Konstruktion für die Additive Fertigung 2019 [1. Aufl.] 9783662611487, 9783662611494

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Roland Lachmayer Katharina Rettschlag Stefan Kaierle  Hrsg.

Konstruktion für die Additive Fertigung 2019

Konstruktion für die Additive Fertigung 2019

Roland Lachmayer Katharina Rettschlag  •  Stefan Kaierle Hrsg.

Konstruktion für die Additive Fertigung 2019

Hrsg. Roland Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerätebau Leibniz Universität Hannover Hannover, Deutschland

Katharina Rettschlag Institut für Produktentwicklung und Gerätebau Leibniz Universität Hannover Hannover, Deutschland

Stefan Kaierle Laser Zentrum Hannover e.V. Hannover, Deutschland

ISBN 978-3-662-61148-7    ISBN 978-3-662-61149-4 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Vorwort – Konstruktion für die Additive Fertigung 2019

Für einen erfolgreichen Einsatz additiver Fertigungstechnologien kann die verfahrensangepasste Konstruktion als entscheidender Faktor genannt werden. Kann in einer Prozesskette schon früh angesetzt werden, beispielsweise bei der Konstruktion, hat dies deutliche Auswirkungen auf die Potenziale und Gestaltung der Komponenten. Das Buch „Konstruktion für die Additive Fertigung 2019“ gibt aufbauend zu dem letzten Konferenzband Einblicke in die sehr umfangreiche Thematik der konstruktiven Bearbeitungsvarianten. Beiträge aus dem gesamten deutschsprachigen Raum der Forschung und Industrie wurden zusammengetragen. Die einzelnen Kapitel sind in die nachfolgenden Schwerpunkte gegliedert: • • • •

Prozesskette und Geschäftsmodelle Gestaltung und Optimierung Simulation, Validierung und Qualitätssicherung Spezifikationen, Potenziale und Lösungsfindung

Bereits zum fünften Mal wurde gemeinsam vom Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG) der Leibniz Universität Hannover und dem Laser Zentrum Hannover e. V. (LZH) ein eintägiger Workshop zum Thema Additive Fertigung durchgeführt. Dieses Buch beinhaltet die schriftliche Ausarbeitung der vorgestellten Beiträge und ist ergänzend zu der Reihe „3D-Druck Beleuchtet“, „Additive Fertigung Quantifiziert“, „Additive Serienfertigung“ und „Konstruktion für die Additive Fertigung 2018“. In dem vorliegenden Buch sind unterschiedliche Herangehensweisen und Aspekte der Additiven Fertigung zusammengestellt. Wir danken allen Teilnehmenden und dem wissenschaftlichen Direktorium für die Beiträge und Gutachten. Ebenso danken wir der DFG, dem BMBF, dem Land Niedersachsen,

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Vorwort – Konstruktion für die Additive Fertigung 2019

Niedersachen Additiv und der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktentwicklung für die Unterstützung und Bereitstellung finanzieller Mittel in den verschiedenen Forschungsprojekten und für die Durchführung der Veranstaltung. Hannover, Deutschland  Januar 2020 

Roland Lachmayer Katharina Rettschlag Stefan Kaierle

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 Integration spezifischer Effekte in Strukturbauteilen mittels additiver Fertigungsverfahren������������������������������������������������������������������������������������������������������  1 Roland Lachmayer, Behrend Bode, Tobias Grabe und Katharina Rettschlag 1 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������   2 2 Stand der Forschung������������������������������������������������������������������������������������������������   3 3 Anwendungsbeispiel: Stoff- und Wärmetransport��������������������������������������������������   6 4 Anwendungsbeispiel: Lichtleitung und Manipulation��������������������������������������������   7 5 Ausblick������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   9 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   9 Teil I Prozesskette und Geschäftsmodelle  Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 13 Beate Bender, Frederike Kossack, Young-Woo Song, Jan Sehrt, Britta Mehring und Jannis Kranz 1 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  14 2 Stand der Forschung zum Design for AM��������������������������������������������������������������  15 3 Design for AM im Produktentwicklungsprozess����������������������������������������������������  15 3.1 Phasenübergreifende Design for AM Ansätze����������������������������������������������  16 3.2 Konzeptfindung für AM – frühe Entwicklungsphasen����������������������������������  17 3.3 Bauteilgestaltung für AM – späte Entwicklungsphasen��������������������������������  18 3.4 Fazit zum Stand der Forschung ��������������������������������������������������������������������  19 4 Design for AM in der Produktentwicklung bei thyssenkrupp��������������������������������  20 4.1 Produktentwicklungsprozess bei thyssenkrupp ��������������������������������������������  20 4.2 Design for AM in der frühen Phase: „Fragebogen Potential“ ����������������������  22 4.3 Design for AM in der späten Phase: „Fragebogen Gestalt“ und Gestaltungsrichtlinien������������������������������������������������������������������������������������  23

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5 Allgemeine Vorgehensweise zur Berücksichtigung additiver Fertigungsverfahren in der Produktentwicklung in Unternehmen��������������������������  24 6 Diskussion der Ergebnisse und Ausblick����������������������������������������������������������������  26 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  27  Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und Eigenschaften������������������������������������������������������������������������������������ 29 Matthias Höfemann, Hans Christian Schmale, Lucas Epperlein, Lena Heemann, Farhad Mostaghimi, Bernd Schob, Hannes Zapf, Jochen Mahr, Christian Paul, Lars Höfner und Jörg Fischer-Buehner 1 Ausgangssituation ��������������������������������������������������������������������������������������������������  31 2 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  31 3 Prozesskette������������������������������������������������������������������������������������������������������������  32 3.1 Legierungskonzept����������������������������������������������������������������������������������������  32 3.2 Pulverherstellung ������������������������������������������������������������������������������������������  33 3.3 LAM Prozess ������������������������������������������������������������������������������������������������  34 4 Eigenschaften����������������������������������������������������������������������������������������������������������  35 4.1 Mechanische Kennwerte��������������������������������������������������������������������������������  35 4.2 Probenherstellung für Fügetests��������������������������������������������������������������������  36 4.3 Untersuchungen zur Füge-Eignung��������������������������������������������������������������  37 4.4 Zusammenfassung ����������������������������������������������������������������������������������������  39 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  40  Anwendungspotenziale von Additive Repair und Refurbishment für Serviceorientierte Geschäftsmodelle���������������������������������������������������������������������������������������� 43 Jonas Brinker, Paul Christoph Gembarski, Simon Hagen und Oliver Thomas 1 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  44 2 Additive Repair & Refurbishment��������������������������������������������������������������������������  45 3 After-Sales-Geschäft und Ersatzteilprozesse����������������������������������������������������������  47 4 Potenziale durch Additive Repair & Refurbishment����������������������������������������������  49 5 Fazit������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  52 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  53 Teil II Gestaltung und Optimierung  Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 57 Lydia Mika, Philipp Sembdner, Sebastian Heerwald, Christoph Hübner, Stefan Holtzhausen und Ralph Stelzer 1 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  58 2 Stand in Wissenschaft und Technik������������������������������������������������������������������������  59

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2.1 Das Kniegelenk����������������������������������������������������������������������������������������������  59 2.2 Oberflächenprothese��������������������������������������������������������������������������������������  62 2.3 Fertigungsverfahren – Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ��������������������������  62 3 Entwicklungsprozess����������������������������������������������������������������������������������������������  63 3.1 Problematik����������������������������������������������������������������������������������������������������  63 3.2 Umsetzung Parametrisches Modell ��������������������������������������������������������������  66 3.3 Test des Modells��������������������������������������������������������������������������������������������  69 4 Zusammenfassung und Ausblick����������������������������������������������������������������������������  70 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  71  Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter Berücksichtigung AM-gerechter Konstruktionsmerkmale ���������������������������� 73 Lisa J. Sawatzki, Reiner Sackermann, Sören C. Scherf und Armin Lohrengel 1 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  74 2 Fertigungsschritte und deren Anforderungen an die Konstruktion ������������������������  75 2.1 Herstellungsschritte und Parameter der Bearbeitungszeiten ������������������������  76 2.2 Post-Prozess-Nachbearbeitung����������������������������������������������������������������������  77 2.3 Nachbearbeitungsbedingte Anforderungen an die Konstruktion������������������  78 3 Quantifizierung des Nachbearbeitungsaufwandes��������������������������������������������������  80 3.1 Vorgehensweise zur prospektiven Abschätzung der Nacharbeit im Konstruktionsprozess ������������������������������������������������������������������������������  81 3.2 Definition von Einflussgrößen ����������������������������������������������������������������������  83 3.3 Exemplarische Quantifizierung des Nacharbeitsaufwandes anhand eines Demonstratorbauteils��������������������������������������������������������������  84 4 Zusammenfassung und Ausblick����������������������������������������������������������������������������  89 Literatur��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  89  Lastangepasste Generierung von irregulären Gitterstrukturen auf Basis von Voronoi-Diagrammen �������������������������������������������������������������������������������������������� 93 Stefan Holtzhausen, Michael Birke, Peter Koch, Rico Blei, Ralph Stelzer und Maik Gude 1 Einleitung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  94 2 Lastabhängige Erzeugung von Voronoi-Gitterstrukturen����������������������������������������  96 2.1 Poisson-Disk-Sampling zur Saatpunkterzeugung ����������������������������������������  96 2.2 Voronoi-Diagramme��������������������������������������������������������������������������������������  96 2.3 Berechnung der Dichteverteilung������������������������������������������������������������������  97 2.4 Design und Erzeugung����������������������������������������������������������������������������������  98 3 Anwendungsbeispiel ���������������������������������������������������������������������������������������������� 100 4 Zusammenfassung und Ausblick���������������������������������������������������������������������������� 101 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 103

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 Funktions& Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 105 Henrik Müller-Wilderink, Renan Siqueira, Bastian Lippert und Roland Lachmayer 1 Einleitung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 106 2 Stand der Technik���������������������������������������������������������������������������������������������������� 107 2.1 Funktionsintegration�������������������������������������������������������������������������������������� 107 2.2 Topologieoptimierung ���������������������������������������������������������������������������������� 109 3 Methode zur Funktionsintegration�������������������������������������������������������������������������� 110 4 Anwendung auf die Baugruppe Pedalerie�������������������������������������������������������������� 112 4.1 Aufbau der Pedalerie ������������������������������������������������������������������������������������ 112 4.2 Bauteilauswahl���������������������������������������������������������������������������������������������� 113 4.3 Gestaltoptimierung des Demonstrators �������������������������������������������������������� 115 5 Schlussbetrachtung�������������������������������������������������������������������������������������������������� 118 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 118 Teil III Simulation, Validierung und Qualitätssicherung  Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Tobias Ehlers und Roland Lachmayer 1 Einleitung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 124 2 Konventionelle Partikeldämpfer im industriellen Kontext�������������������������������������� 126 2.1 Motivation zum Einsatz von Partikeldämpfern �������������������������������������������� 126 2.2 Designparameter des Partikeldämpfers �������������������������������������������������������� 129 3 Laserstrahlgeschmolzene Partikeldämpfer�������������������������������������������������������������� 132 3.1 Herstellungsmöglichkeiten von Partikeldämpfern���������������������������������������� 132 3.2 Fertigungsrestriktionen���������������������������������������������������������������������������������� 133 3.3 Stand der Forschung und Technik zu laserstrahlgeschmolzenen Partikeldämpfern ������������������������������������������������������������������������������������������ 134 3.4 Abgeleiteter Handlungsbedarf���������������������������������������������������������������������� 138 4 Zusammenfassung und Ausblick���������������������������������������������������������������������������� 139 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 140  Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 143 Harald Völkl, Johannes Mayer und Sandro Wartzack 1 Steigende Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile�������������������������������������������������������������������������������������������������� 144 2 Strukturmechanische Simulation von Bauteilen aus dem Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren ���������������������������������������������������������������������������������� 146

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2.1 Aufbau der Simulation���������������������������������������������������������������������������������� 146 2.2 Verwendete Materialmodelle������������������������������������������������������������������������ 146 2.3 Vernetzung und Mapping������������������������������������������������������������������������������ 148 2.4 Abbildung verschiedener Infill-Füllgrade ���������������������������������������������������� 150 3 Simulation und Auswertung������������������������������������������������������������������������������������ 150 3.1 Einführung des Demonstratorbauteils ���������������������������������������������������������� 150 3.2 Vergleich unterschiedlicher Infill-Muster������������������������������������������������������ 151 3.3 Vergleich unterschiedlicher Infill-Füllgrade�������������������������������������������������� 153 3.4 Effizientere Berechnung: Einfluss eines gröberen Netzes auf die Ergebnisse������������������������������������������������������������������������������������������������������ 154 4 Zusammenfassung und Ausblick���������������������������������������������������������������������������� 155 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 156  Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAGLaserkristall������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 159 Tobias Grabe, Jana Budde, Fabian Kranert, Andreas Wienke, Jörg Neumann, Dietmar Kracht und Roland Lachmayer 1 Einleitung und Zielsetzung ������������������������������������������������������������������������������������ 160 2 Stand der Technik���������������������������������������������������������������������������������������������������� 161 2.1 Laserkühlsysteme������������������������������������������������������������������������������������������ 161 2.2 Wasserkühler für Lasersysteme �������������������������������������������������������������������� 162 2.3 Nd:YAG-Laser���������������������������������������������������������������������������������������������� 163 3 Thermische Effekte in Nd:YAG-Laserkristallen ���������������������������������������������������� 164 4 Entwurf des Kühlkörpers���������������������������������������������������������������������������������������� 165 5 Thermomechanische Simulation���������������������������������������������������������������������������� 167 5.1 Modellansatz�������������������������������������������������������������������������������������������������� 167 5.2 Materialparameter������������������������������������������������������������������������������������������ 168 5.3 Wärmeerzeugungsrate im Lasermaterial ������������������������������������������������������ 169 5.4 Randbedingungen������������������������������������������������������������������������������������������ 170 6 Vergleich der Kühlkörper���������������������������������������������������������������������������������������� 170 7 Der Einfluss des Wärmedurchgangskoeffizienten�������������������������������������������������� 172 8 Zusammenfassung und Ausblick���������������������������������������������������������������������������� 173 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 174  Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven Fertigung ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 177 Tobias Ehlers, Johanna Wurst und Roland Lachmayer 1 Einleitung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 178 2 Bewertungsansätze�������������������������������������������������������������������������������������������������� 179 2.1 Öko-Bilanzierung: ���������������������������������������������������������������������������������������� 179 2.2 Top-Down-Modell:���������������������������������������������������������������������������������������� 180

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2.3 MIPS/COPS�������������������������������������������������������������������������������������������������� 180 2.4 Wert- und Zielsystem nach Fauth [14]: �������������������������������������������������������� 181 3 Nachhaltigkeit im Kontext der Additiven Fertigung ���������������������������������������������� 182 3.1 Effizienz – Ein Definitionsansatz������������������������������������������������������������������ 183 3.2 Ganzheitlicher Produktionsprozess der Additiven Fertigung������������������������ 184 3.3 Prozessschritte der Additiven Fertigung�������������������������������������������������������� 185 4 Aufbau einer Bewertungsmöglichkeit für die Additive Fertigung�������������������������� 186 4.1 Fokus der Bewertung������������������������������������������������������������������������������������ 187 4.2 Struktur für die Additive Fertigung �������������������������������������������������������������� 187 4.3 Aufbau eines Bewertungsschemas: Ziel- und Wertsystem���������������������������� 190 5 Potenzialabschätzung nachhaltiger Organisationen������������������������������������������������ 193 6 Zusammenfassung und Ausblick���������������������������������������������������������������������������� 196 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 196 Teil IV Spezifikationen, Potentiale und Lösungsfindung  Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens������������ 203 Christian Schmid 1 Einleitung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 204 2 Was ist WAAM – „Wire and Arc Additive Manufacturing“?���������������������������������� 204 2.1 Definition und Eigenschaften������������������������������������������������������������������������ 204 3 WAAM – gerechtes Planen und Konstruieren�������������������������������������������������������� 206 3.1 Herstellbarkeit – Schweißbarkeit������������������������������������������������������������������ 206 3.2 Schweißeignung – Werkstoffauswahl������������������������������������������������������������ 208 3.3 Schweißmöglichkeit – Fertigung������������������������������������������������������������������ 210 3.4 Bauteilsicherheit – Konstruktion ������������������������������������������������������������������ 215 4 Zusammenfassung und Ausblick���������������������������������������������������������������������������� 220 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 221  Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver Fertigungsverfahren������������������������������������������������������������������������������������ 223 Daniel Fuchs, Sebastian Kuschmitz, Kevin Kühlke und Thomas Vietor 1 Einleitung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 224 2 Design for Additive Manufacturing aus aktueller Sicht������������������������������������������ 225 3 Zielkonflikte bei der Kombination von AM-Potenzialen���������������������������������������� 227 3.1 Die Potenzialsystematik nach Kumke ���������������������������������������������������������� 227 3.2 Zielkonflikte in der Potenzialnutzung����������������������������������������������������������� 228 3.3 Die Zielkonfliktmatrix ���������������������������������������������������������������������������������� 229 3.4 Wissensvermittlung mithilfe der erweiterten Potenzialsystematik���������������� 231 4 Konfliktentstehung zwischen AM-Potenzialanwendung und Funktionsgewährleistung���������������������������������������������������������������������������������������� 234 4.1 Funktionsgewährleistung bei gleichzeitiger Potenzialanwendung���������������� 235

