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Über dieses Buch

Bei der additiven Fertigung wird anders als bei konventionellen Verfahren ein Bauteil nicht aus einem Block herausgefräst oder in einem Werkzeug gegossen, sondern es wird Schicht für Schicht generiert. Dieses Buch stellt eine Vielzahl verschiedener Aspekte der additiven Fertigung vor und erläutert anhand von Praxisbeispielen die Anwendungen und die Potenziale der Verfahren für eine Serienfertigung: Wo und wie kann die additive Fertigung erfolgreich eingesetzt werden?

Die Autoren zeigen vor dem Hintergrund eines ganzheitlichen Entwicklungs- und Fertigungsprozesses mögliche Geschäftsmodelle auf, unter anderem die Fertigung in Microfactories. Leser erfahren, wie sich die Fertigungszeit und -kosten vorhersagen lassen, wie zuverlässig additiv gefertigte Strukturbauteile sind und inwieweit additive Fertigungsverfahren für die Herstellung von Endprodukten geeignet sind.

Ferner diskutieren die Autoren, wie Pre- und Post-Prozesse genutzt werden können, um Serienanwendungen zu etablieren und diese iterativ zu verbessern. Neben den Möglichkeiten zur Qualitätssicherung bei der additiven Serienfertigung wird erläutert, wann es sinnvoll sein kann, konventionelle Fertigungsverfahren durch hybride Ansätze zu ergänzen. Die additive Instandsetzung als Alternative zum Entsorgen von verschlissenen Bauteilen wird ebenfalls erörtert. Im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung diskutieren die Autoren Sicherheitsaspekte und legen Lösungsansätze bei Problemen im Umgang mit der additiven Serienfertigung dar.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Automatisierung in der kundenindividuellen Additiven Serienfertigung

Das Projekt „autoADD“ umfasst den Aufbau und die Implementierung einer digitalen, automatisierten und durchgängigen Prozesskette zur kundenindividuellen Additiven Fertigung (selektives Lasersintern). Diese demonstriert die gesamte Prozesskette vom Eingang von Kundenaufträgen, über die rechnerinterne Verarbeitung dieser Aufträge und das Pre-Processing von CAD-Daten zur Fertigungsvorbereitung über die Fertigung und das Post-Processing, bis hin zum Vertrieb der additiv gefertigten Bauteile. Um das übergeordnete Projektziel zu erreichen, sind die Zielstellungen dabei:Reduktion von Medienbrüchen,Effektivitätssteigerung in der kundenindividuellen Auftragsbearbeitung durch Automatisierung undEinführung einer papierlosen, digitalen und integrierten Qualitätssicherung sowie Nachverfolgung von kundenindividuellen Aufträgen.Die Betrachtung der virtuellen Prozessschritte stellt Innovation und Alleinstellungsmerkmal per se dar. Alle großen Forschungs- oder Entwicklungstätigkeiten behandeln vornehmlich die Themenschwerpunkte Werkstoffe, Technologie oder Entwicklung im Sinne von Gestaltungsrichtlinien. Schwerpunkte des Beitrages sind das Aufzeigen des IST-Standes, der abgeleitete Handlungsbedarf sowie erste entwickelte Konzepte zur Optimierung der Prozesskette zur kundenindividuellen Additiven Fertigung im Sinne von Mass Customization.

Alexander Arndt, Reiner Anderl, Kai Kegelmann, Sven Kleiner

Ermittlung des Potentials der additiven Fertigung für Stentstrukturen aus Nickel-Titan

Mittels additiver Fertigung können individuelle, komplexe und mechanisch belastbare Bauteile erzeugt werden. Für die Medizintechnik sind Nickel-Titan-Legierungen aufgrund deren exzellenter Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit sowie einem bei definierten Legierungszusammensetzungen auftretenden Formgedächtnisverhalten interessant.Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen soll das Potential des additiven Aufbaus filigraner, stentartiger Strukturen aus Nickel-Titan im Laserstrahlschmelzverfahren (SLM®) beurteilt werden. Initial wurde für den Modellwerkstoff Edelstahl zum Aufbau filigraner Wände die Parameterkombination PL= 40 W und vScan= 500 mm/s ermittelt, die als Ausgangsparameter für die Entwicklung der Parameter für Nickel-Titan dienten. Für den Aufbau dünnwandiger Strukturen aus Nickel-Titan wurden die Parameter PL= 50 W und vScan= 500 mm/s bestimmt.Mit den ermittelten Parameterkombinationen konnten eigens entwickelte, stentartige Strukturen sowohl aus Edelstahl als auch aus Nickel-Titan aufgebaut werden. Ferner konnte der Erhalt der Formgedächtniseigenschaften an additiv aus Nickel-Titan gefertigten Proben gezeigt werden. Insgesamt wird daher das Potential der Verarbeitung von Nickel-Titan im SLM®-Verfahren für die Herstellung filigraner Stentstrukturen als hoch bewertet.

