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Über dieses Buch

Dieses Buch zeigt Untersuchungen verschiedener Additive Manufacturing Technologien für den industriellen Einsatz. Aus Sicht der Produktentwicklung werden Aspekte zur Beeinflussung der Wertschöpfungskette, technische und wirtschaftliche Einflussfaktoren für die industrielle Anwendung sowie Konfektionierungs- und Nachbearbeitungsprozesse zur Verbesserung der Bauteilqualität spezifiziert. Zur Evaluation der Einsatzpotentiale werden weiterhin Methoden und Werkzeuge für die Bauteilgestaltung sowie zur Prozessanalyse und -optimierung dargestellt.

Die Realisierung geänderter Gestaltungsziele, wie beispielsweise die Herstellung von Ultra-Leichtbau-Komponenten, wird ferner durch den Einsatz neuer Werkstoffe analysiert. Anhand diverser Fallstudien aus Forschung und Industrie werden aktuelle Einsatzgebiete des Additive Manufacturing dargestellt sowie künftige Entwicklungen für den Praxiseinsatz beschrieben.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

Additive Manufacturing wurde vom World Economic Forum als eine der zehn zukunftsträchtigsten Technologien eingestuft. Das Rapid Prototyping, was dem Additive Manufacturing bereits in den 1990er Jahren eine große Aufmerksamkeit verschaffte, sowie das Rapid Tooling sind heutzutage State of the Art und werden industriell in der Produktentstehung eingesetzt. Bedingt durch die zunehmende technische Reife der additiven Fertigungsverfahren und der damit einhergehenden Verbesserung der Produkteigenschaften erlangt zudem das Direct Manufacturing an Bedeutung für die industrielle Anwendung. Bei der Herstellung von endkonturnahen Bauteilen ist es eine wesentliche Herausforderung, den Nachbearbeitungsaufwand bei gleichzeitig verbesserten Bauteileigenschaften zu optimieren. Dabei besteht eine übergeordnete Notwendigkeit zur Standardisierung unterschiedlicher Domänen (z. B. Maschinen, Datenformate oder Materialien) in den verschiedenen Anwendungen.Basierend auf aktuellen Entwicklungen im Bereich des Additive Manufacturing leiten sich unterschiedliche Forschungs- und Entwicklungsfelder ab, welche sich den Mehrwert im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren zunutze machen. Anhand der Evaluation verschiedener Additive Manufacturing Bauteile lassen sich diese Einflussfaktoren quantifizieren.

Rene Bastian Lippert, Roland Lachmayer

Entwicklungstrends zum Einsatz des selektiven Laserstrahlschmelzens in Industrie und Biomedizintechnik

Beim selektiven Laserstrahlschmelzen werden metallische Pulverwerkstoffe schichtweise aufgetragen, selektiv mittels Laser verschmolzen und somit vollständig dichte Bauteile erzeugt. Es werden ähnliche Eigenschaften wie bei konventionell verarbeiteten Werkstoffen erzielt, sodass diese Verfahren für die Produktion von Prototypen oder zur Fertigung von Endprodukten eingesetzt werden. Zudem gibt es eine Vielzahl verwendbarer Werkstoffe, um die jeweils erwünschten Bauteileigenschaften umzusetzen. Viele Werkstoffe, wie Titanlegierungen für Leichtbauteile im Bereich der Luftfahrt oder Kobalt-Chrom zur Umsetzung patientenspezifischer Zahnimplantate, sind bereits industriell für das SLM®-Verfahren etabliert.Aktuell haben Magnesiumlegierungen und Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften eine besondere Bedeutung, da diese die Herstellung von vielzähligen neuartigen Produkten ermöglichen. Magnesium weist eine hohe spezifische Festigkeit und biodegradierbare Eigenschaften auf. So kann die Fertigung von neuartigen Leichtbauteilen sowie individuellen und bioresorbierbaren Implantaten realisiert werden.Dieser Beitrag gibt einen Überblick über eigene Forschungsergebnisse, bestehende Herausforderungen und aktuelle Entwicklungstrends zum Einsatz des selektiven Laserstrahlschmelzens von Nickel-Titan und Magnesium in Industrie und Biomedizintechnik.

