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2020 | Book

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Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung

Authors: Prof. Dr. Roland Lachmayer, Dr. René Bastian Lippert

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Das Buch stellt die Additive Fertigung als zentralen Bestandteil der Produktentwicklung dar; die Autoren gehen dabei über Verfahrensbeschreibungen und Grundlagen hinaus und betrachten die additive Fertigung im Kontext von Serienanwendungen, nicht nur als Hilfsmittel zum Muster und Prototypenbau. Es werden zehn Gestaltungsziele für einen ökonomischen und technisch sinnvollen Einsatz der Additiven Fertigung beschrieben. Hierzu werden unterschiedliche methodische Ansätze sowie die notwendigen Werkzeuge und Hilfsmittel zur Implementierung vorgestellt. Zudem werden Gestaltungsrichtlinien für unterschiedliche Technologien, Bewertungsschemata zur Bauteilauswahl oder Validierungsansätze von Konzepten und Entwürfen für die Additive Fertigung beschrieben. Neben den Methoden, Werkzeugen und Prozessen zeigen die Autoren eine Vielzahl industrieller Anwendungen, welche die Besonderheiten der Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung verdeutlicht, sowie Ansätze zur Übertragung dieser auf individuelle Problemstellungen. Weiterhin werden Lessons Learned, Regelwerke und Informationsspeicher beschrieben, beispielsweise für Maschinenparameter oder Simulationsmodelle. Zusätzlich enthalten sind ein Glossar, eine Verfahrensübersicht gängiger Technologien sowie Kataloge für Gestaltungsrichtlinien.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Das vorliegende Buch beschreibt – nach einer Einführung in die Grundlagen der Additiven Fertigung – Spezifikationen von Bauteilen und Prozessen, Methoden zur Abschätzung der Bauteileeignung und Anwendungen der Additiven Fertigung sowie zur Entwicklung von Konzepten und Entwürfen. Weiter werden die Konstruktion von Bauteilen, deren Gestaltung zur Sicherstellung funktionaler Anforderungen und der Herstellbarkeit sowie Methoden und Werkzeuge zur Bauteiloptimierung dargestellt. Daraus abgeleitet werden Maßnahmen zur Sicherstellung von Qualitätsaspekten charakterisiert. Weiterhin werden die Integration von Additiven Fertigungsverfahren in bestehende Prozesse und die Wertschöpfungsketten bzw. Geschäftsmodelle der Additiven Fertigung diskutiert. Die Inhalte werden im Buch ganzheitlich im Sinne von Entwicklungsprozessen der Produktentstehung miteinander verknüpft. Abschließend wird der Frage nachgegangen wie und wann sich die Additive Fertigung unter Nachhaltigkeitsaspekten lohnt. Ergänzt wird das Buch durch ein Glossar sowie Konstruktionskataloge der Additiven Fertigungsverfahren und Gestaltungsregeln der Additiven Fertigung im Anhang.
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
2. Grundlagen
Zusammenfassung
Betrachtet man die Vielschichtigkeit des Themas und seine Implikationen in Bezug auf die Produktentwicklung, so muss eine Methodik strukturieren, sie muss sowohl den technischen Mehrwert als auch den Ablaufprozess erläutern und sie muss konkrete Methoden zur Lösungsfindung empfehlen. In diesem Kapitel geht es zunächst um die Strukturierung des Themas, die Technologie und den Entwicklungsprozess im Allgemeinen sowie spezifische Implikationen. Die unterschiedlichen, einen Ingenieur bei der Konstruktion unterstützenden Aspekte, wie das Vorgehen im Konkreten, Heuristiken und Methoden, Werkzeuge, Spezifikationen sowie die verbindende Wissensbasis werden dann in den folgenden Kapiteln bereitgestellt.
