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2022 | Buch

Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung

verfasst von: Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Das vorliegende Buch beschreibt nach einer Einführung in die Grundlagen der additiven Fertigung Spezifikationen von Bauteilen und Prozessen, Methoden zur Abschätzung der Bauteileignung 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. Ergänzend zur ersten Auflage werden die Themenaspekte Bauteilauswahl, Prozesskettengestaltung und die Validierung sowie die Qualitätskontrolle detaillierter vorgestellt. Des Weiteren wurden weite Teile des Buchs aktualisiert, um der dynamischen Entwicklung der additiven Fertigung gerecht werden zu können. Ergänzt wird das Buch durch ein Glossar sowie Konstruktionskataloge der additiven Fertigungsverfahren und Gestaltungsregeln der additiven Fertigung im Anhang

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Das vorliegende Buch beschreibt nach einer Einführung in die Grundlagen der Additiven Fertigung Methoden zur Potentialabschätzung und der Bauteilauswahl. Daran anschließend werden kreative Methoden zur Bauteilgestaltung, von der Identifizierung von Zielkonflikten über das Effect-Engineering hin zu Entwurfs- und Optimierungsstrategien, vorgestellt. Darauf aufbauend werden Gestaltungsrichtlinien thematisiert und auf Nachbearbeitungsverfahren eingegangen. 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, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 2. Grundlagen
Zusammenfassung
Betrachtet man die Vielschichtigkeit des Themas additive Fertigung und seine Implikationen in Bezug auf die Produktentwicklung, so muss eine Methodik zum einen strukturieren sowie den technischen als auch den Ablaufprozess erläutern und zum anderen 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 für das Thema der additiven Fertigung. 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, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 3. Bauteilauswahl
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. Zu zeigen, dass die Stärken der Technologie, insbesondere in Bezug auf die additive „Serienfertigung“, viel größer und vielfältiger sind und wie man diese erkennen und umsetzen kann, soll ein wesentlicher Beitrag dieses Buches sein. Dazu erfolgt in diesem Kapitel eine Betrachtung der Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der additiven Fertigung, mit dem Ziel die eigene Ideenfindung und Planung zu unterstützen. Anschließend werden Methoden der Potentialabschätzung im Unternehmenskontext vorgestellt sowie Aspekte und Kriterien der prinzipiellen Eignung diskutiert. Darauf aufbauend erfolgt eine Bauteilportfolioanalyse. Abschließend wird für dieses Kapitel ein Bewertungskatalog zur Bauteileignung für die additive Fertigung thematisiert.
Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 4. Kreative Methoden
Zusammenfassung
Im folgenden Kapitel werden die kreativen Methoden des „Design with Additive Manufacturing“ vorgestellt. Der Fokus liegt auf der Nutzung der konstruktiven Freiheiten und Potentiale zur Erweiterung des Lösungsraums. Dazu werden in Abschnitt 4.1 Anforderungen in Form einer Checkliste spezifiziert, welche bei der additiven Fertigung berücksichtigt werden müssen. Anschließend werden in Abschnitt 4.2 die Gestaltungsziele und konstruktiven Widersprüche vorgestellt. Dabei ist hervorzuheben, dass durch das Verfolgen mehrerer Gestaltungsziele in der Konzeptphase ein deutlicher Mehrwert gegenüber konventionell gefertigten Produkten realisiert werden kann. Ausgehend von Entwicklungszielen und Widersprüchen thematisieren wir in Abschnitt 4.3 die allgemeine Funktionsstruktur, aus der die Notwendigkeit des Effect-Engineerings (Abschnitt 4.4) hervorgeht. Anschließend wird in Abschnitt 4.5 die Produktarchitektur erarbeitet und Ansätze aus der Bionik vorgestellt. Darauf aufbauend werden in Abschnitt 4.6 Methoden für den Entwurf, wie Gestaltungsprinzipien, die Methode der Einteiligen Maschine und Methoden der Strukturoptimierung, detailliert betrachtet. Abschließend wird in Abschnitt 4.7 die Entwicklungsumgebung thematisiert.
Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 5. Restriktive Methoden
Zusammenfassung
Im folgenden Kapitel werden die restriktiven Methoden des „Design for Additive Manufacturing“ betrachtet. Das Kapitel beginnt mit einem Abschnitt über Gestaltungsrichtlinien, welche es bei der Ausführung des Entwurfs auch im Kontext der additiven Fertigung zu berücksichtigen gilt. In Abschnitt 5.2 diskutieren wir exemplarisch für das Laser Powder Bed Fusion konkrete Restriktionen, welche bei der Phase des Ausarbeitens zu berücksichtigen sind. Darauf aufbauend gehen wir in Abschnitt 5.3 auf relevante Nachbearbeitungsverfahren ein, um gewünschte Bauteileigenschaften realisieren zu können. Abschließend stellen wir in Abschnitt 5.4 Einblicke in die Kostenberechnung vor.
Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 6. Maschinensetup