Yvonne Wessarges, Jörg Hermsdorf, Stefan Kaierle

Validierung laserstrahlgeschmolzener Strukturbauteile aus AlSi10Mg

Selektives Laserstrahlschmelzen ermöglicht die Herstellung komplizierter Geometrien und eröffnet damit neue Leichtbaupotentiale für Strukturbauteile. Zur Maximierung der Gewichtsersparnis müssen die Randbedingungen, wie z. B. relevante Belastungsfälle oder das Bauteilverhalten, exakt bekannt sein. Vor diesem Hintergrund können Simulationswerkzeuge eingesetzt werden, um Fehlentwicklungen zu reduzieren und Entwicklungsiterationen zu minimieren. Herausfordernd bei Selektivem Laserstrahlschmelzen ist dabei die Berücksichtigung des anisotropen Materialverhaltens. Spezifischen Maschinenparameter und weitere Materialeigenschaften können weiterhin einen Einfluss auf die Bauteileigenschaften haben.Im vorliegenden Beitrag werden strukturmechanische Simulationen ausgewertet und mit Ergebnissen aus statischen Prüfstandversuchen verglichen. Neben der Durchführung von Zugversuchen zur Ermittlung relevanter Materialdaten wird die Untersuchung genormter Biegeproben beschrieben. Basierend auf den erlangten Erkenntnissen erfolgt die Untersuchung einer Fahrradtretkurbel als Demonstrator. Anhand von drei virtuellen Modellen wird die Simulation beschrieben, sowie die Fertigung von Prototypen und die Durchführung statischer Prüfstandversuche dargestellt. Abschließend erfolgt die Zusammenfassung relevanter Einflussgrößen für die Simulation von laserstrahlgeschmolzenen Strukturbauteilen zur Reduzierung von Entwicklungszeiten.

Rene Bastian Lippert, Roland Lachmayer

Qualitätssicherung in der Additiven Serienfertigung von Polymerbauteilen

Die Additive Fertigung war in den letzten Jahren einer rasanten Entwicklung unterworfen. Sowohl bei metallischen Bauteilen, als auch bei Polymeren hält dieses Verfahren immer mehr Einzug in die Produktion. Große Unternehmen fertigen bereits täglich Bauteile in additiven Prozessen. Eine große Herausforderung für den Einsatz in der Serienfertigung ist die notwendige Qualitätskontrolle. Dies betrifft sowohl die On-the-Fly-Kontrolle im laufenden Fertigungsprozess, als auch und im Besonderen die Kontrolle fertiger Bauteile. Gerade Letzteres ist für eine zuverlässige Serienfertigung unerlässlich.Insbesondere bei komplexen Strukturen bereits gefertigter Bauteile ist bislang eine Qualitätskontrolle nur stichprobenartig mit ionisierender Strahlung oder mittels invasiven Testmethoden möglich. Dies führt insbesondere bei Kleinserien zu hohen Ausschussraten. Optische Verfahren wie die Laserrastertomografie oder die optische Kohärenztomografie können unter Nutzung des entsprechenden Spektralbereichs nicht-invasiv zur volumetrischen Visualisierung von 3D additiv gefertigten Bauteilen eingesetzt werden. Diese komplexen 3D Informationen können subsequent zur Nachbearbeitung und Qualitätssteigerung herangezogen werden.