Yvonne Wessarges, Matthias Gieseke, Ronny Hagemann, Stefan Kaierle, Ludger Overmeyer

Restriktionsgerechte Gestaltung innerer Strukturen für das Selektive Laserstrahlschmelzen

Im vorliegenden Beitrag wird der Einsatz von inneren Strukturen zur Gestaltung von gewichtsoptimierten Bauteilen untersucht. Basierend auf grundlegenden Untersuchungen von mechanisch belasteten inneren Strukturen, wird ein Prozess zur Reduzierung des Bauteilgewichts von technischen Systemen durch die Substitution von Wirkräumen mit inneren Strukturen beschrieben. Anhand eines Demonstrators wird die spannungs- und fertigungsgerechte Bauteilgestaltung der inneren Strukturen untersucht. Durch den Einsatz einer strukturmechanischen Simulation (FEM) sowie der Beachtung von Gestaltungsrichtlinien, welche die Maschinen- und Prozessmöglichkeiten abbilden, werden iterativ neue Modellgenerationen aufgebaut. Das resultierende Produktmodell, welches durch den Einsatz von inneren Strukturen neue Leichtbaupotentiale im Vergleich zu konventionelle gefertigten Modellen erschließt und unter Beachtung von Gestaltungsrichtlinien den Möglichkeiten des Selektiven Laserstrahlschmelzens entspricht, wird abschließend aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg gefertigt und hinsichtlich Abweichungen gegenüber dem digitalen Modell bewertet. Rückschlüsse eines Soll-Ist-Vergleichs des physikalischen sowie digitalen Modells werden weiterhin in den Gestaltungsprozess zurückgeführt.

Rene Bastian Lippert

Unterstützung des Entscheidungsprozesses in der Produktentwicklung additiv herzustellender Produkte mithilfe von Ähnlichkeitskennzahlen

Durch die stetige Weiterentwicklung der additivenFertigungsverfahrenadditivesFertigungsverfahren wächst die konstruktive Gestaltungsfreiheit bei der Produktentwicklung. Produktentwicklung Der EntscheidungsprozessEntscheidungsprozessbei der Auslegung und Umsetzung neuer Produktideen wird somit gerade für im Bereich der additiven Fertigung unerfahrene Produktentwickler/innen erschwert. Aussagen über Fertigungsmerkmale wie z. B. die Fertigungszeit oder den Materialverbrauch sind in der KonzeptphaseKonzeptphasebereits nach der Erstellung des ersten3D-CAD-Modell3D-CAD-Modells möglich. Softwarelösungen der Fertigungsmaschinenhersteller liefern diese Erkenntnisse durch eine Fertigungssimulation. Je nach Anwendungsfall nimmt eine solche Simulation jedoch viel Zeit in Anspruch und erfordert das Ex- und Importieren des Modells zur Übergabe.In dieser Arbeit wird ein Vorgehen zur Vorhersage von Fertigungsmerkmalen vorgestellt, das in Bruchteilen einer Sekunde Ergebnisse im CAD-System liefert: Die Grundidee liegt hierbei in der Abstraktion eines CAD-ModellsCAD-Modellin einen geometrischen Grundkörper, für den Erkenntnisse aus der Fertigung bekannt sind. Die Abstraktion basiert auf einer dimensionslosen geometrischen Ähnlichkeitskennzahl. Diese lässt sich aus der Oberfläche und dem Volumen für Volumenkörper errechnen.Erkenntnisse aus der Fertigung werden dem/der Anwender/in transparent und darüber hinaus deutlich schneller und komfortabler bereitgestellt. Ein Zugang zu Softwarelösungen der Maschinenhersteller ist damit nicht erforderlich, um Aussagen über verschiedene Herstellungsverfahren zu generieren. Ferner entfällt die Notwendigkeit eines Im- oder Exportes des CAD-Modells. Dies beschleunigt den Entscheidungsprozess maßgeblich.

