Rapid.Tech – International Trade Show & Conference for Additive Manufacturing

Der 3D-Druck hat sich aus dem Nischendasein der reinen Prototypen-Herstellung verabschiedet und wird mittlerweile zur Produktion von Funktionsbauteilen eingesetzt. Dabei bleibt er aber eine Domäne der Bastler, großen Industrie-Unternehmen und AM-Dienstleistern, die erhebliche Mittel in diese Technologie investieren, um Produkte zu individualisieren und nach Bedarf, z.B. Ersatzteile, verfügbar zu machen. Den meisten KMUs dagegen bleibt der Nutzen des 3D-Drucks aber verwehrt.Es stellen sich die Schlüsselfragen, wie man an digitale, dreidimensionale Daten für sinnvolle, individualisierte Bauteile kommt, ohne ein 3D-CAD-Software-Experte zu sein oder für eine Dienstleistung teuer bezahlen zu müssen und den anschließenden Bestell- und Produktionsprozess in bestehende Prozesse ohne zusätzlichen Mehraufwand integriert.Mit GENERATUM, dem interaktiven, WEB-basierten Produkt-Generator wollen wir eine Antwort auf diese Fragen geben. Mit dem Produkt-Generator bieten wir im B2B Geschäft Unternehmen die Möglichkeit ausgewählte Produkte durch den Endkunden webbasiert parametrisieren, individualisieren und „branden“ zu lassen. Das Ganze integriert in bestehende WEB-Shop Systeme, angepasst an das Corporate Identity des Kunden. Die generative Fertigung der Produkte geschieht im Hintergrund, ohne zusätzliche Produktions-Ressourcen des Kunden zu binden. Bei ausgewählten Produkten ermöglicht das eine wirtschaftliche Fertigung von Endkunden-spezifischen Produktvarianten bereits ab Stückzahl 1. Das Vorhalten einer Vielzahl von Produktvarianten und „Ladenhütern“ entfällt, da die Produkte „on demand“ generiert und produziert werden.

Zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Bauteilen ist die Bestimmung ihres Deformationsverhaltens unter Belastung von elementarer Bedeutung. In der Regel werden die Verformungen des Bauteils jedoch nur auf dessen Oberfläche registriert und daraus Rückschlüsse auf die Spannungen im Bauteil gezogen. In der hier vorgestellten Arbeit wird gezeigt, dass an mittels FFF (Fused Filament Fabrication) -Drucktechnologie erstellten Bauteilen über eine Kombination von Verfahren aus Röntgen-Computertomographie (CT), Bild-Korrelationsmethoden und In-situ-Druckprüfung eine adäquate Verformungsmessung im Inneren des Bauteils möglich ist. Basierend auf diesen Daten und vorliegenden Materialkenngrößen kann eine werkstoffmechanisch korrekte Beschreibung des Verhaltens eines mittels 3D-Druck erstellten Bauteils unter Belastung bis zur Prognose eines möglichen Versagensverhaltens vorgenommen werden. Das Verfahren beruht auf der Analyse von Volumendatensätzen, welche mit Hilfe einer Röntgen-CT, an Bauteilen in verschiedenen Belastungszuständen, erzeugt werden. Auf Grund der dichtebezogenen Kontrastunterschiede zwischen polymerer Matrix und eingebettetem Fasermaterial kann über die Methode der Grauwertkorrelation das Verschiebungsfeld im gesamten Bauteil in Bezug zum Ausgangszustand ermittelt werden. Aus diesem ist die Berechnung der inneren 3D-Dehnungen möglich. Werden diese zu den aufgebrachten Lasten in Beziehung gesetzt ist man in der Lage eine Reihe von effektiven Materialkenngrößen zu ermitteln.

Die Additive Fertigung beziehungsweise der 3D-Druck ist wohl die erfolgreichste Technologie, die sich so schnell auf dem Fertigungsmarkt durchsetzt. Dieses Verfahren ist nicht branchenabhängig und kann fast überall eingesetzt werden, ob in der Raumfahrt oder in der Konditorei, bei der Herstellung von Brillengestellen oder beim Hausbau, es gibt kaum eine Einschränkung bei der Verwendungsart. Das macht dieses Verfahren unter anderem so interessant.In diesem Vortag geht es darum, die industrielle Serienfertigung von Kunststoffteilen mittels Additiver Fertigung mit all ihren Vor- und Nachteilen zu präsentieren. Gibt es tatsächlich eine wirtschaftliche Chargenproduktion? Wie sieht heute eine industrielle Fertigung aus? Wie sollte sie in der Zukunft aussehen?

Um das additive Fertigungsverfahren Selective Laser Melting zur Serienreife weiterzuentwickeln, muss unter anderem die Aufbaurate (umgeschmolzenes Material pro Zeit) erhöht werden. In diesem Vortrag wird dazu das Hülle-Kern Verfahren mit Laserleistung bis zu 1kW für die Fertigung von Bauteilen aus Ti-6Al-4V vorgestellt. Bei diesem Verfahren wird der Kern des Bauteils mit einem Laserstrahldurchmesser von ca. 800μm und einer Schichtdicke von 90μm belichtet. Um die Oberflächenqualität nicht negativ zu beeinflussen, wird für die Hülle weiterhin ein Standardparametersatz verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein High-Power SLM Prozess mit Ti-6Al-4V geeignet ist, um Bauteile mit einer Dichte von >99,5% bei gleichzeitiger signifikanter Steigerung der Aufbaurate herzustellen.

Der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen verlangt nach einer hohen Endformnähe der zu fertigenden Bauteile, um den Aufwand und somit die Kosten für Materialeinsatz und Nachbearbeitung möglichst gering zu halten. Der additive Einsatz in Form des Laser-Pulver-Auftragschweißens bietet hierfür durch den gezielten Materialauftrag ein hohes Potential. Herausforderungen bestehen in Bereichen der Vorhersagbarkeit und der Reproduzierbarkeit des Materialauftrages, sowie der Fertigungszeit. Unterschiedliche Einflüsse bei der Schichterzeugung führen dabei zu Abweichungen von der Soll-Geometrie. Die vorliegenden Untersuchungen behandeln den Einfluss von Spurgeometrie, Spurüberlappung, Verfahrweg und Aufbaureihenfolge auf die entstehende Bauteilform. Die Teilung einer Lage in Rand- und Kernbereich ermöglicht einen konturangepassten Verfahrweg und eine Erhöhung der Endformnähe innerhalb einer Ebene. Die Verwendung unterschiedlicher Spurgrößen bei der Bauteilerzeugung verdeutlicht die Möglichkeiten einer hohen Auftragsrate bei gleichzeitig hoher Formgenauigkeit. Bereits kleine Unterschiede beim Materialauftrag zwischen Kern- und Randbereichen, Start- und Endpunkten sowie in Bereichen des Richtungswechsels führen aufgrund von Fehlerfortpflanzung nach mehreren Lagen zu Abweichungen in der Aufbaurichtung. Kompensierungen mittels angepasster Baustrategien werden aufgezeigt und diskutiert. Die Nickelbasislegierung Inconel 718, die Titanlegierung Ti-6Al-4V sowie der austenitische Stahl 316L sind Bestandteil der vorliegenden Untersuchungen. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen das Potenzial einer angepassten Aufbaustrategie zur reproduzierbaren Erzeugung von Bauteilen am Beispiel unterschiedlicher Körpergeometrien.