Gerrit Hohenhoff, Heiko Meyer, Oliver Suttmann, Tammo Ripken, Kotaro Obata, Dietmar Kracht, Ludger Overmeyer

Vorhersage der Fertigungszeit und -kosten für die additive Serienfertigung

Neben den Maschinenparametern und Bauteilgeometrien hat die Füllung des Maschinenbauraums einen entscheidenden Einfluss auf die Fertigungszeit und -kosten der einzelnen Bauteile und damit auf die Realisierung einer additiven Serienfertigung. Eine genaue Bestimmung dieses Parameterkollektivs ist sehr rechenintensiv und nur nach dem Festlegen auf eine Geometrie möglich.Die Ausführungen dieser Arbeit sollen einen Beitrag dazu leisten, unter Berücksichtigung der Füllung des Maschinenbauraums bereits in den frühen Phasen der Produktentwicklung Aussagen über Fertigungszeit und -kosten treffen zu können.Über die Ausprägung der Merkmale Volumen, Oberfläche und Bauteilhöhe werden CAD-Modelle in Vergleichskörper abstrahiert. Für diese Vergleichskörper werden analytisch beschreibbare, generische Fertigungsmerkmale hergeleitet, die in Bruchteilen einer Sekunde automatisiert berechnet werden können. Der reale Maschinenbauraum wird mit den abstrahierten Körpern gefüllt. Dieses voll parametrische Berechnungsschema ist unabhängig vom additiven Fertigungsverfahren und kann in jedes CAD-System integriert werden. Am Beispiel des Fused Layer Modeling wird die Funktionsweise validiert.

Peter Hartogh, Thomas Vietor

Lichtbogenbasierte additive Fertigung – Forschungsfelder und industrielle Anwendungen

Lichtbogenschweißverfahren werden zunehmend zur additiven Fertigung von Metallbauteilen verwendet. Sie zeichnen sich durch verhältnismäßig hohe Abschmelzleistungen, geringe Bauraumbeschränkungen sowie niedrige Investitions- und Betriebskosten aus und sind daher für die Serienfertigung von Großstrukturen prädestiniert. Fortschritte im Bereich der Roboterprogrammierung, Pfadplanung sowie der Entwicklung energieärmerer Schweißprozesse lassen diese Verfahren zur additiven Fertigung zunehmend in den Fokus moderner Produktionsstrategien rücken.Der Beitrag gibt einen Überblick über Forschungsschwerpunkte und Zukunftspotentiale von Lichtbogenschweißverfahren zur additiven Fertigung und stellt einige ausgewählte Beispiele des industriellen Einsatzes vor.

Uwe Reisgen, Konrad Willms, Lukas Oster

Additive Makrofertigung mit Laser-Lichtbogen Technik mit kontinuierlicher Schweißnaht

Bei der Laser-Lichtbogen-Technik handelt es sich um einen MSG-Lichtbogen, in den ein Laser zur Unterstützung eingestrahlt wird. Dies führt zu einer Stabilisierung des Lichtbogens, wodurch die Schweißgeschwindigkeit angehoben werden kann und somit ein geringerer Verzug entsteht. Mit Hilfe des laserunterstützten Lichtbogenschweißens konnte ein Bauteil in Form eines Fußballstadions aus Stahl (G3Si1) gefertigt werden. Das Stadion besteht aus einer senkrechten Außenstruktur und einer Innenstruktur, die mit einem Überhang von 18° aufgebaut wurde. Das Bauteil mit Wandstärken von 4,4 mm weist keine Poren auf und die Oberfläche nur vereinzelte Schweißspritzer. Zum Aufbau der 1,4 kg schweren Struktur wurden 2 Stunden und 20 Minuten benötigt. Dies führt zu einer Aufbaurate von 0,6 kg/h bzw. 78 cm³/h. Eine Besonderheit der 185 × 138 × 48 mm³ großen Struktur liegt darin, dass sie aus einer einzigen Schweißnaht besteht und daher fast ohne Nebenzeiten gefertigt werden konnte. Um dies zu erreichen, wurde ein Übergangsbereich zwischen den beiden Strukturen programmiert, in dem die Schweißnaht sich selber kreuzt. Die an dieser Stelle entstehende Nahtüberhöhung konnte über die Prozessparameter kompensiert werden.