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4.2 Beispielanwendung: Kundenindividuelle Fahrzeugmittelkonsole���������������������������������������������������������������������������������� 236 4.3 Vorgehen zur Überbrückung heterogener Anforderungskollektive �������������������������������������������������������������������������������� 239 5 Diskussion �������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 240 6 Schlussfolgerungen und Ausblick �������������������������������������������������������������������������� 242 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 242  Entwicklung von Laser-­Systemkomponenten für das koaxiale Laser-­Draht-­Auftragschweißen von Metall- und Glaswerkstoffen������������������������ 245 Marius Lammers, Jörg Hermsdorf, Stefan Kaierle und Henning Ahlers 1 Einleitung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 246 1.1 Stand der Technik des koaxialen Laser-Draht-­Auftragschweißens von Metallwerkstoffen������������������������������ 246 1.2 Stand der Technik der additiven Verarbeitung von Glaswerkstoffen zur Erzeugung optischer Komponenten ���������������������������� 247 1.3 Verortung ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 248 2 Koaxialer LZH-Schweißkopf der ersten Generation���������������������������������������������� 249 2.1 Koaxialer Bearbeitungskopf für das Laser-Auftragschweißen von Metalldrähten mittels Festkörperlaser���������������������������������������������������� 249 2.2 Koaxialer Bearbeitungskopf für das Laser-Auftragschweißen von Quartzglasfasern mittels CO2-Laser ������������������������������������������������������ 250 3 Koaxialer LZH-Schweißkopf der zweiten Generation�������������������������������������������� 253 3.1 Motivation und Anforderungsanalyse������������������������������������������������������������ 253 3.2 Konstruktion der zweiten Generation der LZH-­Bearbeitungsköpfe�������������������������������������������������������������������������������� 254 4 Zusammenfassung�������������������������������������������������������������������������������������������������� 257 Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 259 Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Sachwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Über die Herausgeber

Roland  Lachmayer  Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG)

Katharina Rettschlag  Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG)

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Über die Herausgeber

Stefan Kaierle  Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Über die Autoren

Henning  Ahlers  Abt. Maschinenbau Fak. II M, Hochschule Hannover, Hannover, Deutschland Beate Bender  Lehrstuhl für Produktentwicklung, Ruhr-Universität Bochum, Garching, Deutschland Michael  Birke  Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden, Dresden, Deutschland Rico  Blei  Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden, Dresden, Deutschland Behrend Bode  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Jonas Brinker  Deutsches Forschungszentrum für künstliche Intelligenz GmbH, Osnabrück, Deutschland Jana  Budde  Abteilung Laserentwicklung, Laser Zentrum Hannover e. V., Hannover, Deutschland Tobias Ehlers  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Lucas Epperlein  EDAG Engineering GmbH, Wolfsburg, Deutschland Jörg Fischer-Buehner  Forschung und Entwicklung, Indutherm Gießtechnologie GmbH, Walzbachtal/Wössingen, Deutschland Daniel Fuchs  Volkswagen AG, Wolfsburg, Deutschland Paul  Gembarski  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Tobias Grabe  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland

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Über die Autoren

Maik  Gude  Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden, Dresden, Deutschland Simon Hagen  Fachgebiet Informationsmanagement und Wirtschaftsinformatik, Universität Osnabrück, Osnabrück, Deutschland Lena  Heemann  Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien, IWT Bremen, Bremen, Deutschland Sebastian  Heerwald  Dornheim Medical Images GmbH Magdeburg, Magdeburg, Deutschland Jörg Hermsdorf  Abteilung Werkstoff- und Prozesstechnik, Laser Zentrum Hannover e. V., Hannover, Deutschland Matthias Höfemann  Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland Lars Höfner  Cloos Schweißtechnik GmbH, Haiger, Deutschland Stefan  Holtzhausen  Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, TU Dresden, Dresden, Deutschland Christoph Hübner  Biowerkstoffe, Institut für Bioprozess- und Analysemesstechnik e. V., Heilbad Heiligenstadt, Deutschland Stefan Kaierle  Laser Zentrum Hannover e. V., Hannover, Deutschland Peter Koch  Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, TU Dresden, Dresden, Deutschland Frederike  Kossack  Lehrstuhl für Produktentwicklung, Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Deutschland Dietmar Kracht  Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Fabian Kranert  Abteilung Laserentwicklung, Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Jannis Kranz  TechCenter Additive Manufacturing, Thyssenkrupp AG, Mühlheim a. d. Ruhr, Deutschland Kevin Kühlke  Volkswagen AG, Wolfsburg, Deutschland Sebastian  Kuschmitz  Institut für Konstruktionstechnik, TU Braunschweig, Braunschweig, Deutschland Roland Lachmayer  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Marius Lammers  Abteilung Werkstoff- und Prozesstechnik, Laser Zentrum Hannover e. V., Hannover, Deutschland Bastian Lippert  Hilti Group, Thüringen, Österreich

Über die Autoren

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Armin  Lohrengel  Institut für Maschinenwesen, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland Jochen Mahr  Concept Laser GmbH, Lichtenfels, Deutschland Johannes  Mayer  Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Deutschland Britta Mehring  TechCenter Additive Manufacturing, Thyssenkrupp AG, Mühlheim a. d. Ruhr, Deutschland Lydia Mika  Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, TU Dresden, Dresden, Deutschland Farhad  Mostaghimi  Leibniz-Institut für werkstofforientierte Technologien, IWT Bremen, Bremen, Deutschland Henrik Müller-Wilderink  Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Jörg Neumann  Abteilung Laserentwicklung, Laser Zentrum Hannover e. V., Hannover, Deutschland Christian  Paul  Anwendungs- und verfahrenstechnische Entwicklung, Cloos Schweißtechnik GmbH, Haiger, Deutschland Katharina Rettschlag  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Reiner  Sackermann  Production Planning, Siemens AG, Mühlheim a. d. Ruhr, Deutschland Lisa J. Sawatzki  TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland Sören  Scherf  Institut für Maschinenwesen, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland Hans  Christian  Schmale  Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland Christian Schmid  DST Dr Schmid Technologie UG, Langenhagen, Deutschland Bernd  Schob  Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung, TU Chemnitz, Chemnitz, Deutschland Jan  Sehrt  Lehrstuhl für Hybride Additive Manufacturing, Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Deutschland Philipp  Sembdner  Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, TU Dresden, Dresden, Deutschland Renan  Siqueira  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland

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Über die Autoren

Young-Woo  Song  Lehrstuhl für Produktentwicklung, Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Deutschland Ralph Stelzer  Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, TU Dresden, Dresden, Deutschland Oliver Thomas  Deutsches Forschungszentrum für künstliche Intelligenz GmbH, Osnabrück, Deutschland Thomas  Vietor  Institut für Konstruktionstechnik, TU Braunschweig, Braunschweig, Deutschland Harald  Völkl  Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-­Nürnberg, Erlangen, Deutschland Sandro Wartzack  Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Deutschland Andreas Wienke  Abteilung Laserentwicklung, Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland Johanna  Wurst  Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Hannes Zapf  Fraunhofer IAPT, Hamburg-Bergedorf, Deutschland

Integration spezifischer Effekte in Strukturbauteilen mittels additiver Fertigungsverfahren Roland Lachmayer, Behrend Bode, Tobias Grabe und Katharina Rettschlag

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Stand der Forschung  3  Anwendungsbeispiel: Stoff- und Wärmetransport  4  Anwendungsbeispiel: Lichtleitung und Manipulation  5  Ausblick  Literatur 

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Zusammenfassung

Mit der Additiven Fertigung ist die Umsetzung einer Vielzahl neuer Anwendungen möglich. Gestaltungsfreiheiten, die mit konventionellen Verfahren nicht erzielt werden konnten, sind heute nahezu problemlos fertigbar. Ein Ansatz, der mit der Entwicklung der Additiven Fertigung erst an Bedeutung gewonnen hat, ist die gezielte Integration von Effekten in Bauteilen. Somit können Bauteile gezielt auf ihren Anwendungsfall über eine Kombination verschiedener Effekte optimiert werden. Hierzu können spezielle Struktureigenschaften, das Schwingungsverhalten, der Wärme­ transport und noch viele weitere Effekte zählen. Im Rahmen dieses Beitrags werden die Idee der integrierten Effekte dargestellt und der aktuelle Stand der Forschung aufgezeigt. Anhand ausgewählter Beispielanwendungen wie ein Laserkristallkühler und der Additiven Fertigung von Glaskomponenten, werden die Ansätze weiter

R. Lachmayer (*) · B. Bode · T. Grabe · K. Rettschlag Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]­hannover.de; [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_1

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R. Lachmayer et al.

spezifiziert. Ziel ist es eine Methodik zu entwickeln, die frühzeitig im Konstruktionsprozess angreift, um die ­Entwicklungszeit und den – aufwand zu reduzieren und die Gestalt der Bauteile effektspezifisch auszulegen. Schlüsselwörter

Innere Effekte · Entwicklungsmethodik · Stofftransport · Lichtleitung · Laser Glass Deposition

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Einleitung

In Bereichen des Rapid Prototyping sind bereits viele Untersuchungen für die Verwendung additiver Fertigungstechnologien durchgeführt worden. Der Fokus der Entwicklungsmethodik ist auf Phasen wie der prozessgerechten Gestaltung und der Potenzialanalyse gelegt. In ersten Arbeiten ist eine partielle Simulation von Prozessen der Additiven Fertigung und Teilverhalten wie der Spannungsverteilung bereits umgesetzt [1]. Für die entscheidenden Phasen des Entwicklungsprozesses wie das Konzipieren und frühe Entwerfen stehen derzeit nur wenige methodische Analysen zur Verfügung. Besonders der Bereich der Konzepte und Konzeptfindung ist nicht ausreichend betrachtet. Ein neuartiger Ansatz ist die gezielte Umsetzung von Funktionen mithilfe von inneren Effekten. Diese Effekte basieren auf den naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten und bestimmen die Gestaltung von Strukturbauteilen über die Geometrie und das Material. Nach der Definition der Konstruktionsmethodik können physikalisch und mathematisch beschreibbare Funktionen mithilfe von Effekten realisiert werden [1]. Die Effizienz eines Effektes wird jedoch durch die Gestaltung der Bauteile vorgegeben. Dies beinhaltet sowohl den gezielten Einsatz von verwendeten Materialen als auch die Geometrie des Bauteils [2]. Eine Integration von inneren Effekten oder deren Kombination kann auch einen entscheidenden Einfluss auf die Auswirkungen der vorherrschenden Störgrößen nehmen. Die Aufteilung der Eigenschaften in einzelne Teilaspekte ermöglicht ein Herausarbeiten konstruktiver Widersprüche und Beherrschung von Störgrößen. Mögliche Effekte, die mit diesem Beitrag angesprochen und betrachtet werden, sind beispielsweise: • • • • •

Struktureigenschaften, Dynamik und Schwingungsverhalten, Wärme- und Stofftransport, Übertragung elektrischer und magnetischer Felder, Lichtleitung und Manipulation.

Durch die Gestaltungsmöglichkeiten der Additiven Fertigung können innere Effekte weit über den heutigen Stand der Technik hinaus gezielt gestaltet werden. Somit kann ein

Integration spezifischer Effekte in Strukturbauteilen mittels additiver …

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Effekt – für sich oder mit anderen kombiniert – eine optimale Funktionalität mit minimalem Ressourceneinsatz gewährleisten. Für eine Kombination ausgewählter Effekte ist in zukünftigen Vorhaben die Wechselwirkung dieser zu erforschen und anhand geeigneter Beispiele umzusetzen. Im Laufe dieses Beitrags wird der Stand der Forschung zu inneren Effekten ausführlicher dargestellt und betrachtet. Weiterhin wird auf die Entwicklungsmethodik, die wissenschaftliche Fragestellung und mögliche Anwendungsbeispiele eingegangen [3].

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Stand der Forschung

Der Bereich der Additiven Fertigung ist ein dynamisches Wettbewerbsumfeld. Besonders in der Industrie werden immer kürzere Produktenwicklungszeiten, eine erhöhte Funktionsintegration und individualisierte Produkte angestrebt. Aufgrund dieser Anforderungen wird die Bedeutung der Additiven Fertigung kontinuierlich weiter erhöht. In industriellen Anwendungsgebieten finden die additiven Fertigungsverfahren zu einem sehr großen Anteil im Rapid Prototyping einen Gebrauch. Die Phase der Konstruktion ist im Wesentlichen durch den geringen Wissensstand für die Anwendung dieser Technologie limitiert [4, 5]. Die Verfahren werden als Ergänzung zu konventionellen Fertigungsverfahren eingesetzt, um die Fertigung von Endprodukten zu individualisieren und kundenspezifisch anpassen zu können [1]. Ein besonderes Potenzial bietet die Additive Fertigung bei der Reduzierung der Entwicklungszeiten und -kosten. Außerdem zu beachten ist hierbei, dass die Reduzierung der Zeiten und Kosten nicht aufgrund der hohen Produktindividualisierung und eines kleineren Produktvolumens negativ beeinflusst werden („complexity for free“) [6]. Ein wesentlicher Grund für die zahlreichen Vorteile additiver Fertigungsverfahren sind die inhärenten Eigenschaften der Prozesse – werkzeuglose Fertigung, Near-Shape-­ Geometrien, schnelle Umsetzbarkeit komplexer Formen im Prozess. Charakteristisch ist außerdem, dass Material überwiegend in Bereichen appliziert wird, wo aus funktionaler Sicht eine Notwendigkeit besteht und Bauteilbereiche zusammengehalten werden. Diese Eigenschaften ermöglichen nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheiten, welche eine Fertigung hochfunktionaler Bauteile mit beispielsweise relativ zu einander beweglichen Komponenten in einem Prozessschritt ermöglicht. Ebenso ist eine gute Gestaltungsfreiheit hinsichtlich dem variablen Material geboten. Innerhalb eines Bauteils können punktuell (voxelweise) die Werkstoffparameter variiert oder nach Wahl auch gradiert werden. Effekte wie die Materialsteifigkeit und Wärmeleitfähigkeit können somit gezielt variiert werden. Abhängig von dem angewendeten Verfahren ist eine Kombination verschiedener Materialien in einem Prozess zur Fertigung von Multimaterialkomponenten möglich [7]. Der Entwicklungsprozess neuer Bauteile wird im Wesentlichen durch die Entwicklungsmethodik geprägt. Die Entwicklungsmethodik stellt die Erarbeitung von Methoden für eine generations- und prozessübergreifende Produktentwicklung dar. In der Vor­ gehensweise der Entwicklungsmethodik ist die Phase des Konzipierens und frühen

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­ ntwerfens besonders intensiv zu betrachten. Diese Phase bietet ein sehr großes Potenzial E für eine Integration und Kombination von Effekten innerhalb zu konstruierender Bauteile [8]. Um in den Phasen „Planen“ und „Konzipieren“ Ideen sammeln zu können, sind umfangreiche Erfahrungen in diesem Bereich notwendig, sowie ein weitreichendes physikalisches Verständnis. Somit sind auch in dem Bereich der Entwicklungsmethodik weitere Forschungsansätze notwendige, die beinhalten, wie Lösungsansätze nach definierten Effekten gegliedert werden können und dies methodisch aufbereitet werden kann. Wird Additive Fertigung als Fertigungsverfahren für das Endprodukt betrachtet so können die besonderen Gestaltungsmöglichkeiten genutzt werden, um Bauteile hinsichtlich ihrer Effektumsetzung effizienter zu konzipieren. Mit der Additiven Fertigung können in diesem Kontext Effekte, einzeln betrachtet oder auch in Kombinationen verbessert genutzt werden. Bisher sind zu diesem Themengebiet nur erste Ansätze bekannt, die meist jedoch nur eine grundlegende Funktionsweise aufzeigen [9]. Hier ist somit ein großes Optimierungspotenzial für die nachfolgende Bauteilgeneration in der Produktentwicklung von Strukturbauteilen geboten. Innerhalb des Entwicklungsprozesses werden Strukturbauteile durch eine Vielzahl von messbaren Anforderungen beschrieben. Die nachfolgende Abb.  1 bietet einen Überblick über die Entwicklungsmethodik gedruckter Effekte. Dabei ist die Grundlage