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
3. Planung, Potenziale und Spezifikation
Zusammenfassung
Die Frage wann und mit welchem Nutzen die Verfahren der Additiven Fertigung im industriellen Kontext eingesetzt werden können ist nicht einfach zu klären und wird häufig mit Musterbau, Kleinstückzahlen oder Leichtbau beantwortet. Gelegentlich wird auch versucht für klassische Herstellverfahren konstruierte Bauteile auf Additive Fertigung umzustellen. Die Stärken der Additiven Fertigung sind jedoch viel größer und vielfältiger.
Im Folgenden wird zur Unterstützung der eigenen Ideenfindung und Planung eine Betrachtung der Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der Additiven Fertigung durchgeführt. Es werden außerdem elf Gestaltungsziele vorgestellt für deren Umsetzung die Additive Fertigung vorteilhafte Lösungen bietet.
Als Methoden der Potentialbewertung im Unternehmenskontext werden dann Aspekte der prinzipiellen Eignung diskutiert. Weiterhin wird exemplarisch eine Kalkulation und eine Methode zur Bauteilportfolioanalyse vorgestellt.
Abschließend wird gezeigt, wie – je nach Aufgabenstellung – konkrete Anforderungen an die Vorentwicklung und Konstruktion abgeleitet werden können und wie sich diese am Beispiel einer Spezifikation in der Anforderungsliste wiederspiegeln.
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
4. Methoden für Vorentwicklung und Konstruktion
Zusammenfassung
Nachdem wir in Kap. 3 bereits über Ideenfindung und Präzisieren der Aufgabenstellung geschrieben haben, behandeln wir in Abschn. 4.1 die Methoden, welche das Konzipieren unterstützen. Ausgehend von Entwicklungszielen und Wiedersprüchen behandeln wir Konstruktionsprinzipien sowie die Variation von Struktur und Gestalt (Architektur) inklusive des Einsatzes innerer Strukturen sowie die Optimierung unter den Aspekten Struktur, Parameter und Topologie.
Abschn. 4.2 widmet sich dem Entwerfen und Gestalten sowie der Ausarbeitung. Der Entwurf (Abschn. 4.2.1) für die Additive Fertigung wird durch Entwurfsstrategien unterstützt. Einige werden wir mit Bezug zur Additiven Fertigung reflektieren. Unter Gestalten und Ausarbeiten besprechen wir in Abschn. 4.2.2 Gestaltungsrichtlinien.
In Abschn. 4.3 diskutieren wir exemplarisch, für das Selektive Laserstrahlschmelzen, konkrete Restriktionen, welche bei der Ausarbeitung zu berücksichtigen sind.
Schließlich teilen wir in Abschn. 4.4, unter Lessons Learned, unsere Erfahrungen zu Entwurf und Gestaltung von Additive Manufacturing Bauteilen aus zahlreichen Projekten der letzten zehn Jahre mit dem Leser.
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
5. Projektbeispiele
Zusammenfassung
In den vergangenen acht Jahren haben wir mehr als 30 Projekte zur Konstruktion für die Additive Fertigung durchgeführt. Es zeigt sich, dass neben den klassischen Entwurfsmethoden vor allem die in Kap. 3 und 4 vertieften Methoden der Potenzialfindung und Spezifikation für die Additive Fertigung – also die Variation von Produktstruktur und Gestalt, die Bionik und die Gestaltoptimierung – wesentlich für die Lösungsfindung sind. Gestaltungsrichtlinien und konkrete Restriktionen können Datenblättern und Katalogen entnommen werden und unterstützen die fokussierte Umsetzung ebenso wie Lessons Learned.
Jede Entwicklung findet dabei in einem spezifischen Kontext statt. Die Definition der mit der Additiven Fertigung verbundenen Zielsetzung ist entscheidend für den erfolgreichen Entwurf. Der Konstruktionsprozess folgt dabei der allgemein in der VDI 2221 beschriebenen Logik. Die Ausprägung ist jedoch stark abhängig vom jeweiligen Gestaltungsziel und den zu handhabenden physikalischen Zusammenhängen. Analogien aus der folgenden Fallbasis können helfen für die eigenen Herausforderungen einen Lösungsweg zu entwickeln.