Previous studies showed, that the high initial surface roughness of additively manufactured metallic components has a significant impact on the fatigue performance of ‘as built’ parts. Milling and blasting are the most common surface finishing processes for a subsequent roughness reduction up to now. For some complex shapes, the application of these processes is limited due to indentations or inaccessible areas. Therefore, an enhanced electrolytic smoothening process was developed to decrease rapidly the roughness also of complex shaped additively manufactured parts due to its wet electro-chemical nature. This study shows current achievements reducing the initial surface roughness by the enhanced electrolytic smoothening process. The surface roughness of a structural optimized (bionic) demonstrator could be reduced from an initial value of approximately Ra = 11.8 μm down to Ra = 2.8 μm within a treatment time of less than 30 min. This correlates to a reduction of approximately 75 %. Moreover, a correlation between the fatigue performance and the surface roughness could be seen due a significant increase of the technical endurance limit when treating samples by the enhanced electrolytic smoothening.

Generative Fertigungstechnologien wie das Laser-Strahlschmelzen (LBM) sind durch die werkzeuglose Fertigung gekennzeichnet. Durch das schichtweise Aufbauprinzip können Werkstücke mit nahezu unbegrenzter Komplexität hergestellt werden. Dadurch ergeben sich im Vergleich zu konventionellen Fertigungstechnologien gänzlich unterschiedliche Zusammenhänge zwischen Stückkosten, Werkstückkomplexität und Losgröße. Der größte Kostenanteil von mittels LBM gefertigten Werkstücken wird durch die Maschinenkosten verursacht. Jedoch fehlt ein grundlegendes Verständnis darüber, von welchen Maschinenkomponenten dieser größte Kostenanteil verursacht wird und wie sich unterschiedliche Maschinenkonzepte auf die Stückkosten auswirken. Heutige LBM-Maschinenkonzepte unterscheiden sich bspw. in der Anzahl und der Leistung der verwendeten Laserstrahlquellen und in ihrer Bauraumgröße. Im Rahmen dieser Untersuchungen werden die Einflüsse der LBM-Maschinentechnik unter Berücksichtigung der jeweiligen Fertigungsaufgabe (kleinvolumige oder großvolumige Werkstücke) auf die Stückkosten systematisch aufgezeigt. Um sämtliche Kostenarten und -elemente während der Maschinenanschaffung und während der Nutzungsphase der Maschine (Energie-, Schutzgas-, Pulver- und Instandhaltungskosten) zu berücksichtigen, wird die Methode der Lebenszykluskostenrechnung gewählt. Durch die Entwicklung eines Maschinenstrukturmodells können die anhand von LBM-Einsatzszenarien (bspw. Fertigung von kleinvolumigen oder großvolumigen Werkstücken in kleiner oder großer Stückzahl) ermittelten Kostenanteile den Maschineneinzelkomponenten zugeordnet werden. Somit können die Lebenszykluskosten bereits während der frühen Entwicklungsphase von neuen LBM-Maschinengenerationen ermittelt und ggfs. maschinenspezifische Optimierungsmaßnahmen hergeleitet werden. Aus Anwendersicht dient die vorgestellte Methode als Unterstützung zur Auswahl einer für seinen Anwendungszweck geeigneten Maschine.

Das Laser-Sintern (LS) gewinnt zunehmend an Bedeutung als Kleinserienfertigungsverfahren. In fast 90 % der Fälle werden beim Laser-Sintern Polyamid 12 und Polyamid 11 verarbeitet, wobei PA 12 immer noch überwiegt. Bei der Verarbeitung der beiden Standardwerkstoffe werden zumeist von Materialherstellern oder Anlagenherstellern ermittelte Parametersätze verwendet. Untersuchungsergebnisse belegen jedoch, dass durch Optimierung von Einstellungen die Bauteilqualität teils signifikant gesteigert werden kann. Hierbei zeigt sich, dass die hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften optimalen Parameterbereiche sowohl stark vom Materialtyp als auch insbesondere von der zur Verarbeitung verwendeten Laser-Sinter-Maschine abhängen.Im Rahmen der vorgestellten Studie soll die Maschinenabhängigkeit optimaler Verarbeitungsbereiche für unterschiedliche kommerzielle Laser-Sinter-Materialien im Detail untersucht werden. Hierbei werden zwei PA 12-Typen (EOS PA 2200 und Arkema Orgasol Invent Smooth) und zwei PA 11-Typen (EOS PA 1101 und Arkema Rilsan Invent Black) sowie zwei Anlagensysteme (EOS Formiga P100 sowie DTM Sinterstation 2500HS) betrachtet. Zur Auswertung der Effekte wird die Ausprägung optimaler Energiedichtebereiche analysiert. Als Kennwerte werden in diesem Zusammenhang die Bauteildichte und die Bruchdehnung untersucht. Zusätzlich wird die im Prozess erzielbare Packungsdichte für unterschiedliche Anlagensysteme und verschiedene Materialien betrachtet. Gegenüber bisherigen Studien, welche zumeist nur ein einzelnes Material auf einer einzelnen Maschine verarbeiten, wird hier erstmals Prozesswissen für verschiedene Materialien und unterschiedliche Anlagen gleichzeitig aufgebaut.

Die Qualität lasergesinterter Bauteile hängt von einer Vielzahl von Einflussfaktoren entlang der Prozesskette ab. Für einen Einsatz als Serienverfahren und die Integration lasergesinterter Bauteile in das technische Umfeld ist insbesondere die Maßhaltigkeit entscheidend. Um realistische Toleranzen angeben zu können, müssen üblicherweise auftretende Maßabweichungen sowie entscheidende Einflussfaktoren bekannt sein. Maßabweichungen sowie deren Streuung können durch die Variation von Prozess- und Baujobparametern beeinflusst werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss verschiedener, ausgewählter Parameter auf die Maßhaltigkeit lasergesinterter Bauteile untersucht. Basierend auf den Untersuchungen kann eine Priorisierung mehr oder weniger entscheidender Faktoren vorgenommen werden. Ziel ist die Evaluierung möglicher Ursachen für Maßabweichungen sowie die Ableitung von Maßnahmen zur Reduktion und Homogenisierung ebendieser.

Das Material Ultem 9085 ist ein flammhemmender thermoplastischer Kunststoff, welcher mittels dem Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren verarbeitet werden kann. Aufgrund des geringen Gewichts bei gleichzeitig hoher Festigkeit sowie Erfüllung der FST Anforderungen finden Ultem 9085 Bauteile vermehrt Anwendung in der Luftfahrtindustrie. FDM prozesstypische Treppenstufeneffekte an runden oder schrägen Bauteilbereichen erfordern in der Regel eine Oberflächennachbehandlung für Endbauteile. Hierzu können beispielsweise Gleitschleifverfahren und/oder Beschichtungsverfahren genutzt werden. Eine alternative Oberflächennachbehandlungsmethode stellen chemische Verfahren dar, wie sie beispielsweise mittels Aceton für ABS Bauteile Anwendung finden.In dieser Veröffentlichung wird die Oberfläche von FDM Bauteilen aus dem Material Ultem 9085 mit Chloroform in der Gasphase nachbehandelt, um das Material an der Oberfläche zu lösen und das Bauteil zu glätten. Dazu werden Probekörper unterschiedlicher Baurichtungen behandelt und der Einfluss auf die Rauheit sowie die mechanischen Kennwerte analysiert. Die Analyse der Oberflächenrauheit und Bearbeitungszeit zeigt eine deutlich höhere Effektivität bei der chemischen Nachbehandlung im Verglich zum Gleitschleifen. Durch chemisches Nachbehandeln können die Rz Werte um mehr als 80% auf etwa 15μm reduziert werden. Mechanische Untersuchungen und MVR (Melt Volume Rate) Messungen zeigen keine Materialschädigung für chemisch bearbeitete Prüfkörper, deren Bearbeitungszeit bei Raumtemperatur unter 150 Minuten liegt.

