Konstruktion für die Additive Fertigung 2019

Additive Fertigungsverfahren bieten im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren konstruktive Freiheiten. Aufgrund der vielen Freiheitsgrade werden bei der Entwicklung von Produktkonzepten neue Anforderungen an Produktentwickler und den Produktentwicklungsprozess gestellt. Am Beispiel eines konkreten Anwendungsfalls, der Erstellung einer Leitlinie zur Berücksichtigung additiver Fertigungsverfahren in der Produktentwicklung bei der Firma thyssenkrupp, werden einhergehende Herausforderungen genauer untersucht. Basierend auf einer Literaturrecherche werden vorhandene Ansätze zur Unterstützung von Design für die additive Fertigung systematisch zur unternehmensspezifischen Anwendung angepasst. Dazu werden sie zunächst Produktentwicklungsphasen zugeordnet. Im folgenden Schritt werden allgemeine Gestaltungsrichtlinien an den konkreten Unternehmenskontext durch den unternehmensspezifischen Produktentwicklungsprozess, die Fertigungsmöglichkeiten und die Produktpalette angepasst. Abschließend wird die Verallgemeinerbarkeit des vorgeschlagenen Vorgehens zur Entwicklung der unternehmensspezifischen Leitlinie diskutiert.

Zur Materialauswahl wird in der Automobilindustrie Stahl aufgrund der breiten Verfügbarkeit, günstiger Beschaffungskosten, der hohen Recyclingquote sowie guter mechanischer Festigkeitseigenschaften favorisiert. Additive, stahlverarbeitende Fertigungsverfahren, z. B. pulverbettbasierte Laser Additive Manufacturing, ermöglichen die individualisierte, werkzeuglose Herstellung komplexer Produkte. Die hierfür erforderlichen Werkstoffe sind nur bedingt am Markt verfügbar.

Die Anwendung niedriglegierter Stähle für die Laseradditive Fertigung ist von besonderem Interesse, um den hohen Festigkeitsanforderungen mit ausreichender Duktilität und ähnlicher Werkstoffchemie zu konventionellen Werkstoffen im Automobilrohbau gerecht zu werden.

Im Rahmen des Beitrags werden Eigenschaften laseradditiv generierter Probekörper eines hochfesten, duktilen Stahls beschrieben, dessen Legierung im BMBF-Projekt „StaVari“ entwickelt wird. Dabei wird die Prozesskette Pulverherstellung, LAM-Prozess, Wärme- und Oberflächenbehandlung des gedruckten Bauteils bis zu fügetechnischen Aspekten betrachtet.

LAM generierte, wärme- und oberflächenbehandelte Probekörper werden mechanischen Tests unterzogen und mit einem Referenzblechwerkstoff verglichen. Weiterführend werden gefügte Proben hergestellt und geprüft. Dabei wird zunächst das strukturelle Kleben betrachtet, um mögliche oberflächenspezifische Besonderheiten gedruckter Werkstoffe nachzuvollziehen.

Die Verfahren der additiven Fertigung haben sich in vielen Branchen zur Herstellung komplexer Bauteilgeometrien, auch über den Prototypenbau hinaus, etabliert und tragen zum Erhalt der Innovationsfähigkeit des Maschinen- und Anlagenbaus bei. Die Geschäftsmodelle des Maschinenbaus wandeln sich jedoch von der klaren Produktorientierung hin zu kundenorientierten Lösungsangeboten, was die Bedeutung des Servicegeschäfts stärkt. Hier bietet die additive Fertigung mehrere Potenziale: Zum einen lassen sich Verfahren wie das selektive Laserstrahlschmelzen oder das Laserauftragsschweißen beispielsweise direkt zur Reparatur verschlissener oder beschädigter Bauteile einsetzen. Zum anderen erlaubt dieses so genannte Additive Repair parallel die Optimierung des Bauteils auf den jeweiligen Einsatzzweck durch Anpassung von Geometrie oder Werkstoffsystem. Dieser Beitrag zeigt auf, welche Veränderungen sich im After-Sales-Geschäft durch den Einsatz von Additive Repair ergeben. Am Beispiel von Geschäftsmodellen im Ersatzteilmanagement werden hierzu die Veränderungen identifiziert und die resultierenden Chancen und Risiken für die beteiligten Unternehmen abgeleitet.

Individuelle Kniegelenkimplantate bieten den Vorteil einer hinreichend genauen Anpassung an jeden Patientenfall in Größe, Form und Funktion. Dabei ermöglichen additive Fertigungsmethoden die patientenspezifische Herstellung sowie die Funktionsintegration der Gelenkknochen- (Metall) und Inlay-Komponenten (Kunststoff). Beschrieben ist die Entwicklung eines universellen parametrischen Knieimplantatmodells, welches durch Parametervariierung im CAD-System an den Patienten angepasst wird. Die Fertigung der Metall-Komponenten erfolgt im EBM-Verfahren aus Titan.