In der Fallbasis werden für zehn der oben beschriebenen elf Gestaltungsziele jeweils Beispiele vorgestellt. Bezogen auf das elfte Ziel – Zeitersparnis – wird auf Rapid Prototyping später gesondert eingegangen.
Folgenden Aspekte werden für jedes Beispiel diskutiert:
  • Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material
  • Methodeneinsatz und Prozess
  • Bewertung der Ergebnisse
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
6. Die Entwicklungsumgebung
Zusammenfassung
Moderne Produktentstehungsprozesse, als Summe aus Produktentwicklung und Produktionsvorbereitung, werden durch rechnerunterstützte Entwicklungs-, Planungs- und Qualitätssicherungsumgebungen unterstützt. Diese werden auch als Computer-Aided-Engineering (CAE) beziehungsweise Computer-Aided-Manufacturing- (CAM) und in Summe als CAX Umgebung bezeichnet. Nach wie vor spielen aber auch Material, physische Modelle, der Maschinenpark sowie Vorrichtungen und Tests eine wichtige Rolle, die wir hier ebenfalls als Bestandteile einer Entwicklungsumgebung behandeln.
In diesem Kapitel werden zunächst die CAD-Modellierung, das Preprocessing und das zughörige Datenmanagement, also die CAE Umgebung, betrachtet. Wir werden dann zum CAM übergehen und über Materialien und ihre charakteristischen Parameter sowie die mit der Fertigung einhergehenden Maschinen und Maschinenparameter sprechen. Das Kapitel wird mit den Methoden und Werkzeugen zur Prüfung und Qualitätssicherung abgeschlossen.
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
7. Geschäftsmodelle
Zusammenfassung
Die Additive Fertigung ist neben den immer vorhandenen Pre-, In- und Postprozessen auch unternehmenstypologisch in eine Kette von Prozessen eingebettet, die in ihrer Struktur das jeweilige Geschäftsmodell abbildet. Die folgenden Abschnitte behandeln die Idee dieser Geschäftsmodelle/Business Cases und die sich daraus ergebenden Prozessketten sowie die Fragen nach den Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken im Kontext der Prozessketten. Es werden exemplarisch zehn typische Business Cases skizziert. Real sind Mischformen und sicherlich auch weitere Business Cases zu finden.
Wir beschreiben im Folgenden kurz die jeweiligen Business-Cases, geben stichpunktartig die Prozesskette wieder und diskutieren Stärken und Schwächen des jeweiligen Geschäftsmodells.
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
8. Lohnt sich die Additive Fertigung?
Zusammenfassung
Werfen wir resümierend einen Blick auf den Stand der Methodik zur Unterstützung der Entwicklung für die Additive Fertigung, so fällt auf, dass sich viele Autoren mit der Beschreibung der Maschinen und deren Technologie auseinandersetzen und ebenso zahlreiche Quellen zu Gestaltungsregeln und Beispielen vorliegen.
Wir wollen abschließend zu diesem Buch noch drei Betrachtungen anstellen:
  • Zum einen nehmen wir uns der umstrittenen Fragestellung an, ob und inwieweit sich Additive Fertigung auch unter den Aspekten der Ressourcen Nachhaltigkeit lohnt und welche Entwicklungen zukünftig erwartet werden könnten.
  • Zum nächsten werfen wir einen kurzen Blick auf domänenspezifische ökonomische Potentiale und ihre Reife in Bezug auf eine industrielle Nutzung.
  • Abschließend gehen wir der Frage nach, wie die Additive Fertigung aktuell im Kontext der Universitäten Lehre und des lebenslangen Lernens vermittelt werden kann und wie dies mit der Digitalisierung unseres Lebens korreliert.
Roland Lachmayer, René Bastian Lippert
Backmatter
Metadata
Title
Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung
Authors
Prof. Dr. Roland Lachmayer
Dr. René Bastian Lippert
Copyright Year
2020
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-59789-7
Print ISBN
978-3-662-59788-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-59789-7

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