Neue Konstruktions- und Entwicklungsmethoden für die additive Fertigung

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Die additive Fertigung erschließt neue Möglichkeiten in der Kunststoffverarbeitung und findet derzeit den Weg in die industrielle Anwendung. Zu den Vorteilen additiver Fertigungsverfahren wie Funktionsintegration und Individualisierung zählt insbesondere die nahezu unbegrenzte Geometriefreiheit, mit der komplexe Strukturen wie beispielsweise bionische Leichtbaustrukturen hergestellt werden können. Das macht die Verfahren insbesondere auch für die Fahrzeugindustrie attraktiv. So haben die Ingenieure des Entwicklungsdienstleisters Edag beispielsweise im Projekt GenLight ein interessantes Beispiel erarbeitet: Das entwickelte Scheinwerferkonzept lässt sich nahezu vollständig generativ fertigen und die LED-Kühlleistung kann dank bionischer Kühlkörper sogar gesteigert werden. Weitere Details erläutern die Ingenieure im Fachartikel "Scheinwerfer 2025 — Bionisch inspiriert und generativ gefertigt" in der ATZ 2-2016. Bis 2025 könnte der Scheinwerfer Serienreife erlangen.

Mit konventionellen Verfahren wäre eine solche Bauteilkomplexität meist technisch oder wirtschaftlich nicht realisierbar. Um mit additiven Fertigungsverfahren Serienbauteile in möglichst guter Qualität zu erhalten, muss aber die Bauteilkonstruktion dem Verfahren und Herstellungsprozess gerecht werden. Es liegt auf der Hand, dass mit dem Einsatz konventioneller Konstruktionsansätze in der Bauteilgestaltung das Potenzial der Geometriefreiheit kaum ausgeschöpft werden kann. So schreibt Mirko Bromberger von Altair im Fachartikel "Symbiose aus Topologieoptimierung und additiver Fertigung" in einer Sonderausgabe der lightweight.design: "Bei einem existierenden Bauteil, das für die Herstellung mit traditionellen Fertigungsmethoden ausgelegt wurde, bietet die additive Fertigung in der Regel kaum Vorteile." Das Potenzial additiver Fertigungsverfahren kann Bromberger zufolge nur ausgeschöpft werden, wenn ein optimales Zusammenspiel zwischen Simulation und Fertigung gewährleistet ist und bereits in der Konzeptphase Optimierungswerkzeuge zur Gestaltfindung eingesetzt werden. Bromberger zeigt sich überzeugt: "Nur wenn das Design von der Simulation angetrieben wird, ist es möglich, von den Gestaltungsfreiheiten und somit vom Potenzial der additiven Fertigung optimal zu profitieren."

Qualitätssicherung von additiv gefertigten Bauteilen

Ebenfalls entscheidend für die Serientauglichkeit additiver Fertigungsverfahren ist die Vorhersagbarkeit von Qualitätsmerkmalen der in Losgröße 1 produzierten Teile, die von vielen variierbaren Slice- und Prozessparametern abhängen, wissen die Maschinenbau-Experten der Firma Arburg. Das Unternehmen mit Stammwerk in Loßburg hat das Potenzial der additiven Fertigung seit längerem erkannt und aus Sicht eines Maschinenbauers neben dem Spritzgießen ein weiteres industrielles Verfahren entwickelt und aufgebaut — das Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF) mit dem Freeformer. Im Vergleich zu anderen additiven Verfahren sollen mit dem entwickelten Verfahren qualifizierte Standardgranulate kostengünstig zu funktionsfähigen Bauteilen verarbeitet werden können. Im Fachartikel "Industrielle additive Fertigung funktionsfähiger Kunststoffteile" in der lightweight.design erläutert Dr. Eberhard Duffner von Arburg die technischen Details des entwickelten Verfahrens, skizziert aber auch aktuelle Herausforderungen der additiven Fertigung: "Die Qualität gedruckter Teile wird derzeit eher nach "modischen" Kriterien wie Oberfläche oder Bauzeit beurteilt. Jedoch sind bei der additiven Fertigung von "echten" Funktionsbauteilen mechanische Werte wie Zug- beziehungsweise Reißfestigkeit, Dichte oder auch Veränderungen in der Chemie des Ausgangsmaterials von entscheidender Bedeutung." In diesem Kontext erarbeit Arburg in Kooperation mit Forschungseinrichtungen derzeit Fortschritte für den Freeformer und das AKF-Verfahren.

Verfahrensspezifischen Entwicklungsprozess entwickeln

Dass der Konstruktions- und Datenaufbereitungsprozesse beim Additive Manufacturing aufwendig und zeitintensiv ist, ist auch den Experten des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen bewusst. Da dieser Aufwand nicht auf viele Bauteile umgelegt werden kann, sondern für jede Variante neu anfällt, ist den Wissenschaftlern zufolge eine effiziente Massenfertigung individueller Bauteile bisher nicht möglich. Um künftig eine automatisierte 1:1-Produktentwicklung zu realisieren, sei daher ein Umdenken in der gesamten Konstruktions- und Entwicklungsmethodik notwendig.

Um dieses Umdenken in Gang zu setzen, initiiert das IKV zusammen mit industriellen Partnern im März 2017 eine strategische, auf zwölf Monate angelegte Markt- und Technologiestudie zur Produktentwicklung für die additive Fertigung. Mit sowohl kunststofftechnischen als auch marktspezifischen Kenntnissen soll in dieser Studie identifiziert werden, welche Limitationen in der Produktentwicklung heute bestehen und mit welchen Entwicklungsszenarien diese aufgelöst werden können. Daraus wollen die Wissenschaftler des IKV Handlungsempfehlungen ableiten, die den idealen, verfahrensspezifischen Entwicklungsprozess für die additive Fertigung beschreiben. In detaillierten Analysen sollen dabei Materialeigenschaften, Modellierungsansätze, Konstruktionsregeln und Automatisierungspotenziale im Produktentwicklungsprozess im Fokus stehen. Sowohl die Entwicklung additiv hergestellter Prototypen und technischer Endbauteile aus Kunststoff als auch additiv gefertigte Werkzeuge zur Verarbeitung von Kunststoffen in klassischen Verarbeitungsprozessen sollen hierbei betrachtet werden. Die Studie "Product development in plastics additive manufacturing" ist dem IKV zufolge offen für alle Firmen entlang der gesamten Kunststoffwertschöpfungskette, die am Einsatz additiver Fertigungsverfahren interessiert sind.

Industrielle additive Fertigungsverfahren im Kunststoffbereich

Für den industriellen Kunststoffbereich kommen bislang vorwiegend drei Verfahren zum Einsatz: die Stereolithografie (STL), das selektive Lasersintern (SLS) und die Fused Filament Fabrication (FFF) – von der US‐amerikanischen Firma Stratasys unter der Bezeichnung Fused‐Deposition‐Modeling (FDM)‐Verfahren entwickelt. Die Verfahren unterscheiden sich darin, welche Ausgangsmaterialien zum Einsatz kommen und ob die Bauteile durch chemische beziehungsweise physikalische Prozesse aufgebaut werden. Springer-Autorin Petra Fastermann gibt im Buchkapitel "Welche 3D-Druck-Technologien gibt es und welche Technologie eignet sich wofür?"einen Überblick über die gängigen Verfahren.