In diesem Kapitel wird das Maschinensetup für die additive Fertigung thematisiert. Dies schließt sowohl die verfügbaren Materialklassen als auch einen Vergleich der Materialeigenschaften zwischen konventionell gefertigten und additiv gefertigten Bauteilen mit ein. Dazu werden wir die hervorragenden mechanischen Eigenschaften metallischer additiv gefertigter Bauteile hervorheben, die sogar die mechanischen Eigenschaften von Gussbauteilen übertreffen. Anschließend gehen wir auf die Maschinenparameter ein und beschreiben welchen Einfluss diese auf die Bauteileigenschaften haben.

Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 7. Validierung und Qualitätssicherung

Die Validierung und Qualitätssicherung ist ein zentraler Bestandteil der Prozesskette der additiven Fertigung. Unter Einbeziehung der zahlreichen Prozessparameter und der Vergleichbarkeit mit traditionellen Fertigungsverfahren ist es unumgänglich, die Prozesse und additiv gefertigten Bauteile zu prüfen und zu validieren. Für den Einsatz als hochbelastetes Strukturbauteil müssen eine hohe Porosität, Einschlüsse und Lunker ausgeschlossen sowie ein homogenes Werkstoffgefüge realisiert werden. An erster Stelle der Prozesskette steht dabei die Prozesssimulation (Abschnitt 7.1). Auf dieser Basis können bereits kritische Bereiche des Bauteils, aber auch thermischer Verzug, detektiert werden. Daran anschließend können Maßnahmen zur Prozessüberwachung und -regelung getroffen werden, um bereits Fehler während des Bauprozesses zu detektieren und Handlungsstrategien abzuleiten (Abschnitt 7.2). An den Bauprozess anschließend sollten zerstörungsfreie Prüfmethoden, wie beispielsweise CT-Scans, angewendet werden (Abschnitt 7.3). Abschließend empfiehlt es sich die Produkteigenschaften an einzelnen Bauteilen durch eine zerstörende Prüfung zu validieren (Abschnitt 7.4).

Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 8. Projektbeispiele

In den vergangenen zehn Jahren haben wir mehr als 40 Projekte zur Konstruktion für die additive Fertigung durchgeführt. Es zeigt sich, dass neben den klassischen Entwurfsmethoden vor allem die Methoden der Potentialfindung und Spezifikation für die additive Fertigung, der Variation von Produktstruktur und Gestalt, der Bionik und der Gestaltoptimierung wesentlich für die Lösungsfindung sind. 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 VDI2221 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 Gestaltungsziele jeweils Beispiele vorgestellt. Folgenden Aspekte werden für jedes Beispiel diskutiert: (1) Anforderungen an das Bauteil, Verfahren und Material; (2) Methodeneinsatz und Prozess; (3) Bewertung der Ergebnisse

Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 9. 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 der additiven Fertigung im Kontext der Prozessketten. Es werden exemplarisch zehn typische Business Cases skizziert. Real sind Mischformen und 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, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Kapitel 10. 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: (1) Zum einen nehmen wir uns der umstrittenen Fragestellung an, ob und inwieweit sich additive Fertigung auch unter den Aspekten der Nachhaltigkeit lohnt und welche Entwicklungen zukünftig erwartet werden könnten. (2) Zum anderen werfen wir einen kurzen Blick auf domänenspezifische ökonomische Potentiale und ihre Reife in Bezug auf eine industrielle Nutzung. (3) 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, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert
Backmatter
Metadaten
Titel
Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung
verfasst von
Roland Lachmayer
Tobias Ehlers
Rene Bastian Lippert
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-65924-3
Print ISBN
978-3-662-65923-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-65924-3

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