Die Konstruktion erfordert als Eingangsgrößen verschiedene Parameter des menschlichen Kniegelenkes, welche im Vorfeld der Designentwicklung festzulegen sind. Diese patientenspezifischen Daten werden aus CT-Datensätzen gewonnen und umfassen Metadaten (Diagnostik) sowie anatomische und geometrische Parameter (Anatomie, Biomechanik). Aus deren effizienter Bereitstellung im Modellierungswerkzeug mittels Eingangsgrößenbewertung resultieren die Parameter des Implantatmodells. Anschließend wird das Modell für tabellengesteuerte individuelle Maßanpassungen konstruiert.

Ziel ist die form- und maßgetreue Knieimplantat-Adaption für optimale Gelenkflächenrückführung und -erstattung. Um die Individualität auf das reale Produkt zu übertragen, wird die Fertigung mittels EBM-Verfahren aufgrund seiner spezifischen Vorteile für Medizinprodukte genutzt.

Additive Fertigungsverfahren wie das „laserbasierte Pulverbettschmelzen“ bieten durch ihre Eigenschaften (generativ, digital und direkt) eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Herstellung von Kleinserien. Gleichzeitig sind dem In-Prozess nicht additive Fertigungsschritte, z. B. zur Oberflächenbearbeitung nachgelagert. Diese und weitere Post-Prozess-Arbeitsschritte können, neben der additiven Fertigung, sehr zeitaufwendig und kostenintensiv sein.

In diesem Beitrag wird eine Methodik zur Berücksichtigung von funktions- und fertigungsgerechtem Design mit zu erwartenden, ausgewählten Durchlaufzeitanteilen vorgestellt. Dazu werden REFA-Methoden zur Datenermittlung und Definition von Durchlaufzeitanteilen verwendet und auf die AM-Prozesskette übertragen. Damit wird eine verbesserte Integration von AM in konventionelle Prozesse geschaffen. Es wird gezeigt, wie durch prozessspezifische Einflussgrößen und definierte Formelemente eine Abschätzung des Nachbearbeitungsaufwandes durchgeführt werden kann. Bestehende Kostenmodelle insbesondere zur Berechnung des In-Prozesses werden ergänzt und Wechselwirkungen zwischen In-Prozess und Post-Prozess aufgezeigt. Hiermit wird die methodische Basis für die Integration einer ganzheitlichen Durchlaufzeitbetrachtung in bestehende CAE-Software geschaffen. Der wirtschaftliche Nutzen der Methodik wird anhand eines Beispiels aufgezeigt.

Die Verwendung von Gitterstrukturen innerhalb eines additiv gefertigten Bauteils kann bei gezielter Anpassung und Dimensionierung der Gitterstege belastungs- und gewichtsoptimiert erfolgen. Dies ist von Vorteil, da bei gleichbleibender Außengeometrie das Gewicht eines Bauteils deutlich reduziert werden kann.

Statt wie in vielen Anwendungen verbreitet, regelmäßige reguläre Gitterstrukturen zu nutzen wird im eingereichten Beitrag ein Verfahren vorgestellt, welches irreguläre Gitterstrukturen auf Basis von Voronoi-Diagrammen erzeugt. Die Saatpunkte werden dabei nicht rein zufällig, sondern durch ein angepasstes Poisson-Disk-Sampling generiert, was zu einer lokalen lastangepassten Dichteanpassung führt. Diese Methode erlaubt, entsprechend der auftretenden Belastungen im Bauteil, höher Strukturdichten innerhalb des Gitters zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil bei dieser Saatpunkterzeugung ist, dass die Verteilung der Zellen lokal homogen möglich ist. Dadurch entstehen weniger verformte, degenerierte Zellen (bspw. durch spitze Winkel). Ferner wird gezeigt, dass diese Zellen sich auch besser in komplexe Außengeometrien von Bauteilen integrieren lassen, da die Erzeugung ohne offene Steg-Enden möglich ist.

In der Formula Student, einem Konstruktionswettbewerb für Studenten, gewinnt das Thema Leichtbau immer mehr an Bedeutung. Mit geringerer Masse sind die konstruierten Rennwagen wettkampftauglicher. Daher bietet sich das Selektive Laserstrahlschmelzens an, um für den Anwendungsfall optimierte Geometrien zu erzeugen, welche mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind. Eine geringe Teilezahl innerhalb von Baugruppen ist dabei vorteilhaft, um den Fertigungs- und Montageaufwand gering zu halten. In diesem Beitrag wird eine Methode zur Teilezahlreduktion, unter Anwendung der Funktionsintegration, entwickelt. Diese wird beispielhaft an der Pedalerie eines Formula Student Rennwagens durchgeführt. Basierend auf dieser Auswahl wird eine neue Geometrie ermittelt und mit Hilfe der Topologieoptimierung in iterativen Schritten das Gewicht optimiert. Die Geometrie wird mittels einer FE-Analyse validiert und das fertige Modell aus der Aluminiumlegierung ALSI10Mg gefertigt.