Die größten Beschränkungen für den industriellen Einsatz des SLM-Prozesses liegen in der Reproduzierbarkeit, der Prozesssicherheit und den Pulverkosten. Je nach verwendetem Werkstoff, ist das Pulver einer der Kostenfaktoren mit Potential zur Verbesserung. Beispielsweise kann ein Wechsel von gas- zu wasserverdüstem Pulver zu einer erheblichen Kostenreduktion von bis zu 75% führen. Hierfür muss jedoch zuerst eine Qualifikation des Schmelzvorgangs erfolgen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf dem Beschichtungsprozess, dem Schmelzprozess und den daraus resultierenden Bauteileigenschaften. Die chemischen, physikalischen, geometrischen (z. B. Form, Größe usw.) und technologischen Eigenschaften der 1.4404-Pulver in Abhängigkeit von verschiedenen Verdüsungsverfahren sowie den gelieferten und modifizierten Kornfraktionen sowie deren Einfluss auf die Parametereinstellung des Laserstrahlschmelzprozesses und den daraus resultierenden Bauteileigenschaften wurden ermittelt. Basierend auf den Ergebnissen der durchgeführten Untersuchungen kann der Anwender zwischen alternativen Pulverwerkstoffen entscheiden. Dies fördert den Wettbewerb zwischen den verschiedenen Herstellungsverfahren aufgrund der verringerten Produktkosten.

The research on Additive Manufacturing (AM) technologies has been increasing in the past few years due to the freedom in designing and manufacturing of mechanical workpieces. One example is the Selective Laser Melting process (SLM), which has the capability of producing metallic functional workpieces with more complex geometries than the conventional processing methods. Such advantages are used by companies to meet new customer-specific requirements. Therefore, a reproducible process quality is demanded to ensure the product quality. The companies should precisely understand their processes and how to optimize them efficiently according to these customerspecific requirements. The optimization can be performed through process mapping and proper Key Performance Indicators (KPI) created from the map, as they allow a goaloriented process management. In order to help the companies to properly improve their processes, this paper presents the development of a high level process map focused on the SLM technology. The KPIs and internal process are defined and assessed taking into account the performed works at IPK. For this manufacturing technology, indicators such as Total Manufacturing Quality, Number of Failures, Total Production Time, and Manufacturing Time were formulated. By analyzing the map and KPIs, the process can be optimized and its condition reported.

Durch die Möglichkeiten des Selektiven Laserstrahlschmelzens wird der Gestaltungsraum von Bauteilen erweitert, da aufgrund der werkzeuglosen Formgebung nahezu beliebige Geometrie hergestellt werden können. Analog zu konventionellen Fertigungsverfahren müssen Prozess- und Maschinenrestriktionen bei der Bauteilgestaltung berücksichtigt werden. Demzufolge muss ein Bauteil explizit für das Selektive Laserstrahlschmelzen gestaltet werden. Um einen Mehrwert gegenüber anderen Verfahren zu erzielen, kann diese Adaption mittels verschiedener Gestaltungsansätze realisiert werden. Dabei bilden Gestaltungsrichtlinien die Prozess- und Maschinenrestriktionen ab. An einem Demonstratorbauteil, welches als Ausgangsmodell für den Gussprozess ausgelegt wurde, wird die Adaption durch eine belastungsbasierte Gestaltung für das Selektive Laserstrahlschmelzen beschrieben. Neben der restriktionsgerechten Gestaltung durch die Einbeziehung von Gestaltungsrichtlinien wird eine iterative Gestaltänderung des Modells beschrieben. Diese beruht auf einer rechnergestützten Validierung mittels Finite Element Methoden, wobei tatsächlich auftretende Kräfte am Demonstratorbauteil simuliert werden. Die Auswirkungen der Gestaltänderung werden im Vergleich zum Ausgangsmodell untersucht.

Die schichtweise Herstellung von Bauteilen durch die Additive Fertigung (AF) ermöglicht eine große Formgebungsfreiheit. Gleichzeitig impliziert die große Formgebungsfreiheit aufgrund des vergleichsweise weiten Designlösungsraums eine hohe Komplexität der Bauteilauslegung, was eine effiziente Ausschöpfung der Design-Potenziale der AF erschwert. Allgemeine Produktentwicklungsmethoden sind oftmals aufgrund ihres Anspruchs auf Universalität nicht effizient anwendbar, um eine maximale Ausschöpfung der Formgebungsfreiheit zu gewährleisten. Basierend auf einer Recherche zum Stand der Technik zu Designmethoden für die AF präsentiert dieser Vortrag eine Produktentwicklungsmethode für einen effizienten Design-Innovationsprozess speziell für die AF. Dazu wird eine systematische Integration der Bionik in den Lösungsfindungsprozess beginnend mit der Problemdefinition bis hin zum konkreten CAD-Bauteilentwurf unterstützt. Für die einzelnen Teilschritte des Bionik-Prozesses werden dabei nach Möglichkeit typische Produktentwicklungsmethoden herangezogen. Durch die Integration von Bionik, sollen in besonderem Maße multifunktionale Ansprüche an das Produkt berücksichtigt werden, was über eine reine Strukturoptimierung im Sinne des Leichtbaus hinausgeht. Die Methodik fokussiert dabei Anwenderfreundlichkeit sowie Zeit- und damit Kosteneffizienz. Abschließend erfolgt eine Bewertung und Validierung der erstellten Methode auf Basis eines Anwendungsbeispiels aus der Getriebetechnik.

Generative Fertigungsverfahren gestatten die Herstellung geometrisch komplexer Bauteile ohne den Einsatz von Formen oder Werkzeugen. Besonders aussichtsreich hinsichtlich der Erschließung breiterer Anwendungsfelder erscheinen pulverbasierte additive Fertigungsverfahren, wie beispielsweise das selektive Lasersintern von Polymeren oder das selektive Elektronenstrahlschmelzen von Metallen. In diesen Fertigungsprozessen hängt die Bauteilgüte unter anderem stark von der Fließfähigkeit des Ausgangsmaterials ab. So erlaubt beispielsweise die Scherzelle die zuverlässige Charakterisierung der Fließfähigkeit von Pulvermaterialien bei definierten Spannungszuständen. In der Praxis werden für die Charakterisierung der Fließeigenschaften von Pulvern für die Additive Fertigung darüber hinaus auch rotierende Trommeln (Revolution Powder Analyzer) und der Hausner-Faktor häufig eingesetzt. Allen vorgenannten Methoden gemeinsam ist, dass die Messungen typischerweise bei Raumtemperatur erfolgen, Scheruntersuchungen mittels Scherzellen, sowie die Bestimmung des Hausner-Faktors sind bei Prozesstemperatur schwierig umsetzbar. Im additiven Fertigungsprozess unterliegen die Strahlschmelzpulver sehr geringeren Verfestigungsspannungen und einer prozessbedingten Temperaturbelastung, deren Einfluss auf die Fließfähigkeit näher untersucht werden soll. In diesem Beitrag sollen daher Entwicklungen zur prozessangepassten Charakterisierung pulverförmiger Ausgangsmaterialien vorgestellt werden. Zur Bestimmung der Fließfähigkeit wird als alternative Messmethode ein beheizbarer Zugspannungstester genutzt. Der Messaufbau ermöglicht es die Temperaturbelastung während eines Fertigungsprozesses nachzustellen und das Fließverhalten der Ausgangspulver mit geringen, prozessangepassten Vorverfestigungen zu bestimmen. Weiterhin wird der wichtige Aspekt der Entmischung/Klassierung der Strahlschmelzmaterialien beim Pulverauftrag als Funktion von Auftragsgeschwindigkeit beispielhaft für kommerziell verfügbare Polymer- und Metallpulver diskutiert. Die vorgestellten Ansätze gestatten das Prozessverständnis der pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren erheblich zu erweitern.

