inertisiert.

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3.2  Aufheizvorgang und Temperaturregelbereiche Um den zum Aufschmelzen des bioresorbierbaren Werkstoffs nötigen Energiebetrag durch den Leistungslaser zu reduzieren, werden die Lasersintermaschinen auf einen Temperaturwert unterhalb der materialspezifischen Schmelz- bzw. Erweichungstemperatur vorgeheizt. Die gewählten Pulverbetttemperaturen zur Verarbeitung der bioresorbierbaren Werkstoffe, in der Regel amorphe Thermoplaste, liegen aufgrund ihrer Sekundärstruktur werkstoffspezifisch im Bereich zwischen 40  °C und 60  °C [19–21]. Da die Regler der Heizeinheiten kommerzieller Maschinen zur Verarbeitung von teilkristallinem PA12 für den Betrieb um 170 °C entworfen sind, ist die modifikationsfreie Übertragung der geringen Vorheiztemperaturwerte in der Regel nicht möglich. In vielen Anwendungen wird daher nicht vorgeheizt.

3.3  Laserenergieeintrag und Laserabschwächungssysteme Im Rahmen einer Prozessentwicklung mit bioresorbierbaren Werkstoffen wird die Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Spurabstand, Scanvektorlänge sowie die Schichtstärke in dem maschinenspezifisch zulässigen Wertebereich zur Bauteilschichtgenerierung variiert. Die Auswahl einer geeigneten Laserwellenlänge zur Verarbeitung des spezifischen Materials findet bei der Verwendung von kommerziellen Lasersintermaschinen, aufgrund des damit verbundenen Modifikationsaufwands, nicht statt. Bei dem Vergleich gewählter Laserleistungen werden auffallend geringe Werte im Bereich von unter 1W bis zu 10W zur Verarbeitung der resorbierbaren Werkstoffe gewählt [16, 17, 19, 22–26]. Da die Laserleistung nicht beliebig reduziert werden kann, werden behelfsmäßig Strahlabschwächungssysteme in Kombination mit vorhandenen CO2-Lasern verwendet, die allesamt eine Wellenlänge von 10,6 μm besitzen. Firma EOS weist im Kontext der Verarbeitung von PLA/TCP/ PCC auf die Verwendungsmöglichkeit eines CO2-Lasers mit einer maximalen Leistung von 10W hin [15].

4  Forschungsansatz Die durch die additive Fertigung erzeugte Bauteilqualität ist das Ergebnis eines komplexen Wechselwirkungsprozesses aus Material, Maschine und Prozess. Zur Herstellung filigraner Strukturen im Kontext des Lasersinterns muss sowohl die Maschine (z.  B.  Spotsize), das Material (z.  B.  Partikelgröße) als auch die Prozessführung (z. B. Scan-Strategie) technische Mindestvoraussetzungen erfüllen und gleichermaßen in Kombination zu einem reproduzierbaren Fertigungsergebnis führen. Bei der additiven Fertigung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen für das TE erhöht sich die Komplexität des Wechselwirkungsprozesses durch die spezifischen Qualitätsmerk-

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Abb 1  Erhebung der Anforderungen aus dem AM-Wechselwirkungsprinzip