Abb. 1  Gestaltungsprozess für hocheffiziente Effekte

Integration spezifischer Effekte in Strukturbauteilen mittels additiver …

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jeder Produktentwicklung eine Vielzahl an Anforderungen, wobei Anforderungen aus ­Zielsetzungen resultieren. Ein weiterer, häufiger Ausgangspunkt für die Produktgestaltung sind soziale Aspekte wie die Kundenindividualisierung. Aus der Umsetzungen von Anforderungen resultieren Eigenschaften und Funktionen. Hierbei sind Eigenschaften als messbare Werte definiert, die von den Bauteilen erfüllt sein müssen. Funktionen beschreiben eine Wandlung oder Leitung von beispielsweise Signalen oder Stoffen, wobei zwingend ein Ein- und Ausgangssignal benötigt wird. Weiterführend können Funktionen in einzelne Teilfunktionen unterteilt werden [2]. Um diese Teilfunktionen erreichen zu können, werden geeignete Effekte definiert und einzeln oder kombiniert und in der Bauteilgestalt umgesetzt. Zu der Frage, wie die Bauteile angepasst auf additive Fertigungsverfahren konstruiert werden müssen, existiert eine große Auswahl an wissenschaftlichen Arbeiten [10]. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung der Fertigung- und Prozesstechnologien, welcher in der Literatur ebenfalls ausführlich betrachtet wurde. Ein weniger dokumentierter Bereich ist das Design with Additive Manufacturing (DwAM). Vereinzelte Arbeiten zeigen mögliche Realisierungen und Optimierungen von Effekten auf. Eine weitere Betrachtung in der Literatur ist die Anpassung von Konstruktionsprozessen, mit dafür geeigneten Vorgehensweisen, sowie Methoden und Hilfsmittel [11]. Über die Möglichkeit der Gestaltungsfreiheit in der Additiven Fertigung können Zielkonflikte gelöst und die geeigneten Effekte in den Bauteilen effizienter realisiert werden. Für eine Optimierung und Anpassung, sowie Umgestaltung von Bauteilen wird die Additive Fertigung in der heutigen Zeit häufig eingesetzt. Bisher werden Bauteile überwiegend hinsichtlich der geforderten Produkteigenschaften und nicht der Teilfunktionen angepasst. Ein möglicher Lösungsansatz in der Literatur Zielkonflikte in der Entwicklung zu berücksichtigen ist, die Konflikte in Nebenmodule auszulagern. Hierbei wird jedes Modul separat und einzeln optimiert. Dies hat zur Folge, dass die Potenziale in der Produktent­ wicklung nicht vollständig ausgeschöpft werden können [9]. Je höher der Grad der Effektintegration gewählt ist, desto effizienter können die erforderlichen Funktionen realisiert werden. Somit ist ein neuer Ansatz, in dem die Effekte übergreifend betrachtet und im Verbund optimiert werden, für den Entwicklungsprozess notwendig. Ein wesentlicher Forschungsbedarf stellt hierfür die Effektkombination dar [9]. Aus diesen Erkenntnissen ergibt sich die folgende wissenschaftliche Fragestellung: „Wie können innere Effekte und Effektkombinationen mithilfe der Additiven Fertigung gezielt in der Bauteilgestaltung umgesetzt werden?“. Der wesentliche Forschungsbedarf, der bei der Kombination mehrerer Effekte vorherrscht sollte innerhalb der nächsten Jahre angegangen werden. Hierbei ist das Ziel, mögliche Kompromisse zwischen den Widersprüchen zu identifizieren, diese nachfolgend methodisch aufzuarbeiten und abschließend zu optimieren. Über ausgewählte Muster in Vorversuchen müssen Validierungen und Messwerte generiert werden, um den bisherigen Lösungsraum mit dem Verständnis über physikalische Zusammenhänge zu erweitern.

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R. Lachmayer et al.

Anwendungsbeispiel: Stoff- und Wärmetransport

Eine mögliche Effektkombination, die über die Additive Fertigung gezielt beeinflusst werden kann, ist eine Funktionsintegration von Wärme-, Stoff- und Kraftfluss. In Prozessen mit energie- und stoffwandelnden Funktionen müssen die Bauteile zuvor festgelegten Anforderungen genügen. Beispielsweise beinhaltet dies einen garantierten Wärmetransport auch unter einer hohen mechanischen Beanspruchung des Bauteils. Eingebrachte Strukturen und angepasste Bauteilformen müssen den mechanischen und thermischen Belastungen standhalten können, welchen in der Regel eine Gewährleistung der Abwärmeverteilung beinhaltet. Mögliche Anwendungsbeispiele für diese Effektkombination sind eine Turbinenschaufel, ein Kolben im Verbrennungsmotor oder die Umsetzung eines neuen Kühlkörperkonzeptes für laseraktive Kristalle (Abb. 2). Nachfolgend wird auf das Kühlkörperkonzept für einen laseraktiven Kristall näher eingegangen. Zur Erzeugung der gewünschten optischen Strahlung muss ein aktiver Laserkristall mit einer zusätzlichen Strahlquelle, beispielsweise einer Laserdiode gepumpt werden. Die eingebrachte Pumpleistung wird in dem laseraktiven Medium absorbiert. Über eine Umwandlung des Energieeintrags wird die kohärente Laserstrahlung emittiert und kann für weitere Anwendungen genutzt werden. Während des Pumpprozesses, entstehen im Kristall Pumpverluste in Form von Wärme. Diese Verluste führen innerhalb des Kristalls zu einem Temperaturgradienten und haben innerkristalline Spannungen zur Folge. Bei zu hohen Spannungen wird der Kristall geschädigt oder es prägen sich ungewollte thermische Effekte wie eine thermische Linse aus, die einen Einfluss auf die Strahlqualität haben. Die Temperaturverteilung im Kristall ist inhomogen und hat ein räumlich variierendes Brechungsindexprofil zur Folge [12]. Mit dem Fachbegriff thermisches Management kann eine Lösung dieses Problems beschrieben werden. Häufig besteht die Kühlung eines Laserkristalls aus einem wasserdurchflossenen Systemen. Hierfür wird der Kristall beispielsweise mit einer Indiumfolie Abb. 2  Additiv gefertigter Laserkristallkühler mit eingedrucktem Kristall und integrierten Kühlkanälen, konstruiert vom LZH und gefertigt an der Leibniz Universität Hannover

Integration spezifischer Effekte in Strukturbauteilen mittels additiver … Wassereinlass

Montage -vorrichtung

Nd:YAG-Kristall

Wasser -auslass

Turbulator

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Staukammern

Wärmeübertragungsflächen

Abb. 3  CAD-Modell eines für die Additive Fertigung konstruierten Laserkristallhalter mit inte­ grierten Kühlkanälen

ummantelt und mit dem Kühlkörper kraftschlüssig verbunden [12]. Verbesserungswürdige Ansatzpunkte bei der konventionellen Herstellungsmethode sind die materialspezifische Wärmeleitung, der Wärmeübergang an den Materialgrenzflächen und der Kraftfluss im Multimaterialsystem. Durch Pulverbettverfahren und das dabei charakteristische voxelweise Aufschmelzen von metallischen Partikeln können stoffschlüssige Materialverbindungen aus thermomechanisch Legierungen ermöglicht werden. Damit kann der Laserkristall stoffschlüssig an den Kühlkörper angebunden werden mit einem thermisch an das Kristallmaterial angepassten Kühlsystemmaterial. Dies führt in dem gesamten System zu einem erhöhten Wirkungsgrad, einem erhöhten Wärmeabtransport einer Reduzierung der Bauteilgröße (durch eingebrachte innere Kühlstrukturen) und eine geringe thermische Schädigung des Kristalls. Mithilfe der nahezu uneingeschränkten Gestaltungsfreiheit in der Additiven Fertigung können komplizierte innere Kühlkanäle in Bauteile eingebracht werden (Abb. 3). Ebenso kann die Kühlkörpergeometrie an die geforderte Wärmeverteilung im Kristall und die Kristallgeometrie angepasst werden. Weitere Informationen zu der Auslegung eines Kühlkörpers werden ausführlicher in dem Kap.  „Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall“ erläutert.

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Anwendungsbeispiel: Lichtleitung und Manipulation

Integrierte Lichtleiter oder weitere optische Elemente können sowohl für die Detektion von Effekten und Signalen als auch die Manipulation genutzt werden. Eine Herausforderung ist die optischen Komponenten innerhalb des Fertigungsprozesses in die Bauteile zu integrieren. Außerdem ist eine Additive Fertigung von Glaskomponenten mit hinreichenden optischen Eigenschaften bisher nicht möglich. Ein Verfahren, welches derzeit für die Additive Fertigung von Glas in dem NBank geförderten Verbundprojekt GROTESK (Generative Fertigung optischer, thermaler und struktureller Komponenten)

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8 Strahlfallen

Spiegel

CO2-Laser Strahlteiler

Fokussieropk

Gedrucktes Glas

PL, P

α v

vF

Faserförderung z

Substrat

x

y

Abb. 4  Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Additiven Fertigung von Glas [13]

und in weiteren Projekten am Laser Zentrum Hannover weiter entwickelt wird ist das Laser Glass Deposition (LGD). Bei dem Prozess handelt es sich um ein laserbasiertes Faserextrusionsverfahren (Abb. 4). Hierbei wird eine Glasfaser lateral in die Bearbeitungszone gefördert. Die Faser besitzt einen Durchmesser von insgesamt 500  μm (400 μm Quarzglaskern und eine 50 μm dicke Ummantelung aus Kunststoff). Die Faser ist bewusst mit der Ummantelung versehen, um eine bruchfreie Förderung in die Bearbeitungszone gewährleisten zu können. Die Faser wird mit einem CO2 – Laser aufgeschmolzen und auf ein Glassubstrat aufgedruckt. Die Größe der Struktur wird über die Ausgangsfaser definiert. Eine Förderung variabler Faserdurchmesser ist in diesem Aufbau derzeit bereits möglich [13]. Mit diesem beschriebenen Verfahren sind bereits funktionale Wellenleiter in unterschiedlichen Formen gefertigt worden. Auch erste sphärische Kugellinsen sind mit der Vorgehensweise erfolgreich umgesetzt worden. Ebenso können erste Volumenkörper aus Glas produziert werden. Wesentliche Herausforderungen nach dem derzeitigen Stand der Forschung sind die Erzeugung Oberflächen mit optischer Qualität und der Umgang im dem Werkstoff Glas [13]. Weitere Informationen zu der Weiterentwicklung des LGD-Prozesses werden in dem Kap.  „Entwicklung von Laser-Systemkomponenten für das koaxiale Laser-Draht-Auftragschweißen von Metall- und Glaswerkstoffen“ vorgestellt.

Integration spezifischer Effekte in Strukturbauteilen mittels additiver …

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Ausblick

Die Additive Fertigung bietet nach den in diesem Beitrag ausgeführten Ansätzen ein ­wesentliches Potenzial, Effekte innerhalb eines Bauteils effizient umzusetzen. Anhand der  Strukturanpassung eines Laserkristallhalters mit integrierten Kühlkanälen wurde ­beispielsweise der gezielte Einsatz von innere Effekten wie Wärme- und Stofftransport erläutert. Mithilfe definierter Anforderungen und Zieldefinitionen können über die Bauteilfunktionen Effekte definiert und variiert werden. Zusätzlich zu der Materialauswahl können innere Strukturen als eine Wärmesperre fungieren. Ein weiteres Anwendungsfeld für eine gezielte Steuerung der Effekte sind die gradierten Materialien. Hierbei können die Materialsteifigkeit und die Wärmeleitfähigkeit lokal, anhand einzelner Voxel an die vorgegebenen Anforderungen angepasst werden. Des Weiteren ist eine Integration von Effekten wie der Lichtleitung und Manipulation über eine Entwicklung neuartiger Verfahrenstechnologien und einer Kombination unterschiedlicher Fertigungsverfahren möglich. Ein notwendiger Schritt in diesem Themenfeld ist die Entwicklung einer Methodik, um bereits früh in der Prozessentwicklung zu variierende Effekte identifizieren und individualisiert einstellen zu können. Ebenso besteht daraufhin die Möglichkeit mit vordefinierten Zielen und Prozesstechnologien die Gestalt eines Bauteils konstruktiv darzustellen. Somit wird besonders die Phase des Planen und Konzipierens erweitert und der Konstruktionsprozess für die Additive Fertigung zeitlich verkürzt.

Literatur 1. Adam, G., Zimmer, D.: Design for additive manufacturing. Element transitions and aggregated structures. CIRP J. Manuf. Sci. Technol. 7(1), 20–28 (2014) 2. Roth, K.: Konstruieren mit Konstruktionskatalogen, Bd. 1: Konstruktionslehre, 3. Aufl. Springer, Berlin (2000) 3. Künneke, T., Zimmer, D.: Funktionsintegration additiv gefertigter Dämpfungsstrukturen bei Biegeschwingungen. In: Richard, H.A., Schramm, B., Zipsner, T. (Hrsg.) Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen, S. 61–74. Springer Fachmedien, Wiesbaden (2017) 4. Lachmayer, R., Lippert, R.B.: Chancen und Herausforderungen für die Produktentwicklung. In: Lachmayer, R., Lippert, R.B., Fahlbusch, T. (Hrsg.) 3D-Druck beleuchtet – Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung, S. 5–17. Springer Vieweg, Berlin/Heidelberg (2016) 5. VDI Gesellschaft Produktion und Logistik: VDI 3405 – Additive manufacturing processes, rapid manufacturing – Basics, definitions, processes. VDI Handbuch, Berlin (2014) 6. Zäh, M.F.: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid Technologien – Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren. Carl Hanser, München (2006) 7. Lippert, R.B., Lachmayer, R.: Additive Manufacturing Quantifiziert. In: Lachmayer, R., Lippert, R.B. (Hrsg.) Additive Manufacturing Quantifiziert  – Visionäre Anwendungen und Stand der Technik, S. 2–6. Springer Vieweg, Berlin/Heidelberg (2017)

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R. Lachmayer et al.

8. Scheidel, W., Mozgova, I., Lachmayer, R.: A case study for a unified designation of development information in a PDM System for technical inheritance. Proc Manuf. 24, 2–7 (2018) 9. Emmelmann, C., Sander, P., Kranz, J., Wycisk, E.: Laser additive manufacturing and bionics: redefining lightweight design. Phys. Procedia. 12, 364–368 (2011) 10. Lippert, R.B., Lachmayer, R.: Validierung laserstrahlgeschmolzener Strukturbauteile aus AlSi10Mg. In: Lachmayer, R., Lippert, R.B., Kaierle, S. (Hrsg.) Additive Serienfertigung  – Erfolgsfaktoren und Handlungsfelder für die Anwendung, S. 39–52. Springer Vieweg, Berlin/Heidelberg (2018) 11. Ehrlenspiel, K., Meerkamm, H.: Integrierte Produktentwicklung: Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit, 5. Aufl. Hanser, München/Wien (2013) 12. Peuser, P., Schmitt, N.P.: Diodengepumpte Festkörperlaser, S. 138–140. Springer, Berlin/Heidelberg (1995) 13. Rettschlag, K.; Kranert, F.; Hohnholz, A.; Wienke, A.; Suttmann, O.; Neumann, J.; Kracht, D.; Lachmayer, R.: Laser deposition of fused silica coreless fibers to generate functional waveguides. In: Laser in Manufacturing Conference 2019, München, eingereicht (2019)

Teil I Prozesskette und Geschäftsmodelle

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung Beate Bender, Frederike Kossack, Young-Woo Song, Jan Sehrt, Britta Mehring und Jannis Kranz

Inhaltsverzeichnis 1  2  3  4  5 

Einleitung   tand der Forschung zum Design for AM  S Design for AM im Produktentwicklungsprozess  Design for AM in der Produktentwicklung bei thyssenkrupp  Allgemeine Vorgehensweise zur Berücksichtigung additiver Fertigungsverfahren in der Produktentwicklung in Unternehmen  6  Diskussion der Ergebnisse und Ausblick  Literatur 

  14   15   15   20  24  26  27

Zusammenfassung

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

B. Bender (*) · F. Kossack · Y.-W. Song Lehrstuhl für Produktentwicklung, Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected] J. Sehrt Lehrstuhl für Hybride Additive Manufacturing, Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected] B. Mehring · J. Kranz TechCenter Additive Manufacturing, thysenkrupp AG, Mülheim a. d. Ruhr, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_2

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B. Bender et al.