Durch die Erweiterung der Anwendungsbereiche additiver Fertigungsverfahren, sind die Anforderungen an das Ausgangsmaterial gestiegen. Insbesondere bei pulver- und strahlbasierten Verfahren, wie dem Laserstrahlschmelzen oder dem Elektronenstrahlschmelzen, bietet eine Modifikation und Funktionalisierung der partikulären Ausgangswerkstoffe Ansatzpunkte, um das Materialverhalten im Fertigungsprozess positiv zu beeinflussen. In diesem Beitrag werden zwei Funktionalisierungsverfahren vorgestellt: Der Prozess des trockenen Beschichtens erlaubt es, Additive durch physikalische Wechselwirkungen an die Oberfläche der Ausgangspartikeln zu adhärieren. Dadurch kann zum Beispiel die Verarbeitbarkeit durch ein besseres Fließverhalten des Materials optimiert werden. Weiterhin können die optischen Eigenschaften verbessert werden. Ebenso ist es möglich spezifische Bauteileigenschaften zu generieren. Im konkreten Fall konnte durch eine Beschichtung von Polypropylen mit Ruß eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von gesinterten Proben erzielt werden. Das zweite Verfahren beruht auf der Anwendung chemischer Prozesse: Mittels chemischer Gasphasenabscheidung werden Multi- Materialen aus Kupfer und Aluminium hergestellt, wobei Aluminiumpartikeln die Basis bilden. Durch diese Beschichtung kann ebenfalls Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Materials genommen werden. Die Atomlagenabscheidung wird anhand einer Beschichtung von Polyamid 12 mit einer Silizium-Schicht gezeigt. Für diesen Prozess werden grundlegende Wachstumsmechanismen näher erläutert. Weiterhin wird auf den Einfluss der Schichtbildung auf die Fließfähigkeit und somit auf die Verarbeitbarkeit des Materials eingegangen.

Additive Verfahren, wie das selektive Lasersintern (SLS), bieten durch die werkzeuglose und direkte Fertigung ausgehend von CAD-Datenmodellen die Chance Funktionen in Bauteile zu integrieren. Dies kann sowohl auf Bauteil- (Schnapphaken, Befestigungselemente) als auch auf Werkstoffebene (Füllstoffe, Additive) stattfinden. Durch eine Funktionalisierung des Pulvermaterials mit einem bestimmten metallischen Wirkadditiv ist es im Anschluss der additiven Fertigung möglich, durch das Verfahren der Laserdirektstrukturierung (LDS), selektiv an der Bauteiloberfläche eine Metallisierung zu applizieren und somit ein Leiterbahnlayout zu erzeugen. Diese mit dem Additiv versetzten Pulver weisen jedoch essentielle Änderungen des Eigenschaftsprofils als auch des Prozessverhaltens auf, weshalb für derartige Pulverwerkstoffe keine Expertise bezüglich der Verarbeitung existiert.Durch die Korrelation des thermischen und optischen Werkstoffverhaltens LDSfunktionalisierter Pulver mit deren Prozessverhalten soll in diesem Beitrag untersucht werden, ob durch die Einbringung des Additives das übliche Modell einer Volumenabsorption des Materials hin zu einer oberflächennahen Absorption verschoben wird. Essentiell sind in diesem Zusammenhang die Wirkzusammenhänge zwischen den Pulver- und Schüttgutkenngrößen, der Absorption und der Wärmeleitfähigkeit sowie des Aufschmelz- und Kristallisationsverhaltens dieser LDSPulver. Korreliert werden diese Kenngrößen mit dem Prozessverhalten anhand von mikroskopischen Schnitten an einzelbelichteten Kunststofflinien und deren Schmelztiefe bzw. -breite.

Die Additive Fertigung (AM) umfasst eine Vielzahl an Technologien, mit denen Bauteile schicht- oder elementweise aufgebaut werden. Mit dem zunehmenden industriellen Einsatz additiver Fertigungsverfahren steigt die Relevanz für die Erarbeitung angepasster und vollständiger Arbeitssicherheitskonzepte. Im Vergleich zu umformenden, trennenden- oder fügenden Bearbeitungsverfahren ergeben sich insbesondere durch das Vorliegen des Ausgangsmaterials in Pulverform neue Herausforderungen. Im Folgenden sollen die wesentlichen Gefährdungen ausgewählter, für die additive Fertigung relevanter Pulverwerkstoffe aufgezeigt und die Prozessschritte hinsichtlich ihres Gefahrenpotenzials bewertet werden. Ausgehend davon werden Maßnahmen abgeleitet, um die Sicherheit bei der Verarbeitung von Metallen und Polymeren in der pulverbettbasierten additiven Fertigung zu verbessern. Im Rahmen dieses Beitrags soll für die Thematik Arbeitssicherheit sensibilisiert werden und es sollen Anhaltspunkte für die Entwicklung bzw. Verbesserung von Maßnahmen zur Steigerung des Arbeitsschutzes gegeben werden.

Additive Manufacturing (AM) hat das Potenzial, zu einer wesentlichen Veränderung der heutigen Produktionsabläufe zu führen. Wirtschaftliche Aspekte und Qualitätsansprüche müssen zunächst berücksichtigt werden, um eine breitere Anwendung der Technologie zu ermöglichen. Signifikanten Einfluss auf die Prozessstabilität sowie die Herstellkosten hat das verwendete Metallpulver. Die Pulveranforderungen für AM sind bezüglich Größe und Morphologie und die daraus resultierende Fließfähigkeit dahingehend limitiert, dass ein reproduzierbarer Pulverauftrag und damit die erforderliche Prozessstabilität gewährleistet sein muss. Konventionell werden Pulver für die additive Fertigung mit Gasmedium verdüst um eine hohe Fließfähigkeit durch sphärische Partikel zu gewährleisten. Die Anforderungen an die Pulvermorphologie haben dazu geführt, dass wirtschaftliche, skalierbare und in der Pulvermetallurgie verbreitet eingesetzte Verdüsungsverfahren bisher nicht verwendet wurden. Bei der Wasserverdüsung können die durch die hohen Abkühlraten irregulären Partikelformen durch Anpassung der Verdüsungsparameter dahingehend beeinflusst werden, dass die Pulver mit additiven Pulverbettverfahren verarbeitet werden können. In dieser Arbeit wird die Verarbeitung von Edelstahl 316L aus wasserverdüstem Pulver mit Laserschmelzen gezeigt. Die Mikrostruktur sowie mechanische Eigenschaften der resultierenden Bauteile werden mit Ergebnissen aus gasverdüsten Pulvern gegenübergestellt. Zusammen mit den jüngsten Entwicklungen zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit wird mit diesen das Anwendungspotenzial für die Serienproduktion signifikant erhöht.