male des Tissue Engineerings (vgl. Abb. 1 links). Um einen Beitrag zur zukünftigen Herstellung von bioresorbierbaren Polymer-­ Implantatmatrizen für das Tissue Engineering mittels Lasersintern zu leisten, soll das AM-Wechselwirkungsprinzip unter dem TE-Einfluss durch die Neuentwicklung einer grundlagenforschungstauglichen Maschine verbessert werden (vgl. Abb 1 rechts). Als Entwicklungsgrundlage werden diesbezüglich generelle Anforderungen an Lasersintermaschinen zur Herstellung von Implantaten integrativ aus dem AM-Wechsel­wirkungsprinzip und den Prozesserkenntnissen der Forschung erhoben. Auf Basis des nachträglich spezifizierten Anforderungskatalogs wird eine Lasersintermaschine durch die Anwendung der VDI Richtlinie 2221 [27] methodisch entwickelt. Allgemein gelten Anpassungen an dem Aufbau einer Maschine zur Verbesserung des Lasersinterprozesses als aufwändig. Die Produktstruktur einer grundlagenforschungstauglichen Lasersintermaschine muss im Gegensatz zu industriellen Produktionsmaschinen für einen regelmäßigen Austausch gewisser Baugruppen im Versuchsablauf ausgelegt sein. Da die Forschungsmaschine zunächst primär zur Prozessentwicklung mit bioresorbierbaren Polymeren verwendet werden soll, müssen die mechatronischen Teilsysteme für die Variation von Prozessparametern entsprechend konzipiert sein. Zur Erfüllung der skizzierten „Variabilität“ bzw. „Offenheit“ wird im Rahmen der Konzipierungsphase eine modulare Produktarchitektur erstellt. Die Systementwicklung erfolgt zur Wahrung der Allgemeingültigkeit weitestgehend materialunspezifisch. Gemäß dem V-Modell der VDI Richtlinie 2206 [28] werden die mechatronischen Teilsysteme der modularen Lasersintermaschine im Rahmen der Systemherstellung validiert. Damit die grundlagenforschungstaugliche Lasersintermaschine zukünftig zur Herstellung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen genutzt werden kann, muss in Abhängigkeit des gewählten bioresorbierbaren Polymers der Laser-Scanner-Dummy (Pilotlaser zu Demonstrationszwecken) durch ein m ­ aterialspezifisches Lasermodul samt Leistungslaser ersetzt werden. Diesbezüglich werden am Beispiel des bioresorbierbaren Copolymers PLGA Materialuntersuchungen durchgeführt. Auf Basis der Ergebnisse wird die Vorheiztemperatur, die zusätzlich durch den Laser einzubringende Temperaturerhöhung zum Aufschmelzen der Pulverpartikel und die geeignete Wellenlänge eines

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CO2-Lasers zum Lasersintern des PLGAs identifiziert. Dieses Vorgehen kann allgemein zur Weiterentwicklung von Lasermodulen kommerzieller Maschinen zur Verarbeitung von bioresorbierbaren Werkstoffen übertragen werden.

5  G  enerelle Anforderungen an Lasersintermaschinen zur Herstellung von Implantatmatrizen Durch die Entwicklung einer spezifischen Lasersintermaschine zur Implantatherstellung soll das beschriebene AM-Wechselwirkungswirkungsprinzip im Anwendungsbezug zielführend beeinflusst werden. Die Erhebung eindeutiger Anforderungen an die Maschine ist jedoch nach derzeitigem Entwicklungsstand der Technologie nicht möglich. Da weder ein spezifisches Material mit sämtlichen Eigenschaften, noch ein materialspezifischer Lasersinterprozess in hygienischer Umgebung exakt charakterisiert ist, muss die Maschine zur Grundlagenforschung geeignet sein. Die Hauptfunktion der neuartigen Maschine ist folglich die Untersuchung des Wechselwirkungsprozesses zur Verbesserung der spezifischen Merkmale der Wechselwirkungspartner, um zukünftig bioresorbierbare Implantatmatrizen mittels Lasersintern herstellen zu können. Die Wechselwirkungspartner „Material“ und „Prozess“ sind bei Auslegung einer Maschine eng miteinander verknüpft, müssen jedoch für die Erhebung der Anforderungen klar voneinander abgegrenzt werden. Unter dem Einfluss des Prozesses auf die Maschinenentwicklung werden jene Anforderungen an die Prozessführung erfasst, die eine materialspezifische Prozessentwicklung (z. B. Variation eines Softwareparameters) mit der bestehenden Maschine ermöglichen. Der Umbau spezifischer Bauteile oder Baugruppen (z. B. Austausch des Lasers) ist ein Eingriff in die Produktstruktur unter dem Einfluss des Materials und wird mit den Anforderungen an die Produktarchitektur adressiert. Ein Umbau kann unter Umständen zur Erhöhung bzw. Reduktion der Gesamtanzahl an Prozessparametern führen. Der Einfluss des Tissue Engineerings auf die Maschinenentwicklung wird in den Anforderungen aus dem medizinischen Gerätebau berücksichtigt. Anforderungen an die Prozessführung: • • • • • •

Großer Einstellbereich der Prozessparameter, Möglichkeit der Regelung zielführender Prozessparameter, Kenntnis über die parameterspezifische Leistungsfähigkeit der Teilsysteme, Möglichkeit zur vorübergehenden Integration zusätzlicher Messtechnik, Data Logging sämtlicher Prozessparameter, Möglichkeit zur Anpassung der Steuersoftware.