Alexander Barroi, Jörg Hermsdorf, Stefan Kaierle

Hybride Additive Fertigung: Ansätze zur Kombination von additiven und gießtechnischen Fertigungsverfahren für die Serienfertigung

Die additive Fertigung wird seit ihrer Erfindung aufgrund ihrer Eigenschaft, hochindividualisierte, komplizierte und funktionsintegrierte Bauteile fertigen zu können, vor allem für die Prototypen- und Einzelteilbau eingesetzt. Daraus leitet sich folgerichtig ab, dass mit der additiven Fertigung lediglich sehr kleine Losgrößen realisiert werden können. Im Gegensatz dazu stehen traditionelle und bewährte Gussverfahren, mit denen sich eine Massenproduktion umsetzen lässt, die Bauteile dafür an stärkere Verfahrensrestriktionen gebunden sind und eine Individualisierung in den meisten Fällen wirtschaftlich nicht tragbar ist. Eine Kombination additiver und gießtechnischer Verfahren zu einem Prozess eliminiert die Schwächen beider Verfahren und dient damit als Schlüsseltechnologie für individualisierte Serienproduktion.Ziel dieses Beitrages soll es sein, Herausforderungen und Einschränkungen zur hybriden additiven Fertigung aufzuführen und bereits bestehende Ansätze zu sammeln und zu diskutieren. Weiterhin wird ein neuer Ansatz vorgestellt, dessen Anforderungen dargestellt und mit anderen Verfahren verglichen.

Georg Leuteritz, Christian Demminger, Hans-Jürgen Maier, Roland Lachmayer

Die 3D Skelett Wickeltechnik auf dem Weg in die Serienfertigung

Die 3D Skelett Wickeltechnik ist ein ressourcenschonendes Fertigungsverfahren zur Herstellung lastpfadgerecht ausgelegter Leichtbaukomponenten aus Faserverbundkunststoffen. Gegenüber dem heutigen Stand der Leichtbautechnik lassen sich damit nochmals 25 bis 45 % Masse einsparen. Die Herstellung der geometrisch optimierten Strukturen erfolgt durch Aufwickeln eines duroplastisch oder thermoplastisch imprägnierten Garns auf ein sehr einfaches bauteilspezifisches Werkzeug. Verschnitt wird dabei gänzlich vermieden. Je nach Werkstoffauswahl erfolgen die Konsolidierung und die Aushärtung bereits beim Wickeln oder in einem anschließenden Prozessschritt. Eine Autoklavbehandlung verbessert die Qualität (Porosität) enorm, sofern erforderlich.Während andere Vertreter der Technologie recht kostenintensive Automatisierungsansätze verfolgen, entwickeln die Einrichtungen der Autoren momentan einen Low-Cost-Ansatz. Die erarbeiteten Lösungskonzepte weisen einige Parallelen mit der FDM 3D Druck Technologie auf.Weitere Handlungsfelder, denen sich die Kooperation widmet, stellen die Erarbeitung alternativer Werkstoffkombinationen und die Sicherstellung reproduzierbarer Qualitätsmerkmale dar. Der Fokus bei der Erarbeitung neuer Werkstoffalternativen liegt auf den nachwachsenden Ressourcen, sowohl harz- als auch faserseitig.

Jonathan Haas, Kevin Bachler, Peter Eyerer, Björn Beck, Lazar Bošković

Flexibler Manufacturer für große Funktionsbauteile und die Serienfertigung von Metall- und Kunststoffbauteilen

Die HLT Group ist derzeitig dabei einen flexiblen, industriellen Großdrucker für Wire and Arc Additive Manufacturing WAAM, Fused Deposition Modelling FDM und Laser Auftragschweiß-Prozesse fertigzustellen. Der Drucker ist dabei in der Lage durch ein schnelles Wechselsystem in sehr kurzer Zeit von einem Prozess zum anderen zu wechseln. Bauteilabmessungen von 1600 × 1600 × 800 mm sind dabei möglich. Dies lässt zum Einen die Möglichkeit zu, Kleinserien auf einer großen Fläche zu produzieren, als auch sehr große Einzelbauteile. Die außergewöhnliche mögliche Größe der Bauteile stellt hohe Anforderungen an die Prozessführung, speziell beim WAAM-Verfahren. Durch die Schmelzenergie wird besonders viel Wärme in die Bauteile eingetragen, die dann zu Verzügen und ungünstigen Werkstoffeigenschaften führen kann. Eine neuartige, patentierte Prozessführung sorgt durch angepasste Auftragsstrategien in Verbindung mit angepassten Werkstoffen für deutlich verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu ähnlichen Anwendungen und Systemen.