Magnesiumlegierungen gewinnen zunehmend an Bedeutung für Leichtbauapplikationen und medizinische Anwendungen, da sie eine hohe spezifische Festigkeit und Biokompatibilität sowie biodegradierbare Eigenschaften besitzen. Das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM®) ist als eine neue Verarbeitungsroute für Magnesiumlegierungen von großer Bedeutung, da es einmalige Möglichkeiten zur Herstellung von individuellen und komplexen Bauteilen bietet und somit die Herstellung von neuen innovativen Produkten für biomedizinische und technische Applikationen erlaubt. In den letzten Jahren wurde die Machbarkeit des selektiven Laserstrahlschmelzens von Magnesiumlegierungen erfolgreich untersucht und geeignete Legierungen wurden identifiziert. Um einen ersten industriellen Pulverwerkstoff aus einer Magnesiumlegierung in den selektiven Laserstrahlschmelzprozess einzuführen, wurden Untersuchungen am Pulverwerkstoff einer Elektron® MAP43 Magnesiumlegierung von Magnesium Elektron Powders durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war die Identifizierung geeigneter Partikelgrößen für den Pulverwerkstoff sowie die Ermittlung geeigneter Parametersätze und Baustrategien, um Bauteile mit einer Dichte von > 99 % zu fertigen. Ebenso wurden erste mechanische Eigenschaften sowie die resultierende Mikrostruktur bestimmt. Dieser Beitrag stellt die aktuellen Ergebnisse dar und beschreibt die nächsten Schritte zur Einführung von Magnesiumlegierungen in einem industriellen SLM®-Prozess.

Die additive Fertigung hält zunehmend in der Produktion Einzug. Daraus entstehen zahlreiche Herausforderungen für die Anlagenhersteller. Steigerungen der Produktivität werden sich zukünftig nicht mehr nur durch Erhöhung der Laserleistung der Maschinen erreichen lassen.Zur optimalen Integration von AM-Maschinen in die Produktionsumgebung wird das momentan existierende stand-alone Maschinenkonzept revolutioniert. In Zukunft werden Maschinen modular miteinander kombiniert werden, um einen möglichst effizienten Footprint zu generieren und somit die Produktionsumgebung ideal auszunutzen.Bauprozess und Bauvor- und -nachbereitung werden physisch voneinander getrennt, um eine maximale Auslastung der Maschine im Bauvorgang zu gewährleisten und Maschinenstillstände zu minimieren.Weiterhin ist die Automatisierung zahlreicher Prozessschritte erforderlich, damit der Produktionsprozess bei der Vervielfachung an Arbeitsschritten, die durch Produktion entstehen, handhabbar bleibt. Automatisiertes Pulverhandling stellt hierbei ein zentrales Kriterium dar. Dabei geht es im Detail sowohl um den automatischen Pulvertransport zwischen einzelnen Maschinenelementen als auch um automatisierte Pulverabsaugung und Wiederaufbereitung während des Abrüstvorgangs. Die Integration von AMMaschinen nach Industrie-4.0-Standard stellt einen weiteren Meilenstein in der Einbindung der additiven Fertigung in die Produktion dar.Diese Neuerungen tragen entscheidend zur Etablierung der additiven Fertigung als Produktionstechnologie bei.

Die additive Fertigung von Metallteilen für Industrieanwendungen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Anlagen zur additiven Verarbeitung von Metallen sind zum großen Teil Laser- oder Elektronenstrahl-basierte Systeme, die kostenintensiv in der Anschaffung und komplex in Betrieb und Wartung sind.Die an der Universität Rostock entwickelte Anlage zur extrusionsbasierten additiven Herstellung dichter Metallteile (Composite Extrusion Modeling - CEM) zeichnet sich durch ein einfaches Materialhandling und eine gute Kosteneffektivität im Vergleich zu pulverbasierten Verfahren aus. Das Verfahren besteht aus zwei Phasen, dem additiven Aufbau von Grünteilen aus Metallspritzguss-Granulaten und dem anschließenden Entbindern und Sintern der Teile im industriellen Prozess. Die additive Fertigung der Grünteile geschieht im thermisch gesteuerten Extrusionsprozess. Dabei werden Stränge des plastifizierten Metallspritzguss-Granulates schichtweise zu dreidimensionalen Objekten aufgebaut. Auf diese Weise können im Gegensatz zu pulverbasierten Verfahren auch geschlossene Hohlräume dargestellt werden. Die Qualität der Grünteile, die mit dem speziell für dieses Verfahren entwickelten Druckkopf hergestellt wurden, entspricht der Qualität von Teilen, die mit dem Fused Deposition Modeling Verfahren hergestellt wurden. Sind glatte Oberflächen oder enge Fertigungstoleranzen gefordert, ist es möglich, die entsprechenden Flächen vor dem Sintern zu bearbeiten.

Im Konstruktionsprozess sollte die Form der Funktion folgen. Häufig sieht die Praxis anders aus. Die Prämissen des Fertigungsprozesses verlangen Kompromisse und jahrelang waren die besten Konstrukteure diejenigen, welche die Forderungen der Fertigung schon im ersten Entwurf berücksichtigt hatten. Additive Technologien stellen jetzt den Grundsatz wieder vom Kopf auf die Füße. Ein Bereich, in dem sich additive Fertigungsverfahren bereits einen festen Platz erarbeitet haben, sind Sandkerne und –formen für den Sandguss und verlorene Modelle für den Feinguss.Bei konventioneller Fertigung müssen die Konstruktionen den Anforderungen des Abformprozesses genügen. Es müssen Ausformschrägen angebracht werden und die Kerne müssen sich in einem Kernkasten herstellen und vor allem aus ihm entformen lassen. In der Praxis führt das zu unangenehmen Nebenwirkungen. So kann zum Beispiel die Kontur von Turbinenschaufeln häufig nicht dem strömungsmechanisch Erforderlichen folgen, sodass Wirkungsgrad und Arbeitsbereich der Turbine schlechter sind als eigentlich möglich und gewünscht.Die Kosten für additiv hergestellte Teile betragen nicht selten etwa das Einhundertfache konventionell hergestellter Teile. Sicher wird das in Zukunft sinken, aber die Kostengleichheit ist noch weit entfernt. Additiv denken heißt, mit den neuen technischen Möglichkeiten gezielt einen Mehrwert zu schaffen, der die höheren Kosten übertrifft.