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. Schlüsselwörter

Methodische Produktentwicklung · Additive Fertigung · Design for Additive Manufacturing (DfAM) · Produktentwicklungsprozess · Leitlinie

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Einleitung

Die additive Fertigung bietet durch den schichtweisen Aufbau von Bauteilen größere konstruktive Freiheiten im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren. Diese konstruktiven Freiheiten eröffnen neue Lösungsräume für die Produktentwicklung (PE). Damit können typische Entwicklungsziele wie Leichtbau oder Funktionsintegration umgesetzt werden [1]. Neben den Potenzialen im Hinblick auf neue Lösungskonzepte gibt es bedingt jeweils durch das spezifische Fertigungsverfahren auch Restriktionen aus denen Gestaltungsrichtlinien zur Additive Manufacturing (AM) gerechten Konstruktion hergeleitet werden können [2, 3]. Sowohl Kenntnis über Potenziale als auch über Restriktionen müssen in der Entwicklung eines additiv gefertigten Produktes eingebunden werden [4]. Vor diesem Hintergrund besteht die Zielsetzung darin, spezifisch für das Unternehmen thyssenkrupp (tk) eine Leitlinie für die Produktentwicklung zu erstellen, die den Einsatz additiver Fertigungsverfahren unter Berücksichtigung der im hauseigenen TechCenter vorhandenen Anlagen und Kompetenzen fördert. Das Vorgehen unterscheidet sich dabei in Abhängigkeit davon, ob vorhandene konventionell gefertigte Bauteile substitutiert bzw. angepasst werden oder neue Bauteilkonzepte entwickelt werden sollen. In der Literatur vorhandene Ansätze zur fertigungsgerechten Produktentwicklung für additiv gefertigte Bauteile, die bereits in frühen Phasen der PE ansetzen, sind häufig sehr abstrakt formuliert und nicht auf die Bedürfnisse eines konkreten Unternehmens mit seiner spe­ zifischen Produktpalette zugeschnitten. Gestaltungsrichtlinien, die späteren Produkt­ entwicklungsphasen zugeordnet werden können, spezifizieren hingegen detailliert bestimmte Werkstoffe oder F ­ ­ertigungstechnologien, die nicht jedem Unternehmen

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung

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­ neingeschränkt zu Verfügung stehen [1, 5]. Diese unterstützen jedoch nicht bei der Wahl u oder gar Entwicklung geeigneter Produktkonzepte. Um eine Leitlinie für die Anwendung in einem konkreten Unternehmen erstellen zu können, müssen demnach für den Unternehmenskontext geeignete Ansätze ausgewählt und für den Anwendungsfall angepasst bzw. konkretisiert werden. Dieses Vorgehen wird hier beschrieben und das Ergebnis in Form einer unternehmensspezifischen Leitlinie dargestellt. Dabei wird zunächst der Fokus auf die technischen Bauteileigenschaften und die fertigungstechnische Realisierbarkeit gelegt. Es werden keine Kostenrechnungen für die Fertigung oder den Produktlebenszyklus betrachtet, ebenso wenig werden logistische oder ökologische Aspekte bei der Auswahl eines Fertigungsverfahrens berücksichtigt.

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Stand der Forschung zum Design for AM

Um Ansatzpunkte zur Berücksichtigung additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung zu finden, muss das Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren betrachtet werden. Dies erfolgt auf allgemeiner Ebene – unabhängig vom konkret zu lösenden Problem und dem für die spätere Umsetzung der Problemlösung gewählten Fertigungsverfahren – in unterschiedlichen Konstruktionsmethodiken. Ausgehend von einer allgemeinen Betrachtung des Entwicklungsprozesses kann untersucht werden, an welchen Schritten im Entwicklungsprozess die Berücksichtigung additiver Fertigungsverfahren besonders hohes Potenzial bietet. Umgekehrt kann beurteilt werden, an welchen Punkten die konstruktiven Möglichkeiten der additiven Fertigung das Vorgehen und damit auch die konstruktive Lösung am meisten beeinflusst. Danach können vorhandene Ansätze zur methodischen Unterstützung bei der Auswahl und Entwicklung additiv gefertigter Bauteile kategorisiert und bezüglich ihrer Eignung im konkreten Anwendungsfall bewertet werden.

3

Design for AM im Produktentwicklungsprozess

Der Produktentwicklungsprozess besteht aus voneinander abgrenzbaren Arbeitsphasen, in denen das Produkt ausgehend von seiner abstraktesten Beschreibungsform, der Anforderungsliste, zunehmend weiter konkretisiert wird [9–11]. Eine bekannte Repräsentationsform des Produktentwicklungsprozesses stellt die VDI 2221 von 1993 [6] dar, die aufgrund ihres hohen Verbreitungsgrads sowie der aktuellen Überarbeitung [7] im vorliegenden Fall als Ausgangspunkt für die Analyse des Produktentwicklungsprozesses verwendet wird. Nach VDI 2221 sind die Hauptarbeitsphasen beim Entwickeln das Klären der Aufgabe, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten [6, 7]. Ausgehend von der Ermittlung und Vervollständigung der Anforderungen in einer Anforderungsliste (Lastenheft) werden dabei je nach Art der Aufgabe systematisch Funktions- und Wirkprinzipien ermittelt sowie zu mehreren geeigneten Lösungskonzepten (prinzipielle Lösungen) aggregiert. Das auf Grundlage von methodischen Bewertungs- und Auswahlprozessen

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B. Bender et al.

gewählte Lösungskonzept wird zum Baumodell (CAD-Zeichnung) weiter konkretisiert. Das Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren, wie es z. B. in der VDI 2221 dargestellt ist, geht dabei implizit davon aus, dass die Berücksichtigung des konkret gewählten Fertigungsverfahrens erst in späten Entwicklungsphasen bei der Gestaltung relevant ist [7]. Beispielsweise die in Pahl/Beitz formulierte Gestaltungsrichtlinie „fertigungsgerecht“ [8] ist explizit auf die Gestalt des Produkts ausgerichtet  – weder die Funktion noch das Produktkonzept werden in Frage gestellt. Der notwendige Produktentwicklungsprozess für additiv gefertigte Produkte unterscheidet sich jedoch von dem für konventionell gefertigter Produkte [9]. Gestaltungsrichtlinien zur „Fertigungsgerechtheit“ fokussieren auf Restriktionen (im Sinne von „Was geht nicht?“) in der Gestaltungsphase auf. Für die Ausnutzung der für die Additive Fertigung typischen Potenziale, etwa der Funktionsintegration, ist jedoch eine Erweiterung des Lösungsraums („Was ist möglich?“) notwendig [10]. Insbesondere die frühen Entwicklungsphasen, in denen der Lösungsraum nach einem geeigneten Produktkonzept durchsucht wird, sind von dieser Erweiterung des Suchfelds betroffen. Entsprechend unterscheiden Ponche et al. Konstruktionsmethodiken aus Sicht der Integration additiver Fertigungsverfahren in partielle und globale Ansätze [11]. Globale Ansätze haben die Neuentwicklung von additiv zu fertigenden Bauteilen unter Berücksichtigung der funktionalen Anforderungen sowie der Eigenschaften des Herstellungsverfahrens zum Ziel. Es geht damit auch um die frühen Entwicklungsphasen, in denen noch ein großer Gestaltungsfreiraum im Hinblick auf das Lösungskonzept existiert. Bei einem partiellen Ansatz dagegen werden lediglich lokale Änderungen an dem Bauteil vorgenommen, wodurch das abgeänderte Bauteil der ursprünglichen Gestaltung ähnelt. Sie berücksichtigen zudem die Eigenschaften der Nachbearbeitung [11]. Der Fokus liegt hier also auf den späten Entwicklungsphasen. Im Folgenden werden vorhandene Ansätze für die Berücksichtigung additiver Fertigungsverfahren nach der Anwendbarkeit in Produktentwicklungsphasen unterschieden in „phasenübergreifend“, „frühe Phasen“ und „späte Phasen“.

3.1

Phasenübergreifende Design for AM Ansätze

Kumke entwickelte eine ganzheitliche Konstruktionsmethodik für die Gestaltung von additiv zu fertigenden Komponenten [12]. Die einzelnen Schritte dieser Methodik sind dabei am in der VDI-Richtlinie 2221 beschriebenen Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren angelehnt, auf die additive Fertigung ausgerichtet und mit punktuellen Unterstützungen der jeweiligen Prozessschritte ausgearbeitet. Durch die Aufbereitung in einem interaktiven Konstruktionskompendium werden diese Inhalte für die praktische Anwendung bereitgestellt [12]. Im Vergleich dazu stellen Rhode et al. den Produktentwicklungsprozess als ereignisgesteuerte Prozesskette mit Iterationsschritten dar. Dabei werden Richtlinien wie die VDI 2221 oder DIN 9000 implementiert und sowohl technische als auch wirtschaftliche Entscheidungen, wie die Bauteilauswahl und Kauf- oder E ­ igenfertigungsentscheidungen

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung

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integriert [9]. Ponche et  al. unterteilen die globalen Ansätze in drei Schritte. Der erste Schritt startet mit der Betrachtung funktionaler Oberflächen, die für die Bauteilfunktion notwendig sind. Es wird überprüft, ob die geometrischen Dimensionen der zu einem Bauteil zusammengefassten funktionalen Oberflächen mit dem gewählten additiven Fertigungsverfahren herstellbar sind. Im darauffolgenden Schritt werden ausgehend von den funktionalen Oberflächen die funktionalen Volumina bestimmt. Die Wandstärken werden hierbei abhängig von den Eigenschaften des Fertigungsverfahrens, den zulässigen Toleranzen und den mechanischen Lasten des Bauteils ermittelt. Im letzten Schritt werden die funktionalen Volumina schließlich zu einem Bauteil verbunden [11]. Sossou et al. legen das Augenmerk auf die Entwicklung von Baugruppen. Ihr Ansatz ist ebenfalls in drei Hauptschritte gegliedert. Im ersten Schritt wird eine Funktionsanalyse durchgeführt, die ein Verständnis für die Funktion des Produkts, für das Zusammenwirken der einzelnen Bauteile sowie den Schnittstellen zwischen Produkt und Umwelt schafft. Im zweiten Schritt werden basierend auf den Ergebnissen der vorangegangenen Analyse die Strukturen der Bauteile festgelegt. Der dritte Schritt beschäftigt sich schließlich mit der Erstellung der Geometrien der Bauteile unter Berücksichtigung der additiven Fertigung [13]. Im Folgenden werden exemplarisch Ansätze dargestellt, die nicht den ganzen Produktentwicklungsprozess betrachten, sondern unterschiedlich große Prozessschritte punktuell unterstützen oder beschreiben. Diese werden differenziert nach dem Zeitpunkt ihres Ansatzes im Produktentwicklungsprozess – eher früh und damit auf das Konzept bezogen oder eher spät auf die Gestalt des Bauteils bezogen.

3.2

Konzeptfindung für AM – frühe Entwicklungsphasen

Der größte Gestaltungsfreiraum und Potenziale wie Funktionsintegration, Leichtbau, Individualisierung oder Leistungssteigerung [14] kann besonders dann genutzt werden, wenn die Entscheidung für die additive Fertigung in frühen Entwicklungsphasen wie der Konzeptionierung und Grobgestaltung fällt [15]. Dazu sind unterschiedliche methodische Unterstützungen vorhanden. Zur Erweiterung des Lösungsraums durch Nutzung der Potenziale der additiven Fertigung leiten Blösch und Shea anhand von 275 additiv gefertigten Bauteilen 29 Design Heuristiken ab, die in der frühen Phase unabhängig vom Fertigungsprozess den Lösungsraum des Produktentwicklers erweitern. Beispiele dafür sind die Vereinigung von Bauteilen, um den Montageaufwand zu reduzieren oder die Mitteilung von Informationen durch den Einsatz verschieden farbiger Materialien [16]. Ein weiterer Ansatz für die Nutzung der Potentiale in frühen Entwicklungsphasen ist die vierstufige Funktionsdarstellung nach Valjak, in der zuerst die Funktionen des Bauteils anhand eines vorgegebenen Vokabulars auf einem hohen Abstraktionslevel ohne technische Lösungen beschrieben werden. Dann werden den Funktionen technische Lösungsprinzipien zugeordnet [17]. In weiteren Ansätzen zur Unterstützung werden Auswahlhilfen entwickelt, um den Anwender bei der Beurteilung des Potenzials von Bauteilen bezüglich ihrer ­Eignung für die additive Fertigung zu unterstützen. In den frühen Phasen

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der Konzeptionierung unterstützen Auswahlhilfen den Konstrukteur, in dem über einfach zu beantwortende Fragen das Potenzial für die additive Fertigung abgeschätzt wird. Die Teilauswahl kann beispielsweise mit dem Fragebogen von Burton erfolgen, in dem Punkte wie Stückzahl, Individualisierung und Funktion des zu entwickelnden Bauteils abgefragt werden. Durch den Fragebogen werden dem Produktentwickler außerdem ­charakteristische Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile vermittelt, um eine Einschätzung zu ermöglichen, ob das Bauteil von additiver Fertigung profitieren würde [18].

3.3

Bauteilgestaltung für AM – späte Entwicklungsphasen

In der Praxis ist ein Großteil der entwickelten Produkte keine Neukonstruktion, sondern basieren auf einem bereits vorhandenen Produkt oder Bauteil. Entsprechend wird in Ansätzen zur Unterstützung AM-gerechter Bauteilgestaltung vorgeschlagen zu differenzieren, in wie weit eine grundlegende Gestaltänderung des bereits vorhandenen Bauteils möglich ist. Damit wird identifiziert, ob die Potenziale additiver Fertigungsverfahrens ausgeschöpft werden, oder ob das konventionelle Fertigungsverfahren lediglich durch additive Fertigung substituiert werden soll, zum Beispiel aus Kostengründen bei Kleinserien [19]. Damit würde das Bauteil ohne konzeptionelle Änderung ausschließlich in späten Phasen der Produktentwicklung auf der Gestaltungsebene angepasst. In den späten Phasen der Produktentwicklung müssen vorwiegend die Restriktionen der additiven Fertigung beachtet werden. In der Literatur finden sich vielfältige Gestaltungsrichtlinien, die Konstrukteuren helfen, die Einschränkungen der additiven Fertigung zu berücksichtigen [2, 20]. Restriktionen sind unter anderem die Bauraumgröße, die Aufbaustrategie, der Treppenstufeneffekt, das Entfernen der Supportstrukturen, Anisotropie von Werkstoffen, Eigenspannungen und Verzug, Oberflächenbeschaffenheit und Wirtschaftlichkeit [2, 21–23]. Diese Einschränkungen können verfahrensspezifisch, maschinenspezifisch oder materialspezifisch sein und müssen daher an die Rahmenbedingungen der anwendenden Unternehmen angepasst werden [1]. Verfahrensspezifische Restriktionen können in Gestaltungskatalogen wie beispielsweise bei Kranz und Lippert für das Laser-Strahlschmelzen gefunden werden [2, 20]. Maschinenspezifische Einschränkungen können durch unterschiedliche Anlagengrößen entstehen. Materialspezifische Restriktionen beschreiben die Einflüsse, die Werkstoffe auf die additive Fertigung haben. Zum Beispiel gelten für Kunststoffe andere Regeln als bei Metallen im Bereich der Supportstrukturen und Aufbaustrategie [23]. Booth et al. stellen ein Worksheet für die Auswahl von Bauteilen anhand von geometrischen und funktionellen Eigenschaften für die späten Phasen der Produktentwicklung dar. Unterschiedliche Eigenschaften, wie die geometrische Komplexität des Bauteils, erforderliche Toleranzen oder Überhänge werden anhand eines Punktesystems analysiert und somit das Potenzial des Bauteils für die additive Fertigung bestimmt [24].