Anforderungen an die Produktarchitektur: • Hohes Maß an Modularität, • Modifikationsfreundliche Produktstruktur,

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• • • • • •

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Erweiterbarkeit des Steuersystems, Kleines Bauvolumen zur wirtschaftlichen Fertigung filigraner Strukturen, Bevorzugte Verwendung von multifunktionalen Teilsystemen, Bevorzugte Verwendung von geregelten Teilsystemen, Einsatz spezifischer Sensorik, Kenntnis über die komponentenspezifische Leistungsfähigkeit der Teilsysteme.

Anforderungen aus dem medizinischen Gerätebau: • • • • • • •

Bevorzugte Verwendung von hygienegerechten Werkstoffen, Reinigungsgerechte Gestaltung sämtlicher Bauteilgeometrien, Hygienegerechte Gestaltung von Bauteilverbindungen, Vermeidung von Toträumen in Baugruppen, Fertigung qualitativ hochwertiger Oberflächenbeschaffenheiten, Bevorzugte Verwendung von hygienekonformen Zukaufteilen, Einsatz einer medizinischen Gasversorgung zur Inertisierung.

6  Methodische Entwicklung einer Lasersintermaschine Das generelle Vorgehen bei der Neuentwicklung der Lasersintermaschine entspricht der VDI Richtlinie 2221 [27]. Auf Basis der spezifizierten Anforderungsliste, intensiver Marktrecherche zur Identifikation prinzipieller Lösungen und anwendbarer Teilsysteme wird unter Berücksichtigung der vorhandenen Ressourcen ein modulares Konzept (vgl. Systemvorstudie) erstellt. Im Rahmen der Entwurfs- und Ausarbeitungsphase werden für jedes Modul verschiedene Vorentwürfe erstellt, in einem morphologischen Kasten miteinander verglichen und bewertet. Auf Basis der Ergebnisse wird ein Gesamtentwurf vollständig ausgearbeitet und zur Fertigung vorbereitet. Ist das jeweilige Modul hergestellt und die zugehörige Elektronik aufgebaut, erfolgt die Inbetriebnahme der modulspezifischen Teilsysteme.

6.1  Systemvorstudie Zur Entwicklung der modularen Lasersintermaschine werden zunächst die generellen Anforderungen an Lasersintermaschinen zur Implantatherstellung aus Abschn. 5 spezifiziert. Zugunsten der Modularität der Produktarchitektur werden die Anforderungen an die hygienegerechte Gestaltung der Bauteilgeometrien, Verbindungen und Baugruppen ­vermindert priorisiert. Für die Absicherung der Grundlagenforschungstauglichkeit werden sämtliche Bauteilverbindungen, entgegen hygienegerechter Gestaltungsrichtlinien, lösbar gestaltet. Zur Verkürzung der Entwicklungszeit durch eine Parallelisierung der Konstruktionsprozesse, Definition von Meilensteinen und der Möglichkeit zur Inbetriebnahme einzelner

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Abb. 2  Modularisierungskonzept zur Entwicklung der Lasersintermaschine

Baugruppen wird die Produktarchitektur der Lasersintermaschine im Rahmen der Konzipierungsphase in sieben Module (plus ein Submodul) unterteilt. Die Bezeichnung, Anordnung und Farbcodierung des jeweiligen Moduls ist in Abb. 2 dargestellt. Die spezifischen Baugruppen der Module werden auf horizontal verlaufenden Etagen (Antriebsetage unten/Prozessetage mittig/Laseretage oben) angeordnet, die anschließend mit dem Grundrahmen verbunden und in horizontaler Richtung zueinander ausgerichtet werden. Auf der Oberseite der Prozessetage und der Unterseite der Laseretage ist jeweils eine Rahmenplatte (Prozessrahmenplatte/Laserrahmenplatte) mit spezifischem Bohrmuster montiert. Das Prozessgasgehäuse entsteht durch die Montage von Prozesseinsatzplatte (unten), Lasereinsatzplatte (oben) und den vertikal verlaufenden Prozesskammerwänden (links/ rechts). Zur Variation der Prozesskammerhöhe (Einfluss auf Laserspotsize) kann die Laseretage samt Rahmen- und Einsatzplatte in vertikaler Richtung verschoben werden. Die Elektronik der mechatronischen Teilsysteme ist in einem rollbaren Schaltschrank neben der Lasersintermaschine verbaut. Auf dem Baustempel (Bauplattform) des Baustempelmoduls werden die Bauteile schichtweise aufgebaut. Die Abwärtsbewegung des Baustempels in dem Baustempelgehäuse geschieht durch eine positionsgeregelte Hubantriebseinheit. Alle Stempel und ­Gehäuse von Baustempel- bzw. Pulverzuführmodul sind jeweils mit einer elektrischen Heizung ausgestattet. Unterhalb der zum Baustempelmodul zugehörigen Prozesseinsatzplatte befindet sich das Pulverzuführmodul. Vor Prozessstart werden die Pulverzuführgehäuse gleichmäßig mit dem zu verarbeitenden Pulver befüllt, das durch die