Als generatives Fertigungsverfahren wird dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) hohes Potenzial an Designfreiheit zugesprochen. Trotz der hohen Gestaltungsmöglichkeiten, kommt es bei generativ gefertigten Bauteilen zu Abweichungen im Vergleich zu deren digitalen Modellen. Konstrukteure müssen daher Randbedingungen beachten, um die entsprechenden Geometrien fehlerfrei herzustellen. In dieser Arbeit werden am Beispiel zweier identischer Demonstratoren kleine geometrische Strukturen analysiert. Diese wurden mit der EBM-Anlage Arcam A2X unter Verwendung von Ti-6Al-4V bei typischen Prozessparametern gefertigt. Die Demonstratoren beinhalten geometrische Strukturen wie Wände, Zylinder, Bohrungen und Spalten in Strahlrichtung im Bereich 0,1-2 mm. Weiterhin sind Stege und Zylinder in Winkeln zur Strahlrichtung bis hin zu waagerechten Überhängen enthalten. Die Demonstratoren sind mittels optischer 3DDigitalisierung und der Computertomographie (CT) erfasst und ausgewertet worden. Die Ergebnisse werden zu grundlegenden Designempfehlungen für das EBM-Verfahren zusammengefasst.

Die Zielsetzung beim Radfahren ist das Leistungspotential des Fahrers vollständig auszunutzen. Dabei muss das Fahrrad optimal an die Körpermaße des Fahrers angepasst werden. Besonders im Rennradsport ist neben dem hohen Leichtbaupotential eine aerodynamische Sitzhaltung von enormer Bedeutung. Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen sind individuelle Bauteile und Strukturen zu entwickeln, da nicht in allen Fällen die Abmessungen der Standardbauteile eine optimale Anpassung zulassen. Im Hinblick auf einen groß gewachsenen Fahrer ist ein verlängerter Vorbau – Gabel-Lenker-Verbindung – für eine aerodynamische Sitzhaltung und somit einen geringeren Luftwiderstand unumgänglich. Für die Herstellung solcher maßgeschneiderten Strukturen ist die additive Fertigung aufgrund der hohen gestalterischen Freiheiten und des hohen Individualisierungsgrades besonders geeignet.Im Rahmen dieses Beitrags wird ein Fahrradvorbau für einen überdurchschnittlich langen Fahrer festigkeits- und leichtbauoptimiert konstruiert und nach der Norm DIN EN ISO4210 unter Berücksichtigung der verfahrensspezifischen Randbedingungen beziehungsweise Gestaltungsrichtlinien des Laserstrahlschmelzens ausgelegt. Ausgangsbasis für die Geometriegestaltung sind die Grundlagen der Festigkeitsberechnung. Ein CAD-Modell wird erstellt und aufgrund der komplexen Belastungssituation mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch untersucht sowie optimiert. Nach mehreren Iterationsschritten wird für den Werkstoff TiAl6V4 ein gewichtsreduzierter überlanger Fahrradvorbau von 140 mm entwickelt und generativ hergestellt. Der anschließende Vergleich zu einem handelsüblichen Vorbau zeigt eine Gewichtsreduktion von ca. 30%.

Für die Herstellung von Greifern insbesondere Sauggreifern haben sich 3DDruckverfahren bereits etabliert. Der Grundaufbau eines solchen Endeffektors besteht aus einer monolithischen, in einem Prozessschritt hergestellten, Struktur. Diese Bauweise ermöglicht durch die integrierte Leitungsführung und die belastungsgerechte Konstruktion bereits einen hohen Leichtbaugrad. Die Grenzen der konventionellen Sinter- oder Stereolithografieverfahren liegen insbesondere bei der Herstellung großer Greifer, wie sie z.B. zur Handhabung flächiger Halbzeuge benötigt werden. Hier schränken die Bindung an die Bauraumgröße der Rapidprototypingmaschine, die hohe Produktionsdauer großer Bauteile und die geringen Steifigkeiten der verwendeten Kunststoffe die Eignung stark ein.Im Rahmen eines durch das BMWi geförderten ZIM-Projektes wurde daher von der M.A.i. GmbH und Co. KG und dem Steinbeis-Innovationszentrum für Automation in Leichtbauprozessen eine neuartige Hybridbauweise aus 3D-Druck Knotenelementen und CFK-Stäben für dreidimensionale Tragstrukturen entwickelt. Die innovative Differentialbauweise ist durch eine hohe Belastbarkeit bei sehr geringen Gewichten, ein hohes Maß an Funktionsintegration und das Potential sowohl zur Standardisierung als auch zur anwendungsgerechten Individualisierung der Greifer gekennzeichnet. Unter ökonomischen Gesichtspunkten zeichnet sich die neue Bauweise durch eine kostengünstige Fertigung der Knotenelemente im Extrusionsdruckverfahren, die Verwendung standardisierter, in kontinuierlichen Großserienprozessen hergestellten Faserverbundhalbzeuge und kurze Fertigungszeiten aus. Infolge der kostengünstigen Leichtbauweise der Greifer ergeben sich Sekundäreffekte für die Handhabungstechnik, die Prozesszeit und die Minimierung von Investitionskosten.

Patientenspezifische Titanimplantate werden für die Behandlung von Knochenfrakturen verwendet, so zum Beispiel in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Durch diesen Ansatz ergeben sich folgende Vorteile: Anatomisch korrekte Form des Implantats Keine manuellen Arbeitsschritte für die Formgebung erforderlich, zum Beispiel Schneiden und Biegen eines Titannetzes Biokompatibles Material Verminderung des Verletzungsrisikos kritischer anatomischer Strukturen (Nerven, Blutgefäße etc.) Reduzierung der Operationszeit um ca. 30 bis 40 Minuten Vermeidung von Folgeoperationen Die für den Chirurgen relevante knöcherne Struktur wird in den CT-Bildern eingezeichnet. Anschließend erfolgt die Berechnung eines virtuellen 3D-Modells. Direkt auf dem virtuellen Modell wird das patientenspezifische Implantat konstruiert. Das Implantat enthält dabei auch Befestigungsmöglichkeiten für Knochenschrauben, um eine feste Verbindung sicherzustellen. Der letzte Schritt ist der Export des virtuellen Implantats als STL-Datei für den generativen Fertigungsprozess.Für die Verwendung derartiger Implantate als Medizinprodukt müssen strenge Anforderungen an die fertigungstechnischen Prozesse sowie das Qualitätsmanagement gestellt werden.Im Rahmen des Beitrages wird die Prozessfolge von der klinischen Befunderhebung bis zum fertigen patientenspezifischen Implantat erläutert.Ferner wird ein Ausblick zur Anwendung pseudoelastischer Nickel-Titan-Materialien für patientenspezifische Orbitabodenimplantate gegeben. Ihre spezifischen Materialeigenschaften werden genutzt, um flexible und dennoch stabile Implantate herzustellen. Die NiTi-Implantate werden in komprimierter Form über kleine Zugänge in den Körper implantiert. Beim Erreichen der Defektstelle entfaltet sich das Implantat ähnlich einem Stent in seine finale Geometrie. Das operative Trauma kann somit weiter verringert werden.