Peter Hartogh, Thomas Vietor

Entwicklung individualisierter Produkte durch den Einsatz Additiver Fertigung

Ein häufig genanntes Potential additiver Fertigungsverfahren ist die Individualisierung von Produkten. Zur Individualisierung werden additive Fertigungsverfahren aktuell u. a. bei Konsumgütern, Kunstgegenständen sowie Produkten in der Medizintechnik angewendet. Das nicht ausgeschöpfte Potential wird besonders durch die zu erwartenden Innovationen der Fertigungstechnologien an Relevanz gewinnen.In diesem Beitrag wird analysiert, worauf sich das Potential der additiven Fertigungsverfahren zur Individualisierung gründet und welches die wesentlichen Treiber für die Anwendung additiver Fertigungsverfahren sind. Es werden Ausprägungen der Individualisierung herausgearbeitet, welche durch das Vorgehen in der Produktentwicklung beeinflusst werden können. Durch verschiedene Vorgehen der Produktentwicklung kann der Vorbereitungsgrad zur Individualisierung definiert werden. Diese Prozesstypen werden an der Produktindividualisierung von Blutgefäßmodelle mittels additiver Fertigungsverfahren vorgestellt, die an patientenspezifische Blutgefäßgeometrien sowie individuelle Kundenwünsche angepasst werden können. Es wird deutlich, dass auch bei dem bestehenden Potential der additiven Fertigung zur Individualisierung die ansteigende interne Vielfalt und Komplexität in allen Produktlebensphasen zu berücksichtigen ist.

Johanna Spallek, Dieter Krause

Die Hybride Mikro-Stereolithographie als Weiterentwicklung in der Polymerbasierten Additiven Fertigung

In diesem Beitrag wird das neuartige additiven Herstellungsverfahren der Hybriden μ-Stereolithographie vorgestellt. Es vereint die Vorteile eines herkömmlichen Stereolithographieprozesses mit der Beschichtungstechnologie des Aerosol-Jet-Druckens. Die neuartige Beschichtungstechnologie des Aerosol-Jet-Druckens ist in der Herstellung von leitfähigen elektrischen Leiterbahnen bekannt. Durch den Auftrag über einen zuvor generierten Tröpfchenstrom in der Größenordnung von ein bis fünf Mikrometern sind sehr geringe Schichtdicken möglich, die eine neue Detailgenauigkeit in horizontaler Richtung erlauben. Als Material kommt dabei ein Prepolymer zum Einsatz, das in einem folgenden Bearbeitungsschritt mittels UV-Laserstrahlquelle selektiv polymerisiert werden kann. Dies erlaubt eine hohe Detailauflösung von bis zu fünf Mikrometern in der Ebene. Ein Anwendungsbeispiel zur Nutzung dieser hohen Auflösungsmöglichkeiten ist die Herstellung von polymeren Wellenleitern, die aufgrund ihrer Beschaffenheit als Lichtwellenleiter nur sehr geringe Fertigungstoleranzen aufweisen dürfen. Eine weitere Herausforderung stellt zudem die Verarbeitung von zwei unterschiedlichen Materialien dar, weil ähnlich eines Stufenindexlichtwellenleiters in einer Glasfaser der Brechungsindexunterschied hinreichend groß gewählt sein muss.

Arndt Hohnholz, Kotaro Obata, Claudia Unger, Jürgen Koch, Oliver Suttmann, Ludger Overmeyer

3D-gedruckte quasioptische Bauelemente für den Terahertz-Frequenzbereich

Seit der wissenschaftlichen Erschließung des Terahertz-Frequenzbereiches Anfang der 90er Jahre steht die Terahertz-Technologie im Zentrum internationaler Forschungsaktivitäten, da sie einerseits neue Einblicke in der Grundlagenforschung erlaubt und andererseits erfolgversprechend für die zerstörungsfreie Materialprüfung ist. Zusätzlich ist der Frequenzbereich für die Telekommunikationstechnik von höchstem Interesse, da in Zukunft mit immer höheren Datenaufkommen zu rechnen ist und dieser Herausforderung nur mit der Erschließung neuer Frequenzbereiche begegnet werden kann. Alle Anwendungsfelder haben gemein, dass quasioptische Bauelemente für die Strahlführung und Formung benötigt werden. Allein die Simulation von neuartigen Optiken kann Tage in Anspruch nehmen und deren Herstellung durch klassische Verfahren ist ebenfalls kosten- und zeitintensiv. An dieser Stelle kommt der 3D Druck als Rapid Prototyping Werkzeug ins Spiel: Durch die Verwendung von geeigneten Materialien, wie beispielsweise Polystyrene, können in kürzester Zeit Optiken gedruckt und getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden 3D gedruckte Wellenleiter, Linsen und Gitter vorgestellt.