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­ ufwärtsbewegung der Pulverzuführstempel (robustes DTM-Konzept) zur ProzesseA bene transportiert wird. Überschüssiges Pulver gelangt durch Aussparungen in der Prozesseinsatzplatte in die Überlaufbehälter. Die Aufwärtsbewegung der Pulverzuführstempel wird analog zum Baustempelmodul durch die Verwendung von Hubantriebseinheiten realisiert. Der Pulvertransport aus den Pulverzuführungen zum Baustempel geschieht durch das Pulverauftragsmodul. Die horizontale Bewegung der wechselbaren Beschichtereinheit über der Prozessebene wird durch ein geschwindigkeitsgeregeltes Antriebssystem umgesetzt. Das Prozessgasmodul schützt das zu verarbeitende Pulver durch Inertisierung gegen Brandgefahr, Autooxidation oder biologischen Prozessen. Beim Inertisieren wird Luft und der darin enthaltene Sauerstoff durch ein reaktionsträges Inertgas (z. B. Stickstoff) verdrängt. Das Inertgas wird aus einem Druckbehälter mittels Regelventil über das Laserglas (Selbstreinigungseffekt) in die gedichtete Prozesskammer g­ eleitet. Über eine ­Restsauerstoffmessung in der ­Prozesskammer wird bestimmt, ob eine weitere Prozessgaseinleitung notwendig ist. Das Lasermodul besteht aus einer CO2-Leistungslaserquelle und einem Ablenksystem (Galvano-Scanner). Das dargestellte IR-Heizmodul zwischen Prozess- und Laseretage heizt in industriellen PA12-Lasersintermaschinen die Pulverbettoberfläche auf. Da der Einfluss der infraroten Strahlung auf die Bioaktivität des Biomaterials derzeit [15] unerforscht ist, wird dieses Modul vorerst nicht hergestellt.

6.2  Systementwicklung Zur Entwicklung des Maschinengestells, der Basis der modularen Lasersintermaschine, muss neben der Konstruktion des Grundrahmens aus stranggepressten Aluminiumprofilen ein modulübergreifendes Steuersystem festgelegt werden. Die Möglichkeit der sukzessiven Maschinenerweiterung, sowohl auf Software- als auch auf Hardwareseite, ist dabei ein wesentlicher Faktor. Um den Anwendungsprogrammieraufwand zur Erstellung der Steuersoftware zu reduzieren, muss eine durchgängig bibliotheksfähige Programmiersprache gewählt werden. Weiterhin wird der notwendige Zeiteinsatz zur Einarbeitung für Nicht-Informatiker in SPS bzw. C-Sprachen als unverhältnismäßig hoch eingeschätzt. Nach Abwägung der verschiedenen Möglichkeiten wird festgelegt, dass die Programmierung des Steuersystems ausschließlich in LabVIEW erfolgt. In dieser von National In­ struments entwickelten Programmierumgebung verdrahtet der Benutzer Symbole nach dem Datenflussprinzip in einem Blockdiagramm. Der dabei generierte Code wird durch einen Kompiliervorgang in Maschinensprache übersetzt und gilt als vergleichsweise leicht verständlich. Zur Steuerung und Regelung der mechatronischen Teilsysteme der Maschine ist ein eingebetteter NI CompactRIO-Controller gewählt. Alle Sensoren und Aktoren der Lasersintermaschine kommunizieren deterministisch über das echtzeitfähige ­Ethernet-­Protokoll EtherCAT mit dem cRIO 9035 als EtherCAT-Master [29]. Zur Verarbeitung von analogen und digitalen Signalen werden die NI C-Module (vgl. Abb. 6) in den cRIO-­Controllerkörper eingesteckt. Die nachgerüsteten Kanäle werden in LabVIEW