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung

19

Für die Identifikation von Bauteilen, die sich für die additive Fertigung eignen, existieren bereits Softwarelösungen [25]. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bauteileigenschaften wie Volumen und minimaler Wandstärke der Bauteile sowie Informationen aus einem Enterprise-Resource-Planning (ERP)-System kann bestimmt werden, ob ein Bauteil additiv fertigbar ist. Dies setzt voraus, dass bereits eine grobe Gestalt eines Bauteils bekannt ist, womit auch dieser Ansatz – mindestens derzeit – den späten Entwicklungsphasen zuzuordnen ist. Diese Softwarelösungen können ebenfalls genutzt werden, um bereits in einem Unternehmen vorhandene Bauteile zu identifizieren, die sich für eine Anpassungskonstruktion für die additive Fertigung eignen. Diese Identifizierung kann automatisiert ablaufen und eine Vorauswahl von Bauteilen generieren, die genauer in Betracht gezogen werden sollten [25]. Hartogh und Vietor stellen einen Ansatz vor, um aus Bauteil-CAD-Modellen Fertigungsgrößen wie die Fertigungszeit für die additive Fertigung zu bestimmen. Dafür wird das CAD-Modell durch geometrische Grundkörper abstrahiert, für die Fertigungsmerkmale bekannt sind. Über eine dimensionslose geometrische Ähnlichkeitskennzahl können somit Fertigungsgrößen ohne eine Prozesssimulation gewonnen werden. Durch eine Anpassung des Verfahrens für konventionelle Fertigungsverfahren werden additive und konventionelle Fertigungsverfahren miteinander vergleichbar [26].

3.4

Fazit zum Stand der Forschung

Es existiert eine Vielzahl methodischer Ansätze zur Unterstützung bei der Entwicklung additiv gefertigter Bauteile. Diese sind entweder phasenübergreifend für den gesamten Produktentwicklungsprozess geeignet oder fokussieren bestimmte Entwicklungsphasen. Einigkeit besteht über das hohe Potenzial von AM in der Konzeptfindungsphase. Demgegenüber steht, dass insbesondere konkrete Gestaltungsrichtlinien für späte Entwicklungsphasen zur Berücksichtigung spezifischer AM-Verfahren zur Verfügung stehen. Sofern das zu verwendende AM-Verfahren bekannt ist, können diese niedrigschwellig in der Praxis angewandt werden. Vorhandene Ansätze zur Unterstützung früher Entwicklungsphasen für die Konzeptfindung bauen dagegen in der Regel auf einem bewusst methodischen Vorgehen im Entwicklungsprozess auf. Dieses ist in der industriellen Praxis nicht immer vorhanden, erforderlich oder dokumentiert. Hinzu kommt das häufig sehr hohe Abstraktionsniveau solcher Ansätze, was als Voraussetzung für die praktische Anwendung wiederum konstruktionsmethodische Kompetenzen der Produktentwickler erfordert. Soll also für einen konkreten Entwicklungskontext – wie hier am Beispiel tk – eine methodische Leitlinie zum Einsatz kommen, die die Entwickler im Alltag niedrigschwellig unterstützt, ist die Anpassung und Konkretisierung vorhandener Methoden und Hilfsmittel an die vorhandenen Rahmenbedingungen und den Entwicklungskontext erforderlich. Im Folgenden werden das bei tk angewandte Vorgehen bei der Anpassung der allgemeinen Richtlinien sowie Auszüge aus der daraus entwickelten Leitlinie dargestellt.

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4

B. Bender et al.

Design for AM in der Produktentwicklung bei thyssenkrupp

Im TechCenter der Firma thyssenkrupp am Standort Mülheim sind Anlagen für die Verfahren Laser-Strahlschmelzen, Laser-Sintern und Fused Layer Modeling vorhanden. Es werden unterschiedliche Bauteile für verschiedene Standorte gefertigt und eine entsprechende Arbeitsvorbereitung durchgeführt. Außerdem verfügt das TechCenter über erweiterte Kenntnisse zu den Möglichkeiten und Potenzialen dieser Fertigungstechnologie. Diese Kenntnisse sollen genutzt werden, um einen weitergehenden Einsatz additiver Fertigung bei tk methodisch zu unterstützten. Dies umfasst sowohl die Verfügbarkeit von Informationen über additive Fertigung für Produktentwickler des Unternehmens als auch die Vermittlung von Kompetenzen bei der Entwicklung von AM Bauteilen. Zur Umsetzung dieser Ziele wird exemplarisch das Vorgehen beim Entwickeln sowie die über AM vorhandenen Informationen zweier konkreter Produktentwicklungsbereiche an unterschiedlichen Standorten analysiert und mit den Ergebnissen einer Literaturrecherche zum Thema Design for AM abgeglichen. Basierend darauf wird eine Leitlinie erstellt. Darauffolgend werden Entscheidungspunkte und Aktivitäten im jeweiligen Produktentwicklungsprozess definiert, an denen die Berücksichtigung von AM bei der Umsetzung eines Produktkonzepts oder der Gestaltung sinnvoll sein kann. Zur Identifikation der Potenziale an diesen Entscheidungspunkten werden zwei spezifisch auf die Fertigungsmöglichkeiten und Produktpalette des Unternehmens zugeschnittene Fragebögen entwickelt. Damit sollten einerseits die Mitarbeiter der Produktentwicklung für die Nutzungsmöglichkeit additiver Fertigungsverfahren sensibilisiert werden und andererseits niederschwellig Potenzialeinschätzungen von Bauteilen durchgeführt werden können. Darüber hinaus werden mögliche Kommunikationspunkte zwischen dem TechCenter und den Entwicklungsabteilungen definiert, an denen die Kompetenz des TechCenters bei der Entwicklung neuer Bauteile eingebunden werden kann.

4.1

Produktentwicklungsprozess bei thyssenkrupp

Anhand der VDI 2221 wird untersucht, welche Arbeitsphasen und -ergebnisse in den beiden betrachteten Organisationseinheiten schwerpunktmäßig durchgeführt bzw. erzielt werden. Der Entwicklungsprozess wird um konkrete zusätzliche Aktivitäten und Entscheidungspunkte ergänzt, die in Abb. 1 vereinfacht dargestellt sind. Eine zentrale Aufgabe der Entwicklung besteht in der Ermittlung und Festlegung von Bauteileigenschaften. An dieser Stelle setzt der ersten Fragebogen an, da in dieser frühen Phase erste Hinweise auf die Eignung eines Bauteils zur additiven Fertigung ermittelbar sind. Der Fragebogen, der zur Entscheidungsfindung eingesetzt wird, ist in Abschn. 4.2 detailliert beschrieben und wird in Abb. 1 als „Fragebogen Potential“ bezeichnet. Darin wird geprüft, ob die geforderten Eigenschaften des Bauteils grundsätzlich für eine additive Fertigung sprechen. Die abgefragten Bauteileigenschaften werden in der Literatur z. B. von Burton ebenfalls vorgeschlagen.

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung

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Abb. 1  Abstrahierte Darstellung der hinzugefügten Prozessschritte in den vorhandenen Produktentwicklungsprozess bei tk

Diese erste Einschätzung der Eignung wird möglichst früh im Produktentwicklungsprozess durchgeführt, um bei einer positiven Entscheidung die Potenziale der Fertigungstechnologie bestmöglich ausnutzen zu können. Zeigt das Ergebnis des Fragebogens keine Möglichkeiten oder Potenziale für additive Fertigungsverfahren, wird der herkömmliche Produktentwicklungsprozess fortgesetzt, der zum Beispiel eine subtraktive Fertigung vorsieht. Bei einer ersten positiven Entscheidung für additive Fertigungsverfahren wird bei der weiteren Bearbeitung in der Produktentwicklungsabteilung differenziert, ob bereits ein Vorgängerbauteil vorhanden ist, oder es sich bei dem Bauteil um eine Neukonstruktion handelt. Bei einer Neukonstruktion wird im nächsten Schritt die prinzipielle Lösung erarbeitet. Bei einer Anpassungs- oder Variantenkonstruktion muss die Entscheidung getroffen werden, in wie weit eine Bauteilanpassung möglich ist. Diese strategische Entscheidung wird unter anderem von Klahn und Meboldt differenziert. Ist eine Anpassung der Bau­ teilgestalt und/oder Teilfunktionen möglich, wird wie bei einer Neukonstruktion die ­prinzipielle Lösung ermittelt. Ist keine Bauteilanpassung möglich, wird die Gestalt des Bauteils auf die Möglichkeiten der internen additiven Fertigung im TechCenter anhand

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B. Bender et al.

eines Fragebogens zur Bauteilgestalt bewertet. Dieser Fragebogen wird in Abb. 1 als „Fragebogen Gestalt“ bezeichnet, die Entwicklung und die Inhalte dieses Fragebogens werden in Abschn.  3.3 näher erläutert. Eine prinzipielle Lösungsdarstellung (Lösungskonzept) wird dem TechCenter von der Entwicklungsabteilung übermittelt, um Potenziale wie Funktionsintegration oder innere Strukturen (ggf. telefonisch) zu diskutieren und abschließend zu bewerten. Bei einer Bestätigung der Potenziale für additive Fertigungsverfahren wird das Bauteil weiter konkretisiert. Dazu werden unternehmensspezifische Gestaltungsrichtlinien verwendet, die auf den gleichen Daten basieren, die im „Fragebogen Gestalt“ enthalten sind, um eine Hinführung zur AM gerechten Gestaltung zu erzielen. Wenn eine Fertigungszeichnung von der Produktentwicklung erstellt ist, wird diese wiederum in der Arbeitsvorbereitung des TechCenters geprüft. Durch die Anwendung der auf das Unternehmen konkretisierten Gestaltungsrichtlinien bzw. die Vorprüfung in der Entwicklungsabteilung mit dem „Fragebogen Gestalt“, lässt sich jedoch davon ausgehen, dass keine umfangreichen Änderungen für die additive Fertigung des Bauteils notwendig sind. Danach wird die Zeichnung als Auftrag übermittelt, und es werden die AM Fertigungseinrichtungen mit den entsprechenden Parametern festgelegt.

4.2

Design for AM in der frühen Phase: „Fragebogen Potential“

Die Grundlage für diesen Teil des Vorgehens bildet die Analyse von Bauteileigenschaften erfolgreicher sowie nicht erfolgreich gefertigter Produkte bei tk. Zusammen mit den Ergebnissen der Literaturrecherche und Anpassung an den konkreten Anwendungsfall konnten so Best Practices für additiv gefertigte Bauteile ermittelt werden. Für die Einschätzung, ob ein Bauteil grundsätzliches Potenzial für additive Fertigungsverfahren hat, beurteilt der Produktentwickler 14 Bauteileigenschaften, wie z. B. die innere Struktur. Diese Bauteileigenschaften sind auf die spezifischen Möglichkeiten und Rahmenbedingungen des Unternehmens zugeschnitten und werden im Rahmen des Fragebogens mit „zutreffend“ oder „nicht zutreffend“ beantwortet. Dabei sind die Fragen so formuliert, dass „zutreffend“ die additive Fertigung des Bauteils begünstigt. Zur Verdeutlichung ist jeweils ein Beispielbauteil neben der Frage abgebildet. Die 14 abgefragten Bauteileigenschaften sind aus den in der Literatur vorhandenen Bauteileigenschaften ausgewählt, in dem sie auf bei tk anwendbare Produkteigenschaften eingegrenzt werden. Beispielsweise die Herstellung von Medizinprodukten aus biokompatiblen Materialien konnte im Vorfeld aufgrund der bei tk vertretenen Produktpalette ausgeschlossen werden. Die aus der Literatur entnommenen Hinweise und Auswahlregeln lassen sich in der frühen Phase kaum durch die bestehenden Fertigungsmöglichkeiten, wie z. B. die Bauraumgröße, konkretisieren. Die Potenzialeinschätzung aus der Auswertung des „Fragebogens Potential“ erfolgt über eine gewichtete Zählung der zutreffenden Antworten, da die Relevanz der im Frage­ bogen enthaltenen Kriterien bei der Analyse von Erfolgsbauteilen unterschiedlich be­ deutend war. Grundsätzlich zeigt sich jedoch, dass erfolgreich additiv gefertigte Bauteile

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung

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mehr als eines der im Fragebogen genannten Potenziale ausnutzen. Bei einer geringen Punktzahl aufgrund der Nutzung nur eines als nicht besonders relevant identifizierten Potenzials wird dem Produktentwickler von additiver Fertigung abgeraten. Bei der Nutzung eines besonders bedeutsamen Potenzials bzw. mehrerer Potenziale wird der Produktentwickler im Entwicklungsprozess für additive Bauteile (mit der Fragestellung zur Anpassungskonstruktion vgl. Abb. 1) weitergeleitet.

4.3

 esign for AM in der späten Phase: „Fragebogen Gestalt“ D und Gestaltungsrichtlinien

Für die Erstellung einer Auswahlhilfe über die Bauteilgestalt und die Entwicklung unternehmensspezifischer Gestaltungsrichtlinien werden in der Literatur genannte Gestaltungsinformationen zunächst bezüglich ihrer Anwendbarkeit auf die tk Produktpalette bewertet. Hier kann aufgrund der großen Bandbreite der vorhandenen Produkte keine Eingrenzung vorgenommen werden. Eine Filterung nach Relevanz bezüglich der bei tk zur Verfügung stehenden spezifischen Fertigungsanlagen dagegen führt zu einer deutlichen Reduktion der zu beachtenden Gestaltungsrichtlinien. Ein Beispiel für die Auswahl sind die Angabe fertigungstechnisch möglicher Toleranzen oder Oberflächenrauheiten. In einem nächsten Schritt wird die direkte Umsetzbarkeit literaturbasierter Gestaltungsrichtlinien anhand des Abstraktionsgrades untersucht. Dabei werden allgemeine Regeln wie „Beachtung des Bauraums“ durch Spezifikation hinsichtlich der konkreten Gegebenheiten (max. Abmessungen des Bauraums des Produktes durch die vorhandenen Fertigungsanlagen in mm3) zu den vorhandenen Gestaltungsinformationen hinzugefügt. Die ermittelten Gestaltungsinformationen liegen zur Unterstützung des Produktentwicklungsprozesses einerseits als Gestaltungsrichtlinien für eine Bauteildetaillierung für additive Fertigung und andererseits als Auswahlhilfe in dem „Fragebogen Gestalt“ zur Bewertung der Eignung für additive Fertigung unveränderlicher vorhandener Bauteile vor. Die Auswahlhilfe ist in drei Schritte aufgeteilt. Am Beginn stehen sechs Ausschlusskriterien wie z. B. der maximale Bauraum. Trifft eines dieser Ausschlusskriterien zu, wird der Prozess zum Produktentwicklungsprozess der herkömmlichen Fertigung weitergeführt. Im zweiten und dritten Schritt werden weitere Auswahlkriterien wie die Oberflächengüte oder die Mindestwanddicke abgefragt. Dabei ist die Formulierung so gewählt, dass eine zutreffende Antwort gegen additive Fertigung spricht. Diese Kriterien sind ebenfalls anhand der vorhanden Fertigungsmöglichkeiten für das TechCenter spezifiziert und führen bei positiver Beantwortung zu keinem unmittelbaren Ausschluss der additiven Fertigung für das Bauteil, sondern zu Überlegungen bezüglich Nacharbeit oder kleiner Bauteilmodifikation, die mit dem TechCenter vor der Erstellung einer Fertigungszeichnung diskutiert werden. Bei durchgängig negativer Beantwortung, spricht keine Bauteil-eigenschaft ­gegen additive Fertigung im TechCenter und die Zeichnung kann direkt dem TechCenter zur Prüfung übermittelt werden.