Marcel Weidenbach, Stefan F. Busch, Jan C. Balzer

3D Mikro- und Nano-Strukturierung mittels Zwei-Photonen-Polymerisation

Die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist ein junges laserbasiertes AM Verfahren, das eine volle dreidimensionale Strukturierung beliebig komplexer Modelle mit einer Auflösung im Submikrometerbereich ermöglicht. Der Strukturierungsprozess basiert auf dem Prinzip des direkten Laserschreibens, welches die nichtlineare Zwei-Photonen-Absorption im Fokus eines stark fokussierten Femtosekundenlaserstrahls nutzt. Dabei wird eine auf das Fokusvolumen begrenzte Polymerisationsreaktion induziert, die ein transparentes fotosensitives Material verfestigt. Durch eine computergesteuerte dreidimensionale (3D) Führung des Fokus im Material kann nahezu jede beliebige Struktur direkt im Volumen des Materials erstellt werden; dabei muss nicht schichtweise aufgebaut werden, wie es bei vielen anderen Verfahren der Fall ist. Mit diesem Prozess wurden Strukturauflösungen besser als 100 nm demonstriert.Diese Eigenschaften machen die 2PP zu einem einzigartigen mikrotechnologischen Werkzeug mit einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, wie z. B. Mikrooptik, Mikromechanik, Mikrofluidik, Mikroelektronik, Medizin und Biologie.

Ayman El-Tamer, Ulf Hinze, Boris N. Chichkov

Geschäftsmodellevolution im Technischen Kundendienst des Maschinen- und Anlangenbaus durch additive Fertigung – Ersatzteilbereitstellung als smart Service

Um den Herausforderungen des stetig zunehmenden Wettbewerbsdrucks im deutschen Maschinen- und Anlagenbau gerecht zu werden, versuchen immer mehr Unternehmen hybride Wertschöpfungsstrategien umzusetzen und auszubauen. Im allgegenwärtigen Streben nach Kostenreduktion und Verbesserung von Reaktionszeiten und Prozessqualität ist insbesondere im Dienstleistungsangebot ein radikaler Umbruch festzustellen. Immer öfter werden moderne Technologien eingesetzt, um Wartungs- und Servicetechniker vor Ort zu unterstützen. In diesem Umfeld erscheint auch Additive Manufacturing (AM) als eine besonders vielversprechende Möglichkeit, um bestehende Serviceprozesse im Technischen Kundendienst zu unterstützen und sogar neue Geschäftsfelder zu erschießen. Dennoch sind deutsche Maschinen- und Anlagenbauer mit dem Einsatz von AM sehr zögerlich. Obwohl die Integration von AM auf den ersten Blick nicht problematisch erscheint, kommen bei der Bewertung der konkreten Einsatzbarkeit in Service- und Wartungsdienstleistungen zahlreiche Fragen auf, die vorab einer Klärung bedürfen.

Andreas Varwig, Friedemann Kammler, Oliver Thomas

Simulation von Selective Laser Melting Prozessen

Selective Laser Melting (SLM) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Metallpulverbett punktuell aufgeschmolzen wird. So können komplexe Geometrien hergestellt werden. Allerdings sind die vielfältigen, miteinander interagierenden physikalischen Prozesse nicht vollständig verstanden. In der Prozess-, Material- und Bauteilentwicklung sind daher zeit- und kostenintensive Experimente nötig. Die Entwicklung innovativer Simulationsverfahren aus dem Bereich der computergestützten Ingenieurswissenschaften bietet das Potential, den Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteileigenschaften vorherzusagen. Eine genaue Vorhersage bietet die Möglichkeit einer individualisierten Prozessplanung, sodass Bauteileigenschaften nach Bedarf lokal angepasst werden können.Der grundlegende Ablauf von SLM-Prozessen wird einleitend vorgestellt. Dem Leser wird ein Überblick über die auftretenden physikalischen Effekte bei SLM-Verfahren verschafft. Anschließend werden die thermomechanischen Gleichungen vorgestellt und grundsätzliche Aspekte der Modellierung von SLM-Prozessen diskutiert. Des Weiteren werden, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, verschiedene existierende Simulationsansätze kurz vorgestellt.