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Abb. 3  CAD-Konstruktion der modularen Lasersintermaschine

angezeigt und können dort softwaretechnisch in den Prozess eingebunden werden. Durch die Integration eines Erweiterungschassis wird die Anzahl an verfügbaren Steckplätzen vergrößert. Die Entwicklung des Baustempel- und Pulverzuführmoduls kann aufgrund der starken Ähnlichkeit zusammengefasst werden. Der Bauraum einer Lasersinteranlage beschränkt das maximale Abmaß des zu fertigenden Bauteils. Das Bauvolumen von Ø65 mm × 80 mm der modularen Lasersintermaschine ist für die Fertigung von Herzklappen-Scaffolds und kleiner Zugprobenkörper mit einem kugelförmigen Hüllkörper (beliebige Bauteilorientierung im Bauvolumen) von Ø60 mm konzipiert. Die Pulverzuführvolumina sind identisch zum Bauvolumen ausgeführt und nehmen folglich eine ausreichend große (Verhältnis 2:1) Pulvermenge zur Bauraumbefüllung auf. Die Abb. 3 stellt die in SolidWorks konstruierte Maschine dar. In den Gehäusen (vgl. Schnittansicht in Abb. 3), die von der Unterseite an die Prozesseinsatzplatte geschraubt sind, werden in der vertikal verlaufenden z-Richtung Stempelbaugruppen durch zugehörige Hubantriebsbaugruppen positioniert. Jede Hubantriebsbaugruppe ist aus einem Bosch Rexroth MSK040C Motor, einem Bosch Rexroth Elektrozylinder EMC-040 und einer modifizierten Festo FENG-40 Führungseinheit aufgebaut. Die geforderte Positioniergenauigkeit von weniger als 5 μm wird durch den Einsatz eines hochauflösenden Absolutwert-Drehgebersystems erfüllt. Der Korpus der Führungseinheit ist in horizontaler Richtung beidseitig an jeweils eine Aufnahmeplatte geschraubt. Das Gehäuse des elektromechanischen Zylinders wird in vertikaler Richtung mit dem Korpus verbunden. Die Kolbenstange des Elektrozylinders wird an der Unterseite der Jochplatte der Führungseinheit befestigt. Ist das Hubantriebsbaugruppenpaket (3× Hubantriebsbaugruppe/ 2× Aufnahmeplatte) mit der Antriebsetage ­verbunden, können die Stempelbaugruppen auf der Oberseite der Jochplatten verschraubt

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Abb. 4  Ansichten von Pulverauftrags- und Prozessgasmodul

werden. Das Stempeloberteil (Ø64 mm) der Stempelbaugruppe ist durch die Verwendung einer doppeltwirkenden Kolbendichtung (PTFE) gegenüber der Innenwandung der Baustempel- bzw. Pulverzuführgehäuse gedichtet und kann konstruktiv bedingt einen Axialversatz von 1,5  mm ausgleichen. An den Gehäuse-Mantelflächen und in den Stempel-­ Oberteilen sind geregelte elektrische Heizelemente (bis 80 °C) verbaut. Alle metallischen Bauteile der produktberührten Oberflächen sind aus dem korrosionsbeständigen Edelstahl 1,4404 gefertigt. Das Pulverauftragsmodul, dargestellt in Abb.  4, dient der horizontalen

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Abb. 5  Lasereinsatzplatte, Laser-Scanner-Dummy und Massendurchflussregler