Dämpfungsmechanismen spielen in dynamischen Systemen eine entscheidende Rolle, um das Schwingungsverhalten zu beeinflussen. In der Mehrzahl der Anwendungsfälle sind Schwingungen unerwünscht und müssen reduziert werden. Beispielsweise können Schwingungen im Fahrzeug zur Verminderung des Fahrkomforts oder bei anderen Anwendungen zu Resonanzkatastrophen führen. Aus der Mechanik bekannte Strategien zur Schwingungsreduzierung sind Isolierung, Dämpfung und Tilgung. Bei partikelgedämpften Systemen wird, infolge von Partikelreibung und Partikelkollisionen, kinetische Energie in Reibung umgewandelt und dem System Energie entzogen. Das Selektive Laserstrahlschmelzen ermöglicht es gezielt unverschmolzenes Pulver ins Bauteilinnere einzulagern. So können partikelgedämpfte Strukturen gefertigt werden, die eine erhöhte Bauteildämpfung aufweisen.

Dieser Beitrag beschreibt den Stand der Technik zu Partikeldämpfern. Es wird auf die verschiedenen Designparameter eingegangen und aufgezeigt welchen Einfluss diese auf die Bauteildämpfung haben. Darauf aufbauend wird das Selektive Laserstrahlschmelzen vorgestellt und der Stand der Forschung zum Einsatz und Auslegung von laserstrahlgeschmolzenen Partikeldämpfern beschrieben. Weiterführend werden Fertigungsrestriktionen behandelt, welche bei der Herstellung berücksichtigt werden müssen.

Additive Fertigung ist zum etablierten Prozess geworden. Durch schichtweisen Aufbau werden nicht mehr nur Prototypen gefertigt, sondern auch Bauteile mit hohen Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen. Im Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren gefertigte Bauteile werden schichtweise durch Extrusionspfade aufgebaut und besitzen in Pfadrichtung üblicherweise bessere mechanische Eigenschaften als quer dazu. Unterschiedliche Extrusionspfade, insbesondere im Bauteilinneren („Infills“) besitzen daher einen hohen Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften. Um diese bereits vor der eigentlichen Fertigung abschätzen zu können, wurde ein Simulationsansatz entwickelt, der ausgehend von Fertigungsinformation (G-code) ein Simulationsmodell aufbaut, welches die lokal unterschiedlichen Materialorientierungen berücksichtigt. Dieser Ansatz soll detailliert vorgestellt und anhand eines Demonstratorbauteils mit unterschiedlichen Infill-Mustern angewandt werden.

Im Bereich der Lasertechnik stellen die Bauteilintegration von Nd:YAG Laserkristallen und deren thermisches Management besondere Herausforderungen dar. Pumpabsorptionverluste im Nd:YAG-Kristall führen zu der Ausbildung eines Temperaturgradienten im Lasermaterial, der innerkristalline Spannungen zur Folge hat. Diese Spannungen können die Kristallbruchgrenze überschreiten und zu einer Schädigung des Laserkristalls führen.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell zur Beschreibung der thermomechanischen Vorgänge zur Entwicklung eines auf Wasserkühlung basierenden Kühlkörperkonzeptes erstellt. Ziel des Kühlkörpers ist die Reduktion der kritischen Materialspannungen im Nd:YAG-Kristall. Basierend auf der Annahme einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Nd:YAG und dem AlSi10Mg-Kühlkörper, die durch das Laser Powder Bed Fusion – Verfahren erzeugt wird, werden materialtechnische Anforderungen an die Grenzfläche rechnerbasiert definiert. Weiterhin wird das geometrische Konzept der Kühlkanäle überarbeitet und dessen Einfluss auf die thermomechanischen Größen im Laserkristall evaluiert.

Das Selektive Laserstrahlschmelzen von Metallen gewinnt zunehmende Relevanz für die Herstellung von Strukturbauteilen. Eine wichtige gesellschaftliche Frage ist, inwieweit in diesem energieintensiven Sektor die neue Technologie zur Verbesserung der Nachhaltigkeit beitragen kann bzw. welche Maßnahmen gezielt ergriffen werden können. Durch die Betrachtung des CO₂-Footprints besteht bereits eine Möglichkeit die konventionelle Fertigung mit der Additiven Fertigung zu vergleichen und zu bewerten. Allerdings ist diese Art der Bewertung sehr einseitig und kann nicht die gesamte Breite des Nachhaltigkeitsgedankens aufgreifen.

