3D-Druck beleuchtet

Seit Chuck Hull 1986 mit der Stereolithografie die erste 3D-Druck Technologie zum Patent anmeldete, entwickelte sich eine ganze Bandbreite von Anwendungsbereichen, welche sich unter dem Begriff des Additive Manufacturing zusammenfassen lassen. Bedingt durch die Vorteile gegenüber konventioneller Verfahren, wie beispielsweise der werkzeuglosen Formgebung oder der Möglichkeit zur Herstellung nahezu beliebiger Bauteilgeometrien, etablieren sich diese Verfahren in immer mehr Branchen. Neben der Heimanwendung von kleiner Maschinen durch den Endkunden ist besonders in der industriellen Anwendung des Additive Manufacturing ein beachtlicher Entwicklungsfortschritt deutlich. So haben sich in jüngster Zeit die Baugeschwindigkeit, die Zuverlässigkeit und Genauigkeit, die Fertigungsqualität und die Anschaffungskosten von Additive Manufacturing Anlagen erheblich verbessert.

Verglichen mit konventionellen Verfahren ist das Additive Manufacturing eine relativ junge Technologie. Bedingt durch die Möglichkeiten, welche aufgrund des werkzeuglosen Schichtaufbaus möglich sind, erlang das Additive Manufacturing in jüngster Zeit eine zunehmende Verbreitung. Durch die stetige Verbesserung der Additive Manufacturing Technologien, beispielsweise hinsichtlich einer höheren Baugeschwindigkeit, der verbesserten Zuverlässigkeit und Fertigungsqualität oder der Erhöhung der Genauigkeit, erfolgt eine zunehmende Etablierung in verschiedensten Anwendungsgebieten. Neben der Verwendung im Endkundenbereich, unter Verwendung günstiger Maschinen, etablieren sich Additive Manufacturing Verfahren besonders im industriellen Kontext. Durch die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien können viele Einsatzmöglichkeiten adressiert werden. Zur Abschätzung der Chancen und Herausforderungen für das Additive Manufacturing in der Produktentwicklung, fokussieren sich die folgenden Untersuchungen auf den industriellen Anwendungsbereich. Nach der Betrachtung grundsätzlicher Einsatzmöglichkeiten im Produktentstehungsprozess werden unterschiedliche Additive Manufacturing Technologien untersucht, strukturiert dargestellt und deren Potenzial zur Eingliederung in die Produktentwicklung betrachtet. Anhand eines generalisierten Additive Manufacturing Prozesses werden unterschiedliche Demonstratorbauteile den verschiedenen Technologien zugeordnet.

Laserbasierte additive Fertigungsverfahren haben eine hohe industrielle Relevanz, da sie Defizite von konventionellen Verfahren wie geringe Festigkeiten im Bauteil und die Auflösung überwinden. Laserstrahlung ist hochenergetisch, gut fokussierbar und im Prozess leicht zu führen, wodurch eine lokale Interaktion der Strahlung mit dem Werkstoff erzielt werden kann. Mit dem Laser können Pulverwerkstoffe lokal aufgeschmolzen werden und somit Bauteile aus Kunststoff im Selektiven Lasersintern oder aus Metall im Selektiven Laserstrahlschmelzen erzeugt werden. Besonders im Bereich der Metalle können eine vollständige Dichte im Bauteil sowie Eigenschaften wie von gegossenen Bauteilen eingestellt werden, womit diese zur Fertigung einsatzbereiter Bauteile geeignet sind. Darüber hinaus können mit dem Laser somit Harze (Präpolymere oder Monomere) in der Stereolithografie und Zweiphotonenpolymerisation polymerisiert und hochpräzise Bauteile im industriellen Maßstab erzeugt werden. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die derzeitigen relevanten laserbasierten additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe und Metalle und stellt die Merkmale sowie die zentralen Vor- und Nachteile vor.

Im Rahmen sich erhöhender Energiepreise und der steigenden Notwendigkeit von effizienten Prozessen zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit, sowohl in der Fertigung als auch der Anwendung technischer Systeme, rückt der Trend zur Nachhaltigkeit immer weiter in den Fokus. In diesem Artikel wird die Nachhaltigkeit der additiven Fertigung mit der der spanenden Bearbeitung durch einen Vergleich anhand eines Demonstratorbauteils untersucht. Es wird der Begriff der Nachhaltigkeit betrachtet sowie eine Definition, bezogen auf den Produktlebenszyklus, formuliert. Darauf basierend werden die Prozessketten beider Fertigungsverfahren verglichen und Energiefaktoren ermittelt. Anschließend wird eine Berechnung anhand eines Demonstrators aus der Automobilindustrie in einer Fallstudie durchgeführt. Das Ergebnis zeigt einen relativen Vergleich der Fertigungsverfahren zueinander. In Kennzahlen und Tabellen wird der Lösungsraum erweitert.

Eine restriktionsgerechte Bauteilgestaltung ermöglicht einen zielführenden Einsatz des Additive Manufacturing, da (Ultra-) Leichtbau Komponenten, mit organischen Formen und beliebigen Hinterschnitten wirtschaftlich hergestellt werden können. Mit Fokussierung auf das Selektive Laserstrahlschmelzen werden zu Beginn dieses Beitrags Anforderungen an ein Bauteil untersucht, welche für die Gestaltung von Additive Manufacturing Bauteilen berücksichtigt werden müssen. Basierend auf dem Demonstratorbauteil eines Radträgers werden Herangehensweisen zur Bauteilgestaltung untersucht. Dabei können eine wirkflächenbasierte Gestaltung, die Gestaltung unter Zuhilfenahme der Topologieoptimierung sowie die Gestaltung nach bionischen Analogien identifiziert werden. Herausfordernde Aspekte dieser Vorgehensweise werden explizit untersucht und in der Auswirkung auf die Bauteilgestaltung beschrieben. Neben der Beschreibung werden abschließend exemplarisch Bauteilvarianten des Demonstrators aufgezeigt und unter Zuhilfenahme der Finite-Element-Methode analysiert.