Bewegung eines Auftragsschlittens (aus 1,4404) oberhalb der Prozessebene. Durch die Verwendung von Doppelwagen-Linearführungen wird die Auftragsschlittenbewegung geführt. Die Aluminium-Grundplatten (nicht-produktberührte Oberflächen) der Antriebs- und Lagerbaugruppe sind auf der Oberseite der Prozessetage montiert. Der Antrieb des Auftragsschlittens wird durch einen hitzebeständigen, bei der Firma Misumi konfigurierten, Kugelgewindetrieb und einem direkt gekuppelten Bosch Rexroth MSK040C Synchron Servomotor realisiert. Die absolute Position der Beschichtereinheit wird, analog zu den Hubantrieben, aus dem Wert des Multiturn-Motordrehgebers und der Steigung des Gewindetriebs berechnet. Die Beschichtereinheit wird in den Auftragsschlitten eingeschraubt. Umgesetzt sind bislang die Beschichtereinheiten mit starrer Klinge und rotierender Rolle. Eine fluidisierende Beschichtereinheit (vgl. Abschn. 7.1) ist ausgearbeitet. Das Prozessgasmodul besteht aus einem gedichteten 5-Kammer-Prozessgasgehäuse (vgl. Abb.  4 unten) und einer massendurchflussgeregelten Prozessgasversorgung (vgl. Abb.  5). Die beidseitig türgängige und beleuchtete Prozesskammer (mittig) unterteilt sich in Türrahmenplatten (montiert an die Vorder- und Rückseite der Prozess- und Laseretage) mit aufgeschraubter Türbaugruppe und den Prozesskammerwandbaugruppen. Aufgrund der Nähe zum Fertigungsprozess und dem damit verbundenen Kontaminationsrisiko der additiv gefertigten Produkte ist der Innenbereich der Prozesskammer in 1,4404 ausgeführt. Die Sicherheits-Schaltscharniere der Türbaugruppe ermöglichen eine durch integrierte Sicherheitsschalter überwachte Türöffnung in einem Schwenkbereich von bis zu 180°. Ab einem zuvor eingestellten Öffnungswinkel werden die insgesamt vier Öffner- und Schließerkontakte in dem Scharnier betätigt, die redundant einen Schutzkreis unterbrechen und gleichzeitig ein zusätzliches Signal ausgeben. Im Bereich des Bauvolumens sind zwei Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren in die Prozesskammerwandbaugruppen eingeschraubt, die den Restsauerstoffgehalt redundant innerhalb der Prozesskammer ­messen.

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Abb. 6  Aufbau der Datenverarbeitung mit einem NI CompactRIO als Steuersystem

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Das Prozessgas wird durch einen Bronkhorst El-Flow Massendurchflussregler von der Oberseite der Lasereinsatzplatte eingeleitet. Auf der Unterseite der Lasereinsatzplatte ist eine Laserglas-Prozessgas-Armatur (nicht dargestellt) montiert, die der Aufnahme eines speziellen Laserglases und der Prozessgaseinleitung in die Prozesskammer dient. Die Gasströmung wird auf der Oberseite der Armatur eingeleitet, innerhalb der Baugruppe um 90° umgelenkt und durch einen Diffusor hindurch laminar über die Unterseite des Laserglases geführt. Durch eine konstante Gaseinleitung wird die betriebsbedingte Verschmutzung des Laserglases reduziert und eine Kondensation vermieden. Durch das Überdruckventil auf der Auslassseite kann der Prozesskammerinnendruck einen Wert von 0,2 bar nicht übersteigen. Zu Demonstrations- und Lehrzwecken wurde ein ausgesondertes Lasermarkiersystem in seine Einzelkomponenten zerlegt, geprüft und zu einem funktionsfähigen Laser-Scanner-Dummy rekombiniert. Der Galvano-Scanner der Firma Scanlab ist für eine Wellenlänge von 1064 nm (Faserlaser) ausgelegt. Das Zinkselenid-Glas (Laserglas) ist für den Einsatz eines CO2-Lasers (Wellenlänge 9 μm–11 μm) vorbereitet. Ein geeignetes Lasermodul wird zur materialspezifischen Prozessentwicklung gemäß Abschn. 7.3 ergänzt. Der Aufbau der Datenverarbeitung der mechatronischen Teilsysteme der modularen Lasersintermaschine ist in Abb. 6 zusammengefasst dargestellt. Die Bedienung der Maschine geschieht über eine auf dem Touchscreen befindliche graphische Benutzeroberfläche. Der Host-Computer wird lediglich zur Einrichtung der Rexroth Antriebe und der LabVIEW-Programmierung des cRIOCon­trollers verwendet. Ist die Steuersoftware auf dem CompactRIO installiert, kann der Host-Computer aus dem TCP/IP-Netzwerk entfernt werden.