In diesem Beitrag wird das Selektive Laserstrahlschmelzen auf Basis einer Öko-Bilanzierung bewertet. Es wird aufgezeigt, wie mit der Additiven Fertigung die Potenziale der Nachhaltigkeit umgesetzt werden können. Darüber hinaus wird ein Bewertungsansatz erstellt, der auf der Kostenbetrachtung basiert und diese mit der bereits bekannten CO2-Bilanzierung kombiniert.

Das Wire and Arc Manufacturing (WAAM) verspricht eine hohe Produktivität bei im Vergleich zu anderen Verfahren geringeren Kosten aber gleichzeitig geringerer Genauigkeit der hergestellten Bauteile. Aufgrund des spezifischen Verfahrensablaufs ist die erfolgreiche Herstellung von Funktionsbauteilen geknüpft an Prozess und Geometrie.

Die Anforderung einer Nachbearbeitung für Funktionsflächen ist genauso eine Randbedingung wie der werkstofforientierte Prozess und die Berücksichtigung von nicht nur im Sinne der Bauteilbelastung optimierten Strukturen.

Eine ausgewogene Berücksichtigung all dieser Aspekte ermöglicht es, dass ein WAAM-Bauteil hinsichtlich Geometrie, Funktion, seiner Gebrauchseigenschaften sowie der Herstellkosten und Fertigungsdauer eine optimale Kombination darstellt. Im Rahmen des Beitrages werden die WAAM-spezifischen Randbedingungen sowie Anforderungen und Vorschläge zur Handhabung bei Gestaltung und Fertigungsplanung an praktischen Beispielen dargestellt. Der Beitrag soll einen Überblick über die Fähigkeiten des WAAM-Verfahrens geben.

Weiterentwicklungen in der Prozess- und Werkstofftechnik und die zunehmende Identifikation von konstruktiven Potenzialen der Additiven Fertigung (AM) motivieren neue Ansätze in der Bauteil-, Baugruppen- und Produktgestaltung. Eine zielgerichtete und nutzenorientierte Anwendung der resultierenden Gestaltungsfreiheiten bedarf jedoch einer angepassten Herangehensweise an die Lösungsfindung und somit an den Produktentwicklungsprozess. Hierzu werden in der Literatur Methoden und Hilfsmittel zur Potenzialanwendung vorgestellt, welche erste Adaptionen des Produktentwicklungsprozesses vorschlagen. Des Weiteren erscheint die Kombination einzelner konstruktiver Gestaltungsfreiheiten zur vollumfänglichen Ausschöpfung von AM-Potenzialen besonders vielversprechend. Die damit einhergehenden Herausforderungen werden jedoch im Forschungsfeld „Design for Additive Manufacturing“ (DfAM) bislang unzureichend adressiert. In diesem Beitrag werden Zielkonflikte beleuchtet, welche aus der Kombination unterschiedlicher AM-bedingter Produktnutzen resultieren können. Zu diesem Zweck werden miteinander in Konflikt stehende konstruktive Freiheiten aufgezeigt und dadurch zusätzliches Wissen zur Potenzialanwendung bereitgestellt. Darüber hinaus wird anhand eines Beispiels verdeutlicht, dass AM-Potenziale zur Überbrückung sich unterscheidender Anforderungskollektive in der Lösungsfindungsphase von Nutzen sein können.

Das koaxiale Laser-Draht-Auftragschweißen ist ein Fertigungsverfahren für das Drucken generativer Strukturen und Beschichten bzw. Reparieren von Oberflächen. Anforderungen an die Systemtechnik liegen neben guten Schweißergebnissen besonders in der Robustheit gegenüber mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen sowie einer guten Handhabbarkeit.

Für das koaxiale Laser-Draht-Auftragschweißen wurde ein spezieller Bearbeitungskopf entwickelt. Dieser besitzt eine zentrische Drahtzufuhr sowie vier, den Draht umschließende Laserteilstrahlen mit gemeinsamem Fokuspunkt an der Drahtspitze. Die Erzeugung der Einzelstrahlen erfolgt aus dem fokussierten Strahl eines Diodenlasers mittels einer reflektiv beschichteten, vierseitigen Pyramide. Anschließend werden die vier Einzelstrahlen über Umlenkspiegel in die Prozesszone gelenkt.

Die Vorteile der in zweiter Generation bestehenden Systemtechnik liegen in der kompakten Baugröße mit geringer Störgeometrie, einem gekapselten optischen Pfad, geringen Drahtzufuhrradien und einer einfachen (De-)Montierbarkeit einzelner Komponenten. Weiterhin wurde eine Systemtechnikanpassung zur Verarbeitung von Glaswerkstoffen vorgenommen und erprobt.

Dieses Paper beschreibt die Entwicklung eines koaxialen Laser-Auftragschweißkopfes, zur additiven Verarbeitung von Metalldrähten, als auch Glaswerkstoffen in Faserform.