Durch die additive Fertigung und den 3-dimensionalen Aufbau von Bauteilen bzw. Strukturen aus TIAL6V4-Pulver eröffnen sich durch eine Vielzahl eigenschaftsbestimmender Merkmale (biomedizinische Verträglichkeit, Korrosionsbeständigkeit, mechanischen Eigenschaften) völlig neue und breite Anwendungsfelder in der Medizintechnik. Dabei hängen die Eignung und die erfolgreiche Anwendung mechanisch optimierter Strukturen, auf biomedizinische Anwendungsfelder wie z. B. Knochenersatzstrukturen, in starkem Maße von den mechanischen Eigenschaften ab. Die mechanischen Eigenschaften werden dabei bekanntermaßen neben den Fertigungsbedingungen direkt durch die Strukturgrößen und -formen bestimmt. Darüber hinaus bestimmen die Orientierungen der sich innerhalb einer Struktur wiederholenden geometrischen Elemente (Einheitszellen) zur wirkenden Belastung maßgeblich die erreichbaren Kennwerte. Vorrangige Ziele einer Strukturentwicklung sind neben der Reduzierung der Implantatsteifigkeit, die Erzielung knochenähnlicher mechanischer Kennwerte sowie die Ausführung der Ersatzstruktur in einer porösen (Mikro – und Makro) Struktur bzw. Oberfläche. Zwischen geometriebestimmenden Faktoren, der Porosität der Struktur und den ermittelten mechanischen Kennwerten existieren Zusammenhänge, die durch die Orientierung der Einheitszelle verursacht werden. Die Kenntnis der Anisotropie mechanischer Eigenschaften kann damit direkt in den Aufbau von Strukturen bis hin zur Gestaltung von Implantatstrukturen (Standard oder Patientenspezifisch) übertragen werden, die für die belastungsgerechte Auslegung von Interesse sind.

Die Hermle MPA Technologie ist ein vielseitiges additives Fertigungsverfahren, basierend auf einem thermischen Spritzprozess für Metallpulver. Mit Hilfe eines Trägergases werden Pulverpartikel auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und über eine Düse auf das jeweilige Substrat aufgebracht. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist dabei, dass beim Schichtaufbau die Pulverpartikel nicht aufgeschmolzen werden und somit keine großen Spannungen im Bauteil aufgebaut werden. Als Materialien stehen verschiedene Kalt- und Warmarbeitsstähle, Edelstähle, aber auch Eisen, Kupfer und Bronze zur Verfügung. Mit Auftragsraten von mehr als 200 cm3 pro Stunde eignet sich die MPA Technologie besonders für großvolumige und massive Bauteile.Die MPA Auftragseinheit ist in ein Hermle Bearbeitungszentrum integriert. Das 5-Achs- Konzept der Maschine ermöglicht dabei auch einen Materialaufbau auf Freiformflächen oder radiales Wachstum auf zylinderförmigen Geometrien. Daraus ergibt sich eine weitere Stärke des Verfahrens: Statt Bauteile komplett generativ zu fertigen, können vorbereitete Rohlinge eingesetzt und flexibel um additiv gefertigte Komponenten ergänzt werden.Interessante Anwendungen des MPA Verfahrens ergeben sich zum Beispiel im Werkzeug- und Formenbau. Hier eröffnen sich neue Wege der oberflächennahen Kühlung durch die Kombination von Werkzeugstahl mit stark wärmeleitenden Materialien wie Kupfer. Über integrierte Kupferelemente kann beispielsweise in Formeinsätzen oder Angussbuchsen die Wärme auch an den Stellen abgeführt werden, wo eine oberflächennahe Führung eines Kühlkanals nicht möglich ist.

Für großformatige Bauteile des Maschinenbaus oder von Windenergieanlagen erfolgt der Modell-, Formen- und Werkzeugbau zumeist in aufwändigen und überwiegend manuellen Arbeitsschritten. Da insbesondere die Fertigungskosten für die Holz- und Kunststoffmodelle einen hohen Anteil an den Produktkosten aufweisen, ist die Wirtschaftlichkeit hier nur bei hohen Stückzahlen und gleichbleibenden Produktformen gegeben.Eine mögliche Alternative für die Herstellung von Werkzeugen für Großbauteile (Kantenlängen >1000 mm) bilden generative Fertigungstechnologien. Die vorhandenen Bauraumbeschränkungen und geringen Aufbauraten (kleine Schichtdicken) lassen aber bisher eine wirtschaftliche Fertigung nicht zu.Der Vortrag berichtet von einem neuen Anlagenkonzept zur Überwindung der beschriebenen Defizite heutiger generativer Fertigungsverfahren, indem die Vorteile des Additive Manufacturing und der universell einsetzbaren Industrierobotik zu einem leistungsfähigen Herstellungsverfahren für geometrisch komplexe Großbauteile kombiniert werden.Basis des hybriden Anlagenkonzepts bildet ein robotergestützter Auftragskopf inklusive der erforderlichen Misch- und Dosiertechnik für mehrkomponentige Formmassen. Die Führung des 3D-Extruders erfolgt 6-achsig durch moderne Industrierobotik. Im nachfolgenden Schritt erfolgt das Genaufräsen der Modelle durch eine robotergeführte Spindel.Die Bauteilfertigung unterliegt damit nahezu keiner Bauraumbeschränkung und besitzt aufgrund der Verkürzung der Fertigungszeiten eine hohe Wirtschaftlichkeit. Die Technologie ist für große Bauräume (>1m3) und einen schnellen Bauteilaufbau in großen und variablen Schichtstärken (>10mm) bei hohem Materialdurchsatz (20- 25kg/h) ausgelegt.

Additive Fertigungsverfahren bieten in der Luftfahrtindustrie großes Potential. Die Geometriefreiheit ermöglicht die Produktion von komplexen und gewichtsoptimierten Bauteilen. Die mangelnde Erfahrung der Unternehmen mit dieser Fertigungstechnologie erschwert jedoch die Entscheidung, an welcher Stelle Additive Manufacturing ökonomisch sinnvoll eingesetzt werden kann. Die Kosteneinflussfaktoren unterscheiden sich an vielen Stellen von denen traditioneller Fertigungsverfahren und müssen gänzlich neu bewertet und eingeordnet werden. Dabei verlagert sich auch der Fokus weg von den reinen Herstellkosten hin zu einer ganzheitlichen Kostenbetrachtung. Wesentliche Vorteile lassen sich auch meist in der Supply Chain erzielen und müssen im Zuge des Entscheidungsprozesses für ein Fertigungsverfahren bei einem bestimmten Bauteil berücksichtigt werden. Daher werden in der Präsentation die Charakteristika der Luftfahrt analysiert und die Methodik einer Entscheidungsunterstützung vorgestellt. Im Zuge dessen gilt es die Kostenbewertung additiver Fertigungsverfahren näher zu beleuchten, um die Fertigungs- bzw. Reparaturkosten mit traditionellen Verfahren vergleichen zu können. Weiterhin müssen Veränderungen in der Supply Chain identifiziert und bewertbar gemacht werden. Qualitätskriterien müssen ebenfalls mit in die Betrachtung einbezogen werden. Anschließend wird aufgezeigt wie diese Einflussfaktoren in die Entscheidungsunterstützung integriert sind.