6.3  Systemherstellung Die Abb. 7 stellt Fotos der modularen Lasersintermaschine an der TU Berlin dar.

7  M  aterialspezifische Weiterentwicklung der Maschine am Beispiel des bioresorbierbaren Copolymers PLGA Damit die modulare Lasersintermaschine zukünftig zur Herstellung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen genutzt werden kann, muss in Abhängigkeit des gewählten Ausgangsmaterials ein geeignetes Lasermodul nachgerüstet werden. Im Folgenden wird die materialspezifische Weiterentwicklung der Maschine am Beispiel von PLGA, einem bioresorbierbaren Copolymer aus Polymilchsäure (PLA) und Polyglycolsäure (PGA), exemplarisch durchgeführt. Der FDA-zertifizierte Werkstoff Purasorb PLG 8531 der Firma Corbion Purac ist ein Poly(L-Lactide-co-Glycolic Acid) mit einem mittleren Molverhältnis PLLA zu PGA von 85:15. Dieser Werkstoff ist nicht spezifisch als Ausgangsmaterial für den Lasersinterprozess entwickelt, erfüllt als Thermoplast jedoch die Grundvoraussetzung für die Verwendung als Lasersintermaterial. Zur normkonformen [30] Analysevorbereitung wird das Purasorb PLG 8531 kryogen vermahlen und gesiebt. Nach Durchführung des Aufbereitungsprozesses

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Abb. 7  Fotos der modularen Lasersintermaschine der TU Berlin/Fachgebiet MPM

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entspricht die mittlere Partikelgröße des PLGA-Materials der mittleren Partikelgröße eines gewöhnlichen Lasersintermaterials. Die thermischen Eigenschaften werden mittels DSC-Messverfahren bestimmt. Durch die Auswertung der Messergebnisse lassen sich die materialspezifischen Vorheiztemperaturen und die zusätzlich durch den Laser einzubringende Temperaturerhöhung zum Aufschmelzen der Pulverpartikel identifizieren. Zur Bestimmung der optischen Eigenschaften des PLGA-Materials werden FTIR-Messungen (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) durchgeführt. Neben der industriellen Standardwellenlänge von 10,6 μm (Wellenzahl 943/cm) zum Lasersintern von Polymeren sind die CO2-Laser in der Regel auch mit einer Wellenlänge von 10,3 μm (Wellenzahl 970/cm), 9,6 μm (Wellenzahl 1041/cm) oder 9,3 μm (Wellenzahl 1075/cm) kommerziell erhältlich. Durch die Auswertung der FTIR-Messungen wird eine geeignete Wellenlänge für das Lasermodul zum Lasersintern des PLGA-Werkstoffs abschließend identifiziert.

7.1  Mechanische Korngrößenreduktion des Ausgangsmaterials Die Abb.  8 (vgl. linkes Foto auf Millimeterpapier) stellt das Purasorb PLG 8531 im Lieferzustand dar. Die mittlere Partikelgröße beträgt 2  mm, wodurch ein generativer ­Bauteilaufbau mit einer Schichtstärke von 100 μm ohne Nachbehandlung des Materials folglich nicht möglich ist. Der angewendete Pulveraufbereitungsprozess, angelehnt an [31], umfasst die kryogene Vermahlung mit einer Retsch CryoMill und dem Vibrationssieben mit einer Retsch AS 200 control. Zur mechanischen Zerkleinerung des wärmeempfindlichen PLGA-Materials wird das in dem Mahlbecher befindliche PLGA auf eine Temperatur von -196 °C gebracht und versprödet. Führt der Mahlbecher der CryoMill in horizontaler Lage eine kreisbogenförmige Schwingung aus, zerkleinert die in dem Mahlbecher befindliche Mahlkugel das PLGA. Die Vibrationssiebmaschine führt mittels elektromagnetischem Antrieb eine mit einem Drehimpuls überlagerte, dreidi-

Abb. 8  PLGA im Kaufzustand (links) bzw. nach dem Aufbereitungsprozess (rechts)