Henning Wessels, Matthias Gieseke, Christian Weißenfels, Stefan Kaierle, Peter Wriggers, Ludger Overmeyer

Additive Fertigung transparenter Optiken

In diesem Beitrag wird anhand von zwei Musterteilen gezeigt, unter welchen Randbedingungen eine additive Fertigung transparenter Optiken sinnvoll ist. Nach einem Technologieüberblick über geeignete Verfahren wird ein im Poly-Jet Modeling hergestelltes Prisma charakterisiert. Dazu werden die Transmission und Brechkraft quantifiziert und eine Aussage über die Oberflächenbeschaffenheit getroffen. Die stark wellenlängenabhängige Transmission des verwendeten Materials engt mögliche Anwendungsgebiete ein.Als Anwendungsbeispiel wird die gefräste Sammellinse eines Laserscheinwerfers durch eine additiv gefertigte Linse ersetzt und photometrisch charakterisiert. Der Lichtstrom und die Beleuchtungsstärke bleiben dabei deutlich unter den Werten der gefrästen Linse. Dennoch ist ein Potential der additiven Fertigungsprozesse für transparente Optiken erkennbar, beispielsweise bei der frühzeitigen Konzeptevaluation von Beleuchtungssystemen.

Gerolf Kloppenburg, Marvin Knöchelmann, Alexander Wolf

Additive Manufacturing als Baustein zur gestaltungsgerechten Produktentwicklung in der Fahrzeugelektronik am Beispiel automobiler Zugangssysteme

Fahrzeugfernbedienungen oder Funkschlüssel unterliegen ästhetischen Gestaltanforderungen. Somit ergibt sich innerhalb der automobilen Elektronikentwicklung der Bedarf, in bestimmten Fällen den Anforderungen ästhetisch-gestalterischer Qualitäten zu entsprechen. Ein Ansatz sich dieser Problematik zu nähern, ist die integrierte Umsetzung gestalterischer Produktkonzepte mit Hilfe von Prototypingverfahren, wie sie auch in Industriedesignprozessen gängig sind.Es soll hiermit die Integration additiver Fertigungsverfahren in die automobile Elektronikvorentwicklung beschrieben werden, mit dem Ziel Produktkonzepte mit gestalterischen Ansprüchen umzusetzen. Dazu werden insbesondere die Integration von Additive Manufacturing im Vorentwicklungsprozess der Fahrzeugelektronik, die Auswahl relevanter Verfahren und Materialien für spezifische Anwendungsfälle sowie ein Prototyping gerechtes Design erläutert.

Tobias Heine

Additive Repair von Multimaterialsystemen im Selektiven Laserstrahlschmelzen

In dieser Arbeit wird der Ansatz des Additive Repair Design-Prozesses unter Beachtung relevanter Rahmenbedingungen vorgestellt. Dabei wird das Selektive Laserschmelzen (SLM) im Zusammenhang mit Additive Repair, den mechanischen Eigenschaften sowie den Bindungs-kräfte der reparierten Multimaterial-Bauteile betrachtet. Verschiedene Belastungsarten und Baurichtungen werden diskutiert, wobei ein spezielles Setup simuliert und einer Falluntersuchung unterzogen wird. Die ausgewählten Metalle, auf denen die Reparatur basiert, sind die Legierungen Al 6082 und Al 7075. Für den SLM-Prozess wird das Metallpulver Al-Si10Mg verwendet. Die Simulationen werden über eine Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, um Belastungen und hervorgerufene Spannungen zu kalkulieren. Alle simulierten Datensätze werden mit den experimentell ermittelten Werten verglichen. Um die Effektivität des Prozesses zu erhöhen, wird abschließend die Wartung von Komponenten in der Industrie in Abhängigkeit vom verwendeten Material diskutiert.

Yousif Amsad Zghair, Georg Leuteritz

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