Die steigende Vielfalt an Fahrzeugderivaten und die immer weiter verkürzten Produktentstehungszeiten führen dazu, dass die fristgerechte Entwicklung und Herstellung von qualitativ hochwertigen Vorserienbauteilen für die Absicherung eine immer wichtigere Rolle einnimmt.Additive Fertigungsverfahren bieten hier hinsichtlich der Bereitstellungsgeschwindigkeit große Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren, da keine Formgebungswerkzeuge benötigt werden.Trotz großer Fortschritte in den letzten Jahren ist das Werkstoffspektrum immer noch stark limitiert.Dadurch ist die Aussage dieser Bauteile für die spätere Serienprozesskette, sowie für die Qualität des Endproduktes stark limitiert.Durch die Nutzung der indirekten Prozessroute über den Additive-Tooling-Ansatz können Bauteile für Kleinserien und Nischenanwendungen in Serienmaterial und aus serienähnlichen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem Spritzguss, bereitgestellt werden und die spezifischen Verfahrensvorteile somit gezielter genutzt werden.Zur Validierung dieser Prozessroute wird vorerst die Eignung verschiedener Werkzeugwerkstoffe und Fertigungstechnologien untersucht. Im Anschluss erfolgen eine Analyse der thermischen Werkzeugeigenschaften (z.B. Wärmeleitfähigkeit), sowie eine Betrachtung deren Auswirkungen auf Prozess und Bauteilherstellung/-eigenschaften.

In Europe, passenger cars are responsible for 12% of CO2 emissions. The European Commission established new targets to drastically reduce the emissions on a fleet level of 35 g CO2 per km until 2021. The presented industry-driven project aims to reduce energy consumption by up to 35% of air-conditioning (AC) in passenger cars with the introduction of a novel system. The developed solution reduces the fuel consumption of AC to up to 50% for gasoline engines. This success was achieved by implementing a new AC-concept consisting of three strategic measures: Recycling of cool air from passenger cabin to lower the temperature of incoming air Implementation of a patented dual box recuperation air preconditioning system Design and material optimization of the box’s walls acting as heat exchanger for improved energy transfer By means of Selective Laser Sintering (SLS) design freedom and short production cycles of test parts, the design of the AC box was considerably optimized to increase its contact area between recycled and incoming air. To further increase the heat exchange throughout the system, the thermal conductivity of SLS material was improved by incorporation of mineral fillers. The successful implementation of both optimizations led to a CO2 emission reduction of around 50% for the climate control of passenger cars. This could be measured explicitly in climate chamber testing of the new system implemented in a real car (Mercedes C-Class). Furthermore, as a non-expected very surprising effect in the project, it could be revealed that the pronounced roughness of the parts produced with SLS supports the heat transfer by micro-turbulences and improves the desired energy transfer effect. This means that SLS parts due to their surface roughness are more suitable for this purpose than parts made by injection moulding.

Die additive Fertigung bietet große Vorteile bei der Herstellung hochkomplexer Bauteile, insbesondere bei kleinen Stückzahlen. Der Anwendungsbereich des Werkzeugbaus mit üblichen Losgrößen von einem oder wenigen Bauteilen und Geometrien wie innenliegenden Kühlkanälen bietet sich daher für die additive Fertigung an. Durch den Einsatz dieser Technologie kann die Produktivität der Werkzeuge im Produktionseinsatz gesteigert werden. Das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) bietet dabei die höchste Genauigkeit bei innenliegenden Geometrien.Das für dieses Verfahren bisher qualifizierte Werkstoffspektrum ist jedoch aufgrund des komplexen Prozesses sehr eingeschränkt. Kommerziell verbreitet sind lediglich Sonderwerkstoffe wie der 1.2709 – Maraging Steel mit hohen Werkstoffkosten und eingeschränkten Werkstoffeigenschaften. Gerade hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit bei speziellen Anwendungen wie der Warmumformung ist dieser Werkstoff nur eine Kompromisslösung. Die Produktivitätssteigerung durch die konturnahe Kühlung steht damit einem höheren Instandhaltungsaufwand und einer stetig geringer werdenden Kühlleistung durch verschlissene Oberflächen gegenüber. Weitere Probleme treten bei der Verbindung von konventionellen Werkzeugstählen zum 1.2709 auf, beispielsweise bei der Wärmebehandlung. Etablierte Werkzeugstähle gelten als bedingt schweißbar und sind damit nicht ideal für das SLM-Verfahren geeignet. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen die Herstellbarkeit dichter Bauteile mit einem für die Warmumformung etablierten Werkzeugstahl. Außerdem wird ein Ausblick auf offene Problemstellungen auf dem Weg zum Serieneinsatz gegeben.

Der „Chair of Production Engineering of EMobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen steht für zukunftsweisende Forschung und Innovation im Themenfeld Elektromobilität. Im Forschungsbereich Additive Manufacturing werden u.a. das Rapid Prototyping, das Rapid Tooling und das Rapid Manufacturing mittels kunststoffbasierter Additive Manufacturing Technologien, z.B. PolyJet oder Fused Deposition Modelling (FDM), untersucht. In diesem Vortrag werden die neuesten Untersuchungen und Anwendungen der kunststoffbasierten Additiven Fertigungsverfahren für den Bau von Prototypen und Kleinserien von Elektrofahrzeugen vorgestellt. Dabei werden sowohl Anwendungen für Gesamtfahrzeugkonzepte als auch für Rapid Tooling Lösungen diskutiert. Für das Anwendungsfeld Rapid Tooling werden mittels verschiedener additiver Fertigungsverfahren Werkzeuge für das Thermoformen, das PUR-RIMVerfahren oder den Spritzguss hergestellt. Die Werkzeuge werden hinsichtlich ihrer Werkzeugstandzeit (Maßhaltigkeit, Temperaturbeständigkeit und mechanische Eigenschaften) unter Berücksichtigung unterschiedlicher Prozessparameter (z.B. Aufheiz- und Abkühlvorgang sowie Umformprozess) getestet. Zusätzlich wird die Bauteilqualität (Genauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit) des mit dem 3D-gedruckten Werkzeug hergestellten Bauteils bewertet.

Additive Fertigungsverfahren, wie das Lasersintern oder das Laserstrahlschmelzen, sind ohne Zweifel Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Trotzdem nutzt die Automobilindustrie das immense Potenzial der Technologien bisher kaum. Zudem verfügen Konstrukteure, Ingenieure und Produktentwickler noch nicht über die geeigneten Werkzeuge, um neuartige Bauteile zu entwerfen. Viele Konstruktionsrichtlinien, die in der Vergangenheit vorgestellt wurden, betreffen ausschließlich einfache geometrische Formen und sind nur bedingt auf komplexe Bauteile übertragbar [6]. Notwendige Leitfäden für das Konstruieren von Fahrzeugbauteilen, wie beispielweise Regeln für die Funktionsintegration, Nachbehandlungsschritte oder Füge- und Montagevorgänge, sind nur unvollständig oder gar nicht vorhanden. Insbesondere Richtlinien für Füge- und Montageprozesse, unter anderem für das Laserstrahl- und Widerstandspunkt-schweißen, sind aufgrund ihres weitläufigen Einsatzes in der seriellen Fertigung unverzichtbar. Diese Arbeit zeigt erstmals einen Vorschlag für generische Konstruktionsrichtlinien für additive Verfahren in der Automobilindustrie. Darüber hinaus präsentiert diese Arbeit erste Untersuchungen an laserstrahl- und widerstandpunktgefügten Proben. Hierzu werden additiv hergestellte Versuchskörper aus AlSi10Mg und 316L an konventionell hergestellte AL5-STD Aluminiumbleche und kaltgewalzten HC340LA Stahl gefügt.

In dieser Präsentation wird der Stand der Technik bezüglich der Integration von Elektronik in und auf gedruckte dreidimensionale Substrate zur Erzeugung ganzheitlich 3D gedruckter elektronischer Systeme und Applikationen aufgezeigt.