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mensionale Wurfbewegung aus. Dabei wird das zuvor eingefüllte, gemahlene PLGA gleichmäßig über die Siebfläche bewegt und in Abhängigkeit von Korngröße und Siebmaschenweite voneinander getrennt. Die Pulverpartikel besitzen nach dem Aufbereitungsprozess eine mittlere Partikelgröße (vgl. Abb. 8 rechts) von kleiner 75 μm. Anhand der REM-Aufnahme (Maßstabsbalken 200  μm) in Abb.  8 lässt sich feststellen, dass der Mahlprozess das PLGA in poröse, inhomogene Partikel ­zerkleinert. Weder die Kornform noch die Sphärizität des gemahlenen PLGAs entspricht dabei einem gewöhnlichen Lasersintermaterial. Aufgrund visueller Begutachtung des aufbereiteten PLGA-Materials ist davon auszugehen, dass die Verarbeitung in der vorliegenden Form auf einer unmodifizierten Lasersintermaschine lediglich begrenzt möglich ist. Der Pulverauftrag mittels gewöhnlicher Klinge würde durch eine mangelnde Fließfähigkeit des Schüttguts zu einem inhomogenen Pulverbett führen. Zur Kompensation der dargestellten Pulvereigenschaften muss der Pulverauftrag des in dieser Form aufbereiteten PLGAs mittels fluidisierender Beschichtereinheit [17, 32] durchgeführt werden. Die Integration einer solchen Beschichtereinheit in die modulare Lasersintermaschine ist problemlos möglich.

7.2  DSC-Messungen zur Bestimmung thermischer Eigenschaften Das DSC-Messverfahren (Differential Scanning Calorimetry) ist ein thermoanalytisches Verfahren zur Messung von aufgenommener (endothermer, positive Wärmestromdifferenz) und abgegebener (exothermer, negative Wärmestromdifferenz) Wärmemenge einer Materialprobe innerhalb eines kontrollierten Temperaturprogramms [33]. Im Kontext des Lasersinterprozesses werden DSC-Messungen unter anderem zur quantitativen Erfassung von Schmelz-, Kristallisations- oder Glasübergangstemperaturen der amorphen oder teilkristallinen Ausgangswerkstoffe verwendet. Untersucht wurde das amorphe PLGA und ein teilkristallines PA12 (Lasersintermaterial EOS PA2200) mit einem Kalorimeter des Typs DSC 7 der Firma PerkinElmer (vgl. Abb. 9) bei einer Heiz- bzw. Kühlrate von 10 °C/ min. Beim Lasersintern werden die vorgewärmten Polymer-Pulverpartikel mittels Laserenergieeintrag örtlich aufgeschmolzen. Durch die kurzzeitig wirkende Temperaturerhöhung über den Wert von Ti,m (initial melting) fließen die Pulverpartikel durch die Laser-­ Pulver-­Wechselwirkung ineinander und bilden nach dem Abkühlen den entsprechenden Bauteilbereich aus. Dabei kommt es in Abhängigkeit der Temperaturerhöhung und der Wechselwirkungsdauer zwischen den Partikeln entweder zur Ausbildung von Sinterhälsen (Sintern), zu einer vollständigen Koaleszenz (Schmelzen) oder zur Zersetzung des Materials [34]. Durch das Vorheizen der Pulverpartikel reduziert sich der Wärmebetrag den der Laser zusätzlich zum Aufschmelzen einbringen muss. Für den Pulverauftrag über der Bauplattform müssen die Partikel in einem festen Aggregatzustand sein. Ist die materialspezifische Vorheiztemperatur zu hoch gewählt, fließen die Partikel bereits ohne zusätzli-

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Abb. 9  DSC-Kurvenverläufe vom Lasersintermaterial PA12 und dem PLGA-Material

chen Laserenergieeintrag unbeabsichtigt ineinander. Aufgrund der abweichenden ­Makromolekülstruktur amorpher und teilkristalliner Thermoplaste unterscheidet sich die Prozessführung deutlich voneinander [35]. Die Vorheiztemperatur zur Verarbeitung von PA12 sollte knapp unter 171 °C gewählt werden. Thermoplastische Fließvorgänge treten bei teilkristallinen Thermoplasten schlagartig oberhalb der Kristallitschmelztemperatur (T > Ti,m) auf. Zum Aufschmelzen der Partikel muss der Laser dementsprechend nur wenige Kelvin in das Pulverbett hinzufügen. Zur Vermeidung unerwünschter Rekristallisationsvorgänge (initial crystallization, T