Das vorliegende Kapitel zeigt Untersuchungen eines entwickelten Reparaturverfahrens von Aluminiumbauteilen. Dieses basiert auf dem Selektiven Laserstrahlschmelzen. Das dargestellte Reparaturverfahren, das sog. Rapid Repair, wird auf Basis einiger Demonstratoren untersucht und Aspekte der Validierung hervorgehoben. Weiterhin werden Anwendungsbereiche definiert, welche neben der Reparatur von bestehenden Komponenten, vor allem in der Herstellung von Hohlteilen zu finden ist. Bei der Herstellung von Hohlteilen ergibt sich dadurch das Potential, die innere Bauteiltopologie durch Strukturelemente zu ergänzen.

Basierend auf unterschiedlichen Case Studies werden die Einsatzmöglichkeiten weiter analysiert. Neben der Beschreibung mechanischer und struktureller Eigenschaften, wird weiterhin die Auswirkung der Positionierung der Bauteile im Bauraum untersucht. Ein abschließendes Fazit zeigt die Einsatzpotentiale des Rapid Repairs auf.

Der vorliegende Beitrag stellt dar, inwieweit Verfahren des Additive Manufacturing für die Individualisierung von Produkten eingesetzt werden können. Als Geschäftsmodell wird hierfür die kundenindividuelle Massenfertigung vorgestellt, bei der variable, durch den Kunden ggf. mitentwickelte Produkte durch stabile und flexible Fertigungsverfahren mit der Effizienz der Massenproduktion hergestellt werden können. Innerhalb des Geschäftsmodells werden grundsätzliche Formen der Individualisierung vorgestellt und auf ihr Anwendungspotenzial für Additive Manufacturing untersucht. Am Beispiel einer individualisierbaren Teemaschine wird das identifizierte Rahmenwerk näher erläutert und die Umsetzung des kundenbasierten Co-Design-Prozesses mit dem Rechnerwerkzeug des Konstruktionskonfigurators visualisiert.

Der zunehmende Einsatz von Additive Manufacturing Bauteilen führt zu einer Notwendigkeit der Betrachtung optischer Eigenschaften solcher Produkte. Beim Einsatz optischer Komponenten spielen insbesondere Oberflächeneigenschaften wie auch Formtreue eine große Rolle. Durch die Verwendung von Additive Manufacturing Bauteilen in Kombination mit neuartigen Lichtquellen ergeben sich neben einer hohen Leuchtdichte und einer möglichen Effizienzsteigerung ebenfalls Möglichkeiten zur Umsetzung neuartiger Design-Konzepte. Für die vorliegende Untersuchung wird aufbauend auf dem Konzept des sogenannten „Remote Phosphor“ eine weiße Laserlichtquelle eingesetzt. Dazu wird mit der Energie aus blauen Laserdioden ein Leuchtstoff angeregt und das so erzeugt weiße Licht wird in einem Fernlichtmodul für einen Fahrzeugfrontscheinwerfer als Quelle eingesetzt. Für die Herstellung des Reflektormoduls werden die Verfahren Hochgeschwindigkeitsfräsen und Lasersintern („Selective Laser Melting“) eingesetzt und gegenübergestellt. Dazu werden spektrale Reflexionsgrade der Materialien untersucht. Weiterhin werden die Module hinsichtlich der Effizienz und der Licht-verteilung bewertet. Abschließend wird ebenfalls die Reduzierung von Fertigungszeiten und -kosten ist betrachtet.

Additive Manufacturing hat in den vergangenen Jahren in mehrfacher Hinsicht, Einfluss auf die Entwicklung im Industrial Design gezeigt. Zunächst werden die Technologien des Additive Manufacturing als Erweiterung verfügbarer Möglichkeiten des Prototypenbaus, insbesondere im Zusammenspiel der Modellierung in 3D-Konstruktions- und Designsystemen, herangezogen. Des Weiteren ermöglicht das Additive Manufacturing bisher nicht herstellbarer Gestaltungsmöglichkeiten, was in einer völlig neue Formsprachen mit beliebiger Funktionsintegrationen resultiert. Neben der direkten Auswirkung des Additive Manufacturing auf die Qualität von (Muster-) Bauteilen ergeben sich neue Möglichkeiten der Rollenverteilung zwischen Stakeholdern aus Entwicklung, Produktion und Vertrieb sowie der Kundschaft. Durch die Einbeziehung der Kunden in den Entwurfsprozess entstehen neue, innovative Geschäftsmodellen.

Eine neue Technologie ist auf dem Vormarsch: Die additive Fertigung. Viele Anwender sind begeistert von den Möglichkeiten, die sich mit der flexiblen Fertigung von einzelnen Komponenten, zum Beispiel im Prototypenbau, in der Kleinserienfertigung aber auch im Heimbereich, bieten. Dieser Beitrag beleuchtet die Sicherheitsaspekte, die bei der Anwendung der neuen Technologie nicht vergessen werden dürfen, und die Bedeutung der Aus- und Weiterbildung für dieses Thema.