24

5

B. Bender et al.

 llgemeine Vorgehensweise zur Berücksichtigung additiver A Fertigungsverfahren in der Produktentwicklung in Unternehmen

Im vorangegangenen Abschnitt wird beschrieben, wie allgemeine Design for AM – Richtlinien für einen konkreten Fall so interpretiert werden, dass sie zu einer unternehmensspezifischen Richtlinie angepasst werden können. Im Folgenden wird diskutiert, wie sich das Vorgehen auf andere Unternehmen übertragen lässt. Zur Entwicklung einer ­unternehmensspezifischen Leitlinie zur Integration der Produktentwicklung für additiv gefertigte Bauteile in einen bestehenden Produktentwicklungsprozess müssen in Abhängigkeit vom Unternehmenskontext für den Anwendungsfall geeignete Design for AM Ansätze identifiziert werden. Dies können einerseits für bestimmte Technologien oder Werkstoffe formulierte Gestaltungsrichtlinien sein, die im betrachteten Unternehmen Anwendung finden. Andererseits können durch abstrakt formulierter Richtlinien für die Rahmenbedingungen des eigenen Unternehmens spezifiziert werden. Innerhalb dieses Vorgehens werden vorhandene allgemeingültige Methoden und Hilfsmittel zum „Design for AM“ bzw. „Konstruktion für die additive Fertigung“ schrittweise entsprechend dem vorhandenen Unternehmenskontext ausgewählt bzw. angepasst. Das Vorgehen zur Entwicklung einer unternehmensspezifischen Leitlinie ist in Abb. 2 dargestellt und lässt sich in neun Schritte unterteilen. Im Analyseschritt werden vier unterschiedliche Aspekte (Schritt 1–4 in Abb. 2) betrachtet: Zuerst werden bisherige Erfolge und Misserfolge additiv gefertigter Bauteile im Unternehmen bezüglich ihrer Eigenschaftsausprägungen analysiert. Damit können charakteristische Eigenschaften von Erfolgsprodukten bzw. Misserfolgsprodukten abgeleitet und diese zum Beispiel bei der Synthese von Auswahlhilfen für die Fertigung eines Bauteils angewendet werden (vgl. Bsp. Abschn. 4.2). In einem zweiten Schritt erfolgt die Analyse und Dokumentation des vorhandenen Produktentwicklungsprozesses. Diese ermöglicht die Identifikation von Entscheidungspunkten oder Freigabeverfahren während der Entwicklung, an denen der ­Einsatz additiver Fertigungsmöglichkeiten geprüft werden könnte. Außerdem werden Schnittstellen der Produktentwicklung zu anderen Unternehmensfunktionen, wie die Abstimmung der Produktentwicklung mit dem Einkauf oder der Fertigung identifiziert, um sicherzustellen, dass alle betroffenen Unternehmensfunktionen eingebunden sind. Der dritte betrachtete Aspekt ist die unternehmensspezifische Produktpalette. Dazu werden sowohl mögliche Anwendungsbereiche von AM (z. B. Rapid Tooling) als auch abteilungsoder unternehmenstypische Bauteileigenschaften wie Materialien, Formen oder Größe analysiert, um eine Spezifikation für typische Produkte des Unternehmens zu erreichen. Da die entwickelte Produktentwicklungsunterstützung für die unternehmensinterne Herstellung additiv gefertigter Bauteile anwendbar sein soll, werden in einem vierten Schritt vorhandene AM Fertigungsmöglichkeiten ermittelt. Dabei stehen sowohl die Technologien und Werkstoffe als auch die spezifischen vorhandenen Maschinen im Fokus der Analyse, da diese zu Einschränkungen in den Gestaltungsmöglichkeiten der Bauteile führen.

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung

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Abb. 2  Vorgehensdarstellung zur Entwicklung einer unternehmensspezifischen Leitlinie zur Inte­ gration additiver Fertigungsverfahren in der Produktentwicklung

In der Literatur vorhandene Design for AM Ansätze werden im Auswahlschritt anhand der analysierten Rahmenbedingungen (Produkte und Fertigungsmöglichkeiten) und im Hinblick auf ihren Konkretisierungsgrad gefiltert (vgl. Abb. 2 Schritt 5). Dazu werden zuerst Ansätze ausgeschlossen, die aufgrund der Produktpalette des Unternehmens nicht relevant sind. In einem zweiten Ausschlussverfahren werden anhand der analysierten bestehenden Fertigungsmöglichkeiten technologie- oder werkstoffspezifische Ansätze, die nicht mit der Fertigung im Unternehmen übereinstimmen, ausgeschlossen. Als drittes wird anhand des Konkretisierungsgrades differenziert. Konkrete unmittelbar anwendbare Ansätze werden direkt der Ergebnismenge zugeordnet. Abstrakte Ansätze werden geprüft, ob ihre Konkretisierung durch quantifizierte fertigungsbedingte Wertebereiche die Ergebnismenge erweitern kann.

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B. Bender et al.

Auf der Basis der Ergebnismenge geeigneter vorhandener Ansätze und Informationen sowie der durchgeführten Analyseschritte wird eine vierteilige Synthese durchgeführt (vgl. Abb. 2). Als erstes wird in Schritt 6 des Vorgehens der vorhandene Produktentwicklungsprozess um zusätzliche Entscheidungspunkte ergänzt, aus denen sich die weiteren Handlungsempfehlungen im Produktentwicklungsprozess ergeben. Dabei werden Punkte festgelegt, an denen das Fertigungsverfahren des Bauteils bzw. seine Eignung für additive Fertigungsverfahren geprüft wird. Diese Prüfung kann in allen Phasen des Produktentwicklungsprozesses erfolgen, da diese Entscheidung sowohl auf Potenzialen bei der prinzipiellen Lösungsdarstellung als auch auf Restriktionen bei der Gestaltung basieren. Zur Durchführung dieser standardisierten Prüfungen werden in einem zweiten Schritt unternehmensspezifische Entscheidungshilfen synthetisiert. Anhand des durchgeführten Beispiels hat sich gezeigt, dass Kriterien für die Entscheidungshilfen für die frühen Phasen der Produktentwicklung (Abb. 2 Schritt 7) vorhandene Potenziale der additiven Fertigung sind, die vorwiegend durch Produkteigenschaften spezifiziert werden. Entscheidungshilfen für spätere Phasen (Abb. 2 Schritt 8), die über die Bauteilgestalt die Eignung für additive Fertigung identifizieren, sind besonders spezifiziert durch die vorhandenen Fertigungsmöglichkeiten (Werkstoffe, Fertigungstechnologien, konkrete vorhandene Anlagen, usw.). Daher müssen diese bei einer möglichen Erweiterung der Fertigungsmöglichkeiten aktualisiert werden. Bei der Synthese der Entscheidungshilfen hat sich die Einbindung von ermittelten Merkmalen der im Unternehmen erfolgreich entwickelten Produkte als sinnvoll gezeigt (vgl. Abschn. 4.2). Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Erkenntnisse der Analyse von Erfolgsprodukten möglicherweise schon in der Ergebnismenge der Literaturfilterung vorliegen und daher redundant sind. Aus der gleichen Wissensbasis, auf der ein Fragebogen zur Bauteilgestalt entwickelt werden kann, lassen sich auch unternehmensspezifische Gestaltungsrichtlinien für additiv gefertigte Bauteile ableiten. Durch die Rahmenbedingung des Anwendungsfalls, dass eine unternehmensinterne Fertigung erfolgen soll, konnte bezüglich der Gestaltungsinformationen eine umfangreiche Konkretisierung durchgeführt werden. Bei einer geplanten externen Auftragsfertigung erhöhen sich die Fertigungsmöglichkeiten der Bauteile und dadurch reduziert sich eine Spezifikationsmöglichkeit aufgrund der vielfältigen Fertigungsmöglichkeiten. Zur Umsetzung des mit Hilfe der in Abb.  2 dargestellten Konzepts sind weitere Querschnittaktivitäten, wie die standardisierte Informationsverarbeitung, ein Schulungs­ konzept zur Einführung der standardisierten Dokumente, sowie deren Hinterlegung im ERP-System vorzusehen.

6

Diskussion der Ergebnisse und Ausblick

Ziel des hier beschriebenen Vorgehens war zum einen die Entwicklung einer unternehmensspezifischen Leitlinie zum Einsatz von AM für die Produktpalette von thyssenkrupp unter Berücksichtigung der AM-Fertigungsmöglichkeiten des unternehmenseigenen Tech­ Center. Zum anderen wird das Vorgehen so verallgemeinert, dass es auch für andere ­Unternehmen anwendbar ist.

Leitlinie zur Berücksichtigung Additiver Fertigungsverfahren in der Entwicklung

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Dafür werden zunächst in einer Literaturrecherche bestehende Ansätze zur Unterstützung AM gerechter Produktentwicklung untersucht und den Hauptphasen des Produktentwicklungsprozesses nach VDI 2221 zugeordnet. Für den hier betrachteten Unternehmenskontext wird dann das Vorgehen in der Produktentwicklung bei tk im Hinblick auf Entscheidungspunkte in frühen und späten Phasen der Produktentwicklung analysiert. Mit Hilfe zweier unternehmensspezifisch angepasster Auswahlhilfen zur Identifikation von Potenzialen in frühen Phasen der Produktentwicklung bzw. zur Bewertung der Bauteilgestalt in späten Phasen kann das Vorgehen im Produktentwicklungsprozess des betrachteten Unternehmens verankert werden. Zusätzlich werden Gestaltungsrichtlinien definiert, die auf die im Unternehmen vorhandenen AM-Technologien zugeschnitten sind. Im Ergebnis liegt eine unternehmensspezifische Leitlinie zur AM gerechten Produktentwicklung vor. Damit ist das Projekt aus Sicht dieses Anwendungsfalls erfolgreich abgeschlossen. Die Übertragbarkeit des Vorgehens ist im ersten Ansatz auf solche Unternehmen beschränkt, die bereits über vorhandene AM Anlagen verfügen, da die Anpassung der allgemeinen Gestaltungsrichtlinien an den Unternehmenskontext im hier betrachteten Fall da­rauf basiert. In weiteren Untersuchungen ließe sich ermitteln, inwieweit die Be­rück­ sich­tigung bestimmter Dienstleister, z.  B.  Kooperationspartnern, an die Stelle eigener Fertigungseinrichtungen treten könnte. Auch eine ausschließliche Anpassung auf die Produktpalette des eigenen Unternehmens könnte sinnvoll sein, sofern diese nicht sehr breit angelegt ist. Darüber hinaus werden im betrachteten Fall zunächst keine Kostenrechnungen für die Fertigung oder den Produktlebenszyklus betrachtet, ebenso wenig logistische oder ökologische Aspekte bei der Auswahl des Fertigungsverfahrens. Diese Fragen sollten ebenfalls in zukünftigen Untersuchungen berücksichtigt werden. Auch die Schnittstellen zu anderen Unternehmensfunktionen könnten zusätzliche Erkenntnisse über unternehmensspezifisch zu berücksichtigende Design for AM Richtlinien erbringen.

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B. Bender et al.

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Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und Eigenschaften Matthias Höfemann, Hans Christian Schmale, Lucas Epperlein, Lena Heemann, Farhad Mostaghimi, Bernd Schob, Hannes Zapf, Jochen Mahr, Christian Paul, Lars Höfner und Jörg Fischer-Buehner

M. Höfemann (*) · H. C. Schmale Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] L. Epperlein EDAG Engineering GmbH, Wolfsburg, Deutschland E-Mail: [email protected] L. Heemann · F. Mostaghimi Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien, IWT Bremen, Bremen, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] B. Schob Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung, TU Chemnitz, Chemnitz, Deutschland E-Mail: [email protected] H. Zapf Fraunhofer IAPT, Hamburg, Deutschland E-Mail: [email protected] J. Mahr Concept Laser GmbH, Lichtenfels, Deutschland E-Mail: [email protected] C. Paul Anwendungs- und verfahrenstechnische Entwicklung, Cloos Schweißtechnik GmbH, Haiger, Deutschland E-Mail: [email protected] L. Höfner Cloos Schweißtechnik GmbH, Haiger, Deutschland E-Mail: [email protected] J. Fischer-Buehner Indutherm Gießtechnologie GmbH, Walzbachtal, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_3

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Inhaltsverzeichnis 1  Ausgangssituation  2  Einleitung  3  Prozesskette  4  Eigenschaften  Literatur 

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Zusammenfassung

Bei der Materialauswahl wird in der Automobilindustrie Stahl auf Grund der breiten Verfügbarkeit, günstiger Beschaffungskosten, der hohen Recyclingquote sowie guter mechanischer Festigkeitseigenschaften favorisiert. Additive, stahlverarbeitende Fertigungsverfahren, z.  B.  Laser Additive Manufacturing (LAM) im pulverbettbasierten Verfahren (hier LAM), ermöglichen die individualisierte, werkzeuglose Herstellung komplexer Produkte. Die hierfür erforderlichen Werkstoffe sind heute 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, zum Beispiel für ein crashrelevantes Bauteil, gerecht zu werden. Im Rahmen des Beitrags werden die Eigenschaften laseradditiv generierter Probekörper eines hochfesten, duktilen Stahls beschrieben, dessen Legierung im BMBF-­ Projekt „StaVari“ aktuell entwickelt wird. Dabei wird die Prozesskette Pulverherstellung, LAM-Prozess, Wärme- und Oberflächenbehandlung des gedruckten Bauteils bis hin zu fügetechnischen Aspekten in Verbindung mit konventionellen Werkstoffen betrachtet. LAM generierte und final wärme- und oberflächenbehandelte Probekörper werden mechanischen Tests unterzogen und mit einem Referenzblechwerkstoff verglichen um die Leistungsfähigkeit des gedruckten Werkstoffs beurteilen zu können. Des Weiteren werden gefügte Proben hergestellt, geprüft und dessen mechanisch-technologisches Eigenschaftsprofil analysiert. Dabei wird in einem ersten Schritt zunächst das strukturelle Kleben betrachtet um mögliche Oberflächenspezifischen Besonderheiten des gedruckten Werkstoffs zu verstehen. Der Beitrag referiert ausgewählte Teilergebnisse aus o.g. Projekt.

Schlüsselwörter

Laseradditive Fertigung · Pulverbettverfahren (LAM) · Niedriglegierte Stähle · Prozesskette · Fügetechnik

Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und …

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Ausgangssituation

Mit der Laseradditiven Fertigung (LAM) lassen sich schichtweise  – ohne den Einsatz klassischer Formen und Werkzeuge – nahezu beliebig komplexe Bauteile erzeugen [1]. Diese Verfahren eignen sich in einem großen Anwendungsspektrum für die schnelle Herstellung von Modellen und Prototypen, Funktionsmustern oder Realbauteilen mit funktionalen Eigenschaften [2]. Dabei werden vier grundlegende Einsatz- und Qualitätsstufen unterschieden: Konzeptmodell, Funktionsmodell, Werkzeuge und Kleinserien [3]. Die LAM-Technologie für Metalle gewinnt hier eine besondere Bedeutung und weist ein hohes Potenzial für die serienfähige Fertigung auf, da sie weit über das Konzeptmodell hi­ nausgeht und die Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen aus unterschiedlichen metallischen Pulvermaterialien gestattet [4]. Es gibt derzeit nur eine sehr eingeschränkte Anzahl von Stahlwerkstoffen, die als geeignetes Vormaterial in Form von Pulver für die laseradditive Fertigung zur Verfügung stehen. Die Anwendungen von Stahl beschränken sich dabei weitestgehend auf den Prototypenbau, die Medizintechnik sowie den Werkzeug- und Maschinenbau. Im Bereich der additiv verarbeitbaren Stähle haben die beiden hochlegierten Werkstoffe X2CrNiMo17-12-2 (1.4404) [5], und X5CrNiCuNb17-4-4 (1.4548 bzw. 17-4-PH) [6] weite Verbreitung. Beispielhaft genannt seien hier auch die hochlegierten Chromstähle X38CrMoV5-1 (1.2343) oder der X2CrNi24-12 (1.4332) [7]. Ein Einsatz von niedriglegierten, hochfesten Stahlsorten, wie sie in der Automobilfertigung zum Einsatz kommen, ist im Rahmen der LAM-Fertigung bislang noch nicht bekannt. Ihr Potenzial ist aber insbesondere aus Gründen der besseren chemischen Kompatibilität mit bisherigen konventionellen Werkstoffen in der Prozesskette und aufgrund der niedrigeren Legierungskosten hoch interessant. Demzufolge besteht eine hohe industrielle Relevanz, einen niedriglegierten, hochfesten Stahlwerkstoff für die LAM-Fertigung zu entwickeln.

2

Einleitung

Aufgrund der guten mechanischen Festigkeitseigenschaften sowie der, gegenüber hoch­ legierten Stählen, vergleichsweise geringen Kosten, ist die Anwendung niedriglegierter Stahlwerkstoffe für die laseradditive Fertigung von besonderem Interesse. Die Betrachtung der einzelnen Bestandteile der Prozesskette von der Pulverherstellung, dem LAM-Prozess, der Wärme- und Oberflächenbehandlung bis hin zu fügetechnischen Aspekten spielen dabei eine entscheidende Rolle. Im Rahmen des Beitrags werden die Eigenschaften laseradditiv generierter Probekörper eines hochfesten, duktilen Stahls beschrieben, dessen Legierung im BMBF-Projekt „StaVari“ aktuell entwickelt wird.