Christian Schmid

Geschäftsmodell der dezentralen Serienfertigung: additive manufacturing als Basis für Microfactories

Der Trend im modernen B2C Handel geht zu immer kürzeren Lieferzeiten bei gleichzeitig gesteigerter Individualität der Produkte. Auch Nachhaltigkeitsfaktoren und Umweltbilanz spielen eine immer größere Rolle.Eine Möglichkeit diesen Herausforderungen in Städten der Zukunft (smart cities) zu begegnen ist die Organisation von Serienfertigungen in dezentrale angeordneten „Microfactories“. Additive Fertigungsverfahren gewährleisten dabei eine hohe Flexibilität, Individualität der produzierten Produkte und eine „on demand“ Verfügbarkeit.In unserer Arbeit beleuchten wir, welche Probleme für das Produktionskonzept der Microfactory gelöst werden müssen.Welche Prozesse sind nötig, von der Erstellung des Designs zur sicheren Weitergabe an eine Microfactory, der Fertigung und der Qualitätssicherung der Bauteile?Wie können vorhandene Ressourcen durch Dienstleister und Makerspaces in Deutschland, aber auch weltweit sinnvoll genutzt und standardisiert werden?Außerdem geben wir einen Ausblick auf additive Produktionsverfahren, welche in Zukunft die mögliche Produktvielfalt von Microfactories erhöhen könnten.

Dierk Fricke, Benjamin Henkel, Caecilie von Teichman, Bernhard Roth

Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile

Durch große Fortschritte bei der Entwicklung additiver Fertigungsverfahren sowie der dazugehörigen Maschinen- und Anlagentechnik steigt das allgemeine Vertrauen in gedruckte Bauteile stark an. Das Anwendungsspektrum erweitert sich kontinuierlich.Entgegen einem in den Medien häufig vermittelten Eindruck sind AM-Teile nach dem Druck meist nicht direkt einsatzfähig! Neben werkstoffbedingt oftmals erforderlichen Wärmebehandlungen sowie dem Abtrennen von den Basisplatten müssen Kontaktflächen, Bohrungen, Passungen und Gewinde etc. nach wie vor mittels klassischer Fertigungsverfahren wie Bohren oder Fräsen realisiert werden.Diese Nachbearbeitung setzt eine sichere Aufspannung und die exakte Referenzierung der Werkstücke voraus. Hierbei stellen insbesondere topologisch optimierte Bauteile, getrimmt auf geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit, eine neue Herausforderung dar.Angepasste Spannelemente und ein bearbeitungsgerechtes Design helfen, additiv gefertigte Bauteil ähnlich einer Serienfertigung bearbeiten zu können. Darüber hinaus tragen adaptive Bearbeitungsstrategien durch ihre charakteristische Berücksichtigung individueller Bauteilpositionen und Formen zur Optimierung der Nachbearbeitung bei.Der Beitrag stellt entsprechende Ansätze exemplarisch vor.

Thomas Kosche

„Additive Serienfertigung“ aus Sicht eines Ingenieurbüros

Additive Serienfertigung ist in aller Munde – häufig auch im Zusammenspiel mit dem Begriff Industrie 4.0. Dem Ingenieur von heute sagt man: „Vergiss alles, was du im Studium gelernt hast und konstruiere was du willst“. Doch nicht jede Konstruktion ist für eine Serienfertigung optimal. Um eine additive Serienfertigung betreiben zu können, sind u. a. zwei Voraussetzungen besonders wichtig.Zum einen, sind es die Technologie und die Maschinen. Um einen Serieneinsatz zu ermöglichen, sollten die Bauteile eine gleichbleibende Qualität aufweisen – unabhängig von Maschine, Bediener und Material. Zum anderem, ist es eine Voraussetzung, die richtigen Bauteile für die Serienfertigung auszuwählen und für den additiven Prozess zu optimieren. Begriff „Optimierung“ zielt in diesem Kontext nicht nur auf eine Optimierung des Gewichts, oder der Form (bionische Konstruktion) ab. Vielmehr muss hier die Frage gestellt werden, welche Anwendung realisiert werden soll um anschließend Form, Material und Fertigungsprozess für die Serienfertigung zu definieren. In dieser Ausarbeitung, sollen die Schritte vor dem Fertigungsprozess beäugt werden.

Tayfun Süle

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