32

M. Höfemann et al.

3

Prozesskette

3.1

Legierungskonzept

Bei der Werkstoffauswahl geht es um einen Laser-Additive-Manufacturing (LAM) – fähigen, niedriglegierten Stahl. Angestrebt sind Eigenschaften im Bauteil, die sich an einem hochfesten Dualphasenstahl in der Festigkeitsklasse 800 MPa orientieren. Entsprechend dient ein solcher feuerverzinkter Blechwerkstoff (CR440Y780T-DP-GI) in der Blechdicke von 1,2 mm als Referenz. Für die Legierungszusammensetzung des zu entwickelnden hochfesten LAM-Pulverwerkstoffs wurde ein Mittelmangankonzept ausgewählt, um im LAM-Prozess gefertigte Bauteil mit ferritisch-martensitischen als auch austenitischen Gefügeanteilen zu ­generieren. Hierdurch wird neben den Anforderungen an die Festigkeit auch eine ausreichende Duktilität erzielt, welche mit einer klassischen Chemie eines Dualphasenstahls mit dem LAM-Prozess nicht zu erreichen wäre. Zur Bestimmung einer optimalen Werkstoffchemie wurden verschiedene Legierungsvarianten mit variiertem Mn-Gehalt erzeugt. Ziel ist ein im gedruckten Zustand möglichst zu einem Dualphasenstahl-Flachprodukt ähnliches Eigenschaftsprofil zu erreichen im Hinblick auf Festigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung sowie Energieaufnahme. Das Mittelmanganstahl Konzept gehört zur 3. Generation der AHSS Stähle (Advanced High Strength Steel). Es werden nicht ganz die hohen Bruchdehnungen, wie man sie von den TWIP-Stählen (Twinning Induced Plasticity) her kennt, erreicht. Allerdings bilden sie einen guten Kompromiss aus Festigkeit, Duktilität, Preis und Verarbeitbarkeit. Es soll ein feines, mehrphasiges Gefüge mit stabilem Restaustenit erreicht werden. Die Mehrphasigkeit ermöglicht es, Eigenschaften durch den LAM- sowie einen nachgeschalteten Wärmebehandlungsprozess gezielt einzustellen und ggf. auch zu variieren für gradierte Bauteileigenschaften. In Abb. 1 ist qualitativ das Legierungskonzept dargestellt. Abb. 1 Mittelmangan Legierungskonzept

Legierungskonzept: Mittelmanganstahl → hochfest + duktil → Einstellung über Wärmebehandlung → günstig

Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und …

33

Die Optimierung der Legierungszusammensetzung erfolgte dabei an verschiedenen Varianten, die neben einem variierten Mangan-Massenanteil in Bezug auf die Pulverherstellung und die LAM-Prozessierbarkeit (Herstellung und Untersuchung von Würfelproben) angepasst wurden.

3.2

Pulverherstellung

Die Pulverherstellung erfolgte aus der Schmelze mittels Gaszerstäubung (Close-Coupled) mit einem Inertgas (hier Argon). Dabei führt die Verwendung von Pulver mit geringem Gasanteil zu einem stabilen Zerstäubungsprozess mit einer geringen Bildung von Manganund Aluminiumoxiden sowie einer verbesserten Bildung sphärischer Partikel mit wenig Poren und guten mechanischen Kennwerten. Ein neuartiges eingesetztes Tangentialgassystem mit einer zusätzlichen Gasführung im Sprühturm führt zu weniger Partikelkollisionen beim Zerstäuben. Dadurch wird die Bildung von Satelliten und anderen Defekten reduziert. Somit wird eine Verbesserung der Zirkularität, der Dichte und des Fließverhaltens des Pulvers erzielt. In Abb. 2 ist das Ergebnis der Zerstäubung ohne (links) und im optimierten Zustand mit dem Tangentialgassystem (rechts) dargestellt. Durch Zerstäubungsparametervariationen sowie eine Einstellung des Partikelgrößenbereichs durch Klassieren mittels Windsichten bei ~20 μm und Sieben bei ~63 μm konnte die Ausbeute an LAM-fähigem Gutpulver in oben genannter Partikelgröße aus der Schmelze und die Reproduzierbarkeit des Zerstäubungsprozesses deutlich erhöht werden und somit ein günstigerer Pulverpreis und eine höhere Partikelschüttdichte erreicht werden. In Abb. 3 sind für verschiedene Legierungsvarianten (hier: blau, rot und grau) die erzielten Partikelgrößenverteilungen dargestellt. Zusammenfassend konnten jeweils zufriedenstellende Partikelgrößenverteilungen für den LAM-Prozess in allen Legierungsvarianten erzeugt werden.

100 µm

Abb. 2  Pulvertopologie ohne (links) und mit dem Tangentialgassystem (rechts)

100 µm

34 Summenverteilung Q3 [-]

M. Höfemann et al. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

1

10

100

Partikelgröße x p [µm]

Abb. 3  Partikelgrößenverteilung für verschiedene Legierungsvarianten

Der Einsatz von Trockenmittelbeuteln mit Silicagel und die Lagerung der Pulver in luftdichten Curtisbehältern sorgt dabei für eine Reduzierung bzw. Unterbindung der Feuchtigkeitsaufnahme zwischen Pulverfertigung und Verarbeitung im LAM-Prozess. Dies ist insbesondere aufgrund des vorliegenden Korrosionspotenzials des hier verwendeten niedriglegierten Stahls wichtig, welches bei großer Oberfläche, wie im Fall des Pulvers, noch weiter ansteigt.

3.3

LAM Prozess

Im Rahmen der Probenherstellung wurden entsprechende Prozessfenster mit den hochfesten Pulvervarianten für den additiven Fertigungsprozess mittels Pulverbettverfahren (hier: LAM) entwickelt. Hierzu wurden Untersuchungen an Einzelspuren und sogenannten Prüfwürfeln durchgeführt. Anhand der Untersuchungen wurde eine „bevorzugte“ Finallegierung ausgewählt und anhand dieser eine weitere Optimierung des LAM-Prozesses vorgenommen, mit Bezug auf • Steigerung der relativen Dichte, • Optimierung von Materialkennwerten, • Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch Steigerung der Aufbaurate. In Abb. 4 ist ein Schliffbild aus einem gedruckten Prüfwürfel vom Finalpulver und das Ergebnis der spezifischen Dichtebestimmung und der Kernhärteprüfung dargestellt. Anzustreben ist eine Kernhärte von 250 HV 0,5 des Referenzblechwerkstoffs (CR440Y780T-­ DP-­GI) durch einen nachfolgenden Wärmebehandlungsprozess. Im nächsten Schritt sind Rundstäbe im LAM-Pulverbettverfahren hergestellt worden, die anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wurden. In Abb. 5 ist eine Momentaufnahme des LAM-Pulverbett-Prozesses zur Herstellung der Rundstäbe mit Aufbaurate in Z-Richtung dargestellt.

Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und … Abb. 4  Schliffbild aus einem gedruckten Prüfwürfel ohne Wärmebehandlung vom Finalpulver und das Ergebnis der Kernhärteprüfung

Spezifische Dichte:

35

Härteemittlung: ■ DIN EN ISO 6507

Abbildung: Rel. Dichte >99,7% der Finallegierung

■ Kernhärte des Finalpulvers nach dem LAM-Prozess ohne Wärmebehandlung: 444 ± 9 HV 1

Abb. 5 LAM-Pulverbett-­ Prozess zur Herstellung der Rundstäbe

Ziel des anschließenden Wärmebehandlungsprozesses im Ofen ist es, ein feines, mehrphasiges Gefüge zu erhalten, das neben ferritischen und martensitischen Strukturen auch eine metastabile Restaustenitphase enthält. Somit wird erreicht, dass neben den zu erzielenden Festigkeitsanforderungen, vgl. Abschn. 3.1, auch Bruchdehnungswerte von bis zu 18 % erreicht werden, die der des Referenzblechwerkstoffes (CR440Y780T-DP-GI) entsprechen.

4

Eigenschaften

4.1

Mechanische Kennwerte

In einem weiteren Bearbeitungsschritt wurden Rundzugproben mittels mechanischer Bearbeitung durch Drehen gemäß DIN 50125 hergestellt und geprüft. In Abb.  6 sind die Spannungs-Dehnungs-Kurven aus dem quasistatischen Zugversuch gemäß DIN EN ISO 6892-1 an oben genannten Rundzugproben für verschiedene Wärmebehandlungstemperaturen aufgezeigt. Bei der Wärmebehandlung steigern höhere Glühtemperaturen die Zugfestigkeit auf Kosten der Streckgrenze und der Bruchdehnung. Bei geringeren Glühtemperaturen können

36

M. Höfemann et al. 1200

Spannung in MPa

1000 800 600 400

WBH

200 0

0

5

10

as built T zu gering T ideal T zu hoch

15 20 Dehnung in %

25

30

Abb. 6  Spannungs-Dehnungs-Kurven aus dem quasistatischen Zugversuch an Rundzugproben für verschiedene Wärmebehandlungstemperaturen Abb. 7 Geprüfte Rundzugprobe

10 mm

Bruchdehnungen von zum Teil über 18 % bei Zugfestigkeiten > 800 MPa erreicht werden. Dabei wurde festgestellt, dass die Glühtemperatur entscheidender als die Glühzeit für das Erreichen entsprechender Dehnungswerte ist. Dieser Zusammenhang ist insbesondere zur Erzielung wirtschaftlicher Prozesse mit kürzeren Prozesszeiten als positiv anzusehen. In Abb. 7 ist eine geprüfte Rundzugprobe zu sehen. Deutlich zu erkennen ist die plastische Einschnürung im Bereich der höchsten Spannung. Dabei wird ein Werkstoffverhalten analog zu bekannten, konventionell hergestellten Stählen gleicher Festigkeit beobachtet.

4.2

Probenherstellung für Fügetests

Nach Abschluss der Legierungsentwicklung sowie der Optimierung der Druck- und Postprocessing Parameter erfolgte in Anlehnung an das SEP 1220 (Stahl-Eisen-Prüfblatt) die Fertigung der Fügecoupons entlang der zuvor entwickelten Prozesskette in Form von LAM-Pulverbett Prozessierung, Wärmebehandlung sowie Oberflächenbehandlung durch  Sandstrahlen. In Abb.  8 ist ein solch hergestellter Fügecoupon in der Blech­ dicke  von  t  =  1,2  mm entsprechend der Blechdicke des Referenzblechwerkstoffes (CR440Y780T-­ ­ DP-­ GI) aufgezeigt. Da sich bei dieser Art Flachprobe sowohl beim LAM-Druckprozess als auch bei der anschließenden Wärmebehandlung ein signifikanter Wärmeverzug einstellte, war hier vor der Durchführung der Fügetests noch ein Richten

Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und … Abb. 8  Fügecoupon (LAM-­ Pulverbett prozessiert, wärmebehandelt sowie oberflächenbehandelt)

37

Schliffentnahme

Abb. 9  Querschliff aus einem Fügecoupon (LAM-Pulverbett prozessiert, wärmebehandelt sowie oberflächenbehandelt)

erforderlich. Für eine spätere Bauteilfertigung stellt dies aktuell ein noch zu lösendes Problem dar, welches durch angepasste Bauteildesigns und entsprechende Stützstrukturen zu kompensieren ist. Ein Querschliff aus einem derartigen Fügecoupon ist in Abb. 9 dargestellt. Die mittlere Vickershärte der wärmebehandelten Probe beträgt um 325 HV 0,5, welche trotz des hier detektierten bainitisch-martensitischen Gefüges, gegenüber der Härte einer nicht wärmebehandelten Probe (444 HV 1, Abb. 4) signifikant reduziert ist.

4.3

Untersuchungen zur Füge-Eignung

Erste Fügeversuche zum elementaren Kleben und zum Blindnietkleben mit einem Strukturklebstoff, wie er in der Karosseriefertigung zum Einsatz kommt, sind an den LAM-­ gefertigten Fügecoupons durchgeführt worden. In Abb. 10 ist eine Aufsicht (links) und ein Querschliff (rechts) einer elementaren Klebung (Bild oben) und einer Blindnietklebung

38

M. Höfemann et al.

Elementare Klebung Druck

Blech

Druck

Blech

Blindnietklebung Blech

Druck Druck Blech

Abb. 10  Oben: Aufsicht (links) und Querschliff (rechts) einer elementaren Klebung an LAM- gefertigten Fügecoupons. Unten: Aufsicht (links) und Querschliff (rechts) einer Blindnietklebung an LAM- gefertigten Fügecoupons

(Bild unten) an o. g. LAM- gefertigten Fügecoupons dargestellt. Es wurden dabei artgleiche Druck-Druckmaterial Verbindungen, Druck-Blechmaterial-Verbindungen und als Referenz Blech-Blechmaterial-Verbindungen erzeugt und im quasistatischen Scherzugversuch geprüft. In den Schliffbildern ist sowohl bei der elementaren Klebung als auch bei der Kombination mit dem Blindniet eine homogene Klebung mit guter Anbindung an Ober- und Unterblech zu erkennen. Exemplarisch ist in Abb. 11 das Kraft-Weg-Diagramm aus dem quasistatischen Scherzugversuch einer Blindnietklebung von einer Druck-Blechmaterial-Verbindung dargestellt. Nach Erreichen der Maximalkraft von ca. 27 kN und nach einem Verformungsweg von 1,2 mm versagt die Klebung. Das Kraftniveau fällt dabei auf ca. 6 kN ab. Hier kommt dann die Stützwirkung des Nietes zum Tragen, der anschließend bei Verformungswegen von bis zu 4 mm versagt. Im Versagensbild stellt sich seitens der Klebeverbindung druckseitig ein substratnaher Kohäsionsbruch dar. In Abb. 12 sind die Maximalkräfte aus dem quasistatischen Scherzugversuch aller oben genannter Verbindungen aufgetragen. Die Klebeverbindungen versagen dabei druckseitig mit verminderter Maximalkraft im Vergleich zu den Blechverbindungen. Bei den Blindnietklebungen werden durch den Stützeffekt des Nietes nahezu identische Maximalkräfte erreicht. Weitere Untersuchungen zu typischen Rohbau-Fügeverfahren wie Metallschutzgasund Laserstrahlschweißen sowie mechanisches Fügen und Kleben werden unter quasistatischen und dynamischen Beanspruchungen durchgeführt, um ein abgerundetes Eigenschaftsprofil dieses neuen 3D-Druckwerkstoffes zu erhalten.

Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und …

39

Fügeteilwerkstoff 1

30

CR440Y780T-DP-GI

Fmax = 27,4 kN

Fügeteilwerkstoff 2 StaVari Druckprobe

25

Blechdicke

Kraft [kN]

1,2 mm / 1,5 mm Klebstoff

20

Betamate 1496 V Fügeprozess Hybrides Fügen, Kleben + Blindnieten

15

Versuchsbezeichnung Zugscherprüfung Parameter

10 5

Prüfgeschwindigkeit

10 mm/min

Überlappungslänge

16 mm

Probengeometrie

0 0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

Traversenweg [mm]

Abb. 11  Kraft-Weg-Diagramm aus dem quasistatischen Scherzugversuch Druck an Blech Fügeteilwerkstoff 1

Kleben + Blindnieten

elementares Kleben

30

Fügeteilwerkstoff 2 StaVari Druckprobe Blechdicke / Sheet Thickness

25

Fmax

CR440Y780T -DP-GI

1,2 mm Klebstoff

20

Betamate 1496 V

15

elementares Kleben, Kleben + Blindnieten

Fügeprozess Versuchsbezeichnung

10

Zugscherprüfung Parameter

5 0

Druck an Druck an Blech an Druck an Druck an Blech an Druck Blech Blech Druck Blech Blech

Prüfgeschwindigkeit

10 mm/min

Überlappungslänge

16 mm

Probengeometrie

⇒ Klebverbindungen versagen LAM-seitig mit verminderter Maximalkraft im Vergleich zu Blechverbindungen ⇒ Bei den Blindnietklebungen werden durch den Stützeffekt des Nietes nahezu identische Maximalkräfte erreicht

Abb. 12  Maximalkräfte aus dem quasistatischen Scherzugversuch

4.4

Zusammenfassung

In diesem Beitrag wird die erfolgreiche Entwicklung eines LAM – fähigen, niedriglegierten Stahlpulvers mit End-Eigenschaften im fertig gedruckten und wärmebehandelten Bauteil beschrieben, die sich an einem hochfesten konventionell erzeugten Dualphasenstahl in der Festigkeitsklasse 800 MPa orientieren. Um neben den Anforderungen an die Festigkeit auch ein ausreichendes Dehnvermögen zu erzielen, wurde für die Legierungszusammensetzung des Pulvers ein Mittelmangankonzept ausgewählt und iterativ durch variierte Mangan-Gehalte verfeinert. Im Rahmen der Werkstoffentwicklung wurden entsprechende

40

M. Höfemann et al.

LAM-Prozessfenster mit unterschiedlichen Pulvervarianten unter Variation der Mangan-­ Gehalte für den additiven Fertigungsprozess mittels Pulverbettverfahren entwickelt. Zur Bewertung der mechanisch-technologischen Materialeigenschaften wurden anschließend Rundstäbe im LAM-Pulverbettverfahren gedruckt, einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen und in einem weiteren Bearbeitungsschritt hieraus Rundzugproben hergestellt und geprüft. Beim quasistatischen Zugversuch konnten in Verbindung mit einer entsprechenden Glühbehandlung Zugfestigkeiten von 800 MPa mit Bruchdehnungen von mehr als 18 % gemessen werden. Erste Fügeversuche zum elementaren Strukturkleben sind an LAM-gefertigten Fügecoupons durchgeführt worden. Im Schliffbild ist eine homogene Klebung mit guter Anbindung an Ober- und Unterblech zu erkennen, die sich auch in einem grundsätzlich kohäsiven Bruchbild nach Probenprüfung widerspiegelt. Die veränderte Topologie der gedruckten Oberfläche führt aber im Vergleich zum Referenzblechwerkstoff zu einem Grenzschicht näheren Bruchverhalten mit leicht um ca. 5 % verminderten Tragfähigkeiten. Im quasistatischen Zugversuch versagen die Klebeverbindungen druckseitig mit verminderter Maximalkraft im Vergleich zu den Blechverbindungen. Bei den Blindnietklebungen werden durch den Stützeffekt des Nietes nahezu identische Maximalkräfte erreicht. Weitere Untersuchungen zum Metallschutzgas- und Laserstrahlschweißen sowie zum mechanischen Fügen und Kleben werden derzeit durchgeführt und unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung geprüft. Die bisher durchgeführten Untersuchungen entlang der Prozesskette lassen das untersuchte Werkstoffkonzept für die laseradditive Fertigung in automobilen Bauteilen und dortigen Fertigungsprozessketten als geeignet erscheinen. Danksagung  Das Forschungsprojekt StaVari wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ unter den Förderkennzeichen 02P15B050 gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) Außenstelle Dresden betreut.

Literatur 1. Fritz, A. (Hrsg.): Optimierte Parameterfindung und prozessorientiertes Qualitätsmanagement für das Selective-Laser-Melting-Verfahren. Dissertation. Universität Duisburg-Essen, Duisburg-­ Essen (2010) 2. Kroll, L., Kausch, M., Schubert, F., et al.: Generative Fertigungstechnologie für Leichtbau-Ventilblöcke. In: Wielage, B. (Hrsg.) Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. 18. Symposium Verbundwerk-stoffe und Werkstoffverbunde, S. 271–276, Chemnitz (2011). ISBN 978-3-00-033801-4 3. Bertsche, B., Bullinger, H.-J. (Hrsg.): Entwicklung und Erprobung innovativer Produkte. Rapid Prototyping, Grundlagen Rahmenbedingungen und Realisierung VDI-Berichte. Springer, Berlin/ Heidelberg (2007) 4. Poprawe, R.: Jahresbericht 2009 des Fraunhofer Instituts für Lasertechnik ILT. Herstellung neuer Hochleistungs-Zerspanwerkzeuge mit dem SLM-Verfahren. Aachen (2005)

Ein niedriglegierter Stahlwerkstoff für die Laseradditive Fertigung – Prozesskette und …

41

5. Kruth, J.-P., Deckers, J., Yasa, E., Wauthlé, R.: Assessing and comparing influencing factors of residual stresses in selective laser melting using novel analysis method. J.  Eng. Manuf. 226, 980–991 (2012) 6. Schleifenbaum, H., Meiners, W., Wissenbach, K., Hinke, C.: Individualized production by means of high power selective laser melting. CIRP J. Manuf. Sci. Technol. 2, 161–169 (2010) 7. Over, C.: Generative Fertigung von Bauteilen aus Werkzeugstahl X38CrMoV5-1 und Titan TiAl6V4 mit „Selective Laser Melting“. Berichte aus der Lasertechnik: Dissertation RWTH Aachen, Shaker, Aachen (2003)

Anwendungspotenziale von Additive Repair und Refurbishment für Service-orientierte Geschäftsmodelle Jonas Brinker, Paul Christoph Gembarski, Simon Hagen und Oliver Thomas

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Additive Repair & Refurbishment  3  After-Sales-Geschäft und Ersatzteilprozesse  4  Potenziale durch Additive Repair & Refurbishment  5  Fazit  Literatur 

   44    45    47    49  52  53

Zusammenfassung

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 Produkt­ orientierung hin zu kundenorientierten Lösungsangeboten, was die Bedeutung des J. Brinker (*) · O. Thomas Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, Osnabrück, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] P. C. Gembarski Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected] S. Hagen Fachgebiet Informationsmanagement und Wirtschaftsinformatik, Universität Osnabrück, Osnabrück, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_4

43

44

J. Brinker et al.

­ ervicegeschäfts stärkt. Hier bietet die additive Fertigung mehrere Potenziale: Zum S 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. Schlüsselwörter

Additive Repair & Refurbishment · After-Sales-Strategie · Ersatzteilprozesse · Geschäftsmodelle · Nachhaltigkeit

1

Einleitung

Im Maschinen- und Anlagenbau – einer Leitbranche und Innovationstreiber der deutschen Wirtschaft  – nimmt der Wettbewerbsdruck stetig zu. Um sich gegenüber dem globalen Wettbewerb differenzieren zu können, sind grundsätzlich drei Handlungsstränge zu verfolgen: (1) Die Diversifizierung von Kundenanforderungen führt zu einer verstärkten ­Individualisierung des Angebots. Maschinen und Zulieferkomponenten müssen dementsprechend für ihren speziellen Einsatzzweck eigenschaftsoptimiert werden [1, 2]. (2) Ist eine Differenzierung über die Produkteigenschaften nicht mehr ausreichend möglich, rücken logistische Leistung und begleitende Dienstleistungen in den Fokus des Handelns [3]. Die Entwicklung hybrider Wertschöpfungsstrategien bis hin zu Sharing- oder Betreibermodellen wird so zur Notwendigkeit [4]. (3) Auch bei Geschäftsmodellen, die auf den Verkauf von Maschinen und Anlagen abzielen, wird eine hohe Zuverlässigkeit sowie die Abkehr von festen Wartungsintervallen hin zu einer prädiktiven und präventiven Instandhaltung gefordert [5, 6]. Durch den Fortschritt der Sensortechnologie lassen sich „fühlende“ Komponenten integrieren, welche die nötigen Daten autonom aufnehmen und ­auswerten [7]. Diese Entwicklung ist vor dem Hintergrund der ökonomischen und ökologischen Nachhaltigkeit unterschiedlich zu bewerten. Eigenschaftsoptimierte Maschinen, Anlagen und Komponenten werden, ebenso wie individualisierte Produkte im Endkundenmarkt, in Bezug auf ihre Wieder- und Weiterverwendung kontrovers diskutiert. Die Herausforderung ist es, den Lebenszyklus durch Umbau, Austausch oder Upgrade von Komponenten zu verlängern [8].

Anwendungspotenziale von Additive Repair und Refurbishment für Service-orientierte …

45

Die Fertigungsprozessketten der Additiven Fertigung bieten für die genannten Handlungsstränge mehrere Potenziale: Die effektive Materialisierung von Bauteilen auch in Losgröße eins ist heute dem Stand der Technik zuzurechnen und lässt sich für die Produktion individualisierter, vom Kunden selbst durch Konfiguratoren angepasster Produkte anwenden [9]. Vor allem durch stetig sinkende Investitionskosten und Prozesskomplexität entstehen neue Möglichkeiten, wie beschädigte Bauteile oder Verschleißteile effizient im Sinne eines „Additive Repair“ wiederaufbereitet, ggf. anwendungsspezifisch optimiert und zurück in den Einsatz gebracht werden können [10, 11]. Die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit dieser service-orientierten Geschäftsmodelle lässt sich nicht pauschal bewerten, sondern hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Zu diesen gehört auf der einen Seite die Wahl des Fertigungsverfahrens und der dazugehörenden Nachbearbeitungsschritte. Auf der anderen Seite spielen vor allem für die Regeneration verschlissener Teile im After-Sales-Geschäft die regionale Verteilung von Instandhaltungsbetrieben, das Vorhalten von Austauschkomponenten in Abhängigkeit von Maschinenstillstandzeiten oder die herstellerseitige Qualitätssicherung beim Customer-Self-Service eine bedeutende Rolle für deren Erfolg. Der vorliegende Beitrag stellt mögliche After-Sales-Strategien von Geschäftsmodellen für Additive Repair & Refurbishment vor und beleuchtet im Speziellen die jeweiligen Ersatzteilprozesse. Im folgenden Abschnitt zwei wird zunächst der Stand der Technik in Bezug zum Additive Repair & Refurbishment vorgestellt. Abschnitt drei stellt anhand des Business Model Canvas den Ersatzteilprozess als Teil des After-Sales-Geschäfts dar. Der vierte Abschnitt zeigt anschließend Potenziale durch Additive Repair & Refurbishment auf, welche im abschließenden Abschnitt fünf im Rahmen eines Fazits diskutiert werden.

2

Additive Repair & Refurbishment

Die Regeneration vorhandener Bauteile durch additive Fertigungstechnologien kann zwei unterschiedliche Ziele haben: • Die Regeneration des Bauteils unter Beibehaltung von Funktion, Geometrie und Werkstoff (Additive Repair); • Die Regeneration und gleichzeitige Anpassung oder Optimierung des Bauteils für seinen individuellen Einsatzzweck (Additive Refurbishment). Als Fertigungstechnologie stehen insbesondere für metallische Bauteile zwei Fertigungsprozesse zur Verfügung, die bereits für Reparaturaufgaben prototypisch eingesetzt werden. Das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) wird beispielsweise von Siemens verwendet, um die Brenner von Gasturbinen zu reparieren [12]. Dabei tritt Siemens als Softwareanbieter und Hardwaresteuerungslieferant sowie als Teilehersteller bei der Weiter­ entwicklung der SLM-Technologie auf. Der Reparaturprozess weist im Vergleich zu

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J. Brinker et al.

herkömmlichen Bearbeitungs- und Schweißverfahren eine Reduzierung von Material, Primärenergieverbrauch sowie eine Verbesserung der CO2-Bilanz auf [10]. Darüber hinaus können Leistung und Wirkungsgrad durch die Anpassung der Konstruktion der Brenner erhöht werden, indem die Geometrie der Kühlkanäle an die Fertigungsmöglichkeiten angepasst wird [12]. Dieser Anwendungsfall ist somit dem Additive Refurbishment zuzurechnen. Das europäisch geförderte Projekt FANTASIA und der Innovationscluster TurPro, die sich auf laseradditive Fertigungstechniken für Turbomaschinenanwendungen konzentrieren, fertigen mit SLM Reparaturteile für Hochdruckturbinenschaufeln [13]. Eine nötige Restriktion stellt hier jedoch die prozessbedingte Vorbereitung der zu reparierenden Bauteile dar, weil diese für den SLM-Prozess eine plane Bauteilfläche aufweisen müssen. Der beschädigte Teil wird zunächst durch einen Fräsprozess entfernt. Steht für die Regeneration nicht derselbe Werkstoff zur Verfügung, muss die Substratoberfläche ggf. zusätzlich beschichtet werden, um das sogenannte Bonding vom aufgetragenen Werkstoff auf dem Substrat zu verbessern [11]. In einer Studie zur Reparatur mittels SLM wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf die Regeneration von Probekörpern analysiert (vgl. Abb.  1). Als grundlegende Erkenntnisse wurden die Einflüsse der Schnittebenen-Orientierung im Bauteil auf die Festigkeit, der Einfluss von Laserleistung und Scangeschwindigkeit auf die Ausbildung der Grenzschicht und die Verbindung zwischen Substrat und Aufbauwerkstoff, sowie die Auswirkungen nachfolgender Wärmebehandlungen ermittelt. Aus diesen wurden erste Gestaltungsrichtlinien für die Auslegung von Schnittebenen in zug- und biegebelasteten Bauteilen erarbeitet. Weiterhin wurde die Anbindung verschiedenartiger Legierungen untersucht [11]. Die zweite für das Additive Repair & Refurbishment geeignete Fertigungstechnologie ist das pulverbasierte Laserauftragsschweißen. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, welches die Änderung der Mikrostruktur und Materialzusammensetzung der Oberflächenschicht durch einen Wärmezyklus erlaubt und im Gegensatz zum SLM auf vorhandene, komplex geformte Geometrien aufbauen kann [14, 15]. Die Verwendung eines Lasers als Abb. 1  Versuchsaufbau zur Ermittlung der Bon­ding­ eigenschaften und Schnittebenen-Orientierung biegebelasteter Bauteile (IPeG)

Anwendungspotenziale von Additive Repair und Refurbishment für Service-orientierte …

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Wärmequelle im Reparaturprozess hat die Vorteile, die zugeführte Energie zielgerichtet dosieren zu können, geringe Spannungen im Bauteil durch geringen Gesamtwärmeeintrag und eine gut definierte Prozesstiefe zu erreichen [16, 17]. Um Turbinenverdichter-Flügel prototypisch zu reparieren, kann das auf dem pulverbasierten Laserauftragsschweißen basierende Verfahren Laser Net Shape Manufacturing verwendet werden [18]. Um die Vorteile des Verfahrens weiter ausnutzen zu können, lassen sich unterschiedliche Werkstoffe auf einen Substratkörper auftragen und führen so zur Anwendung eines Werkstoffsystems [19]. Neben unterschiedlichen Stahlwerkstoffen (z. B. Kombination Baustahl und martensitischer Chrom-Silizium-Stahl) werden weiterhin Aluminium und Stahl gemeinsam als Halbzeug für Warmumformteile verarbeitet [20, 21]. Für die kombinierte additive und spanende Bearbeitung stehen heute Hybridbearbeitungszentren zur Verfügung. Zusammenfassend ergeben sich aus der wissenschaftlichen Literatur die folgenden Vorteile von Additive Repair & Refurbishment gegenüber traditionellen Methoden [11, 12, 22]: • Schneller Reparaturprozess im Vergleich zu herkömmlichen Methoden; • Anpassung von Komponenten auf den aktuellen Stand der Technik, um ihre Effizienz oder die Lebensdauer zu erhöhen; • Einsparung von Material und damit einhergehend geringere Reparaturkosten; • Reduzieren der Vorlaufzeit von Ersatzteilen, sowie die Möglichkeit, Reparaturen an kritischen Teilen vor Ort durchzuführen; • geringer Wärmeeintrag und damit kleinere Wärmeeinflusszone bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften.

3

After-Sales-Geschäft und Ersatzteilprozesse

Die eingangs skizzierte Wettbewerbssituation im deutschen Maschinen- und Anlagenbau hat zur Folge, dass Unternehmen Serviceprozesse, wie die Anlagenplanung beim Kunden, Montage und Inbetriebnahme sowie After-Sales-Services (bspw. Reparatur und Instandhaltung) auf globale Märkte ausrichten müssen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit langfristig zu erhalten. Der Fokus liegt dabei im After-Sales-Geschäft auf der Erhöhung der globalen Erbringungsgeschwindigkeit und -qualität anstatt auf der preislichen Ausgestaltung der eigenen Services, da diesen im Störfall oftmals hohen Opportunitäts- und Ausfallkosten auf Seiten des Kunden gegenüberstehen. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass im Maschinen- und Anlagenbau die optimale Umsetzungsstrategie für das After-Sales-Geschäft noch Herausforderungen aufwirft [23–25]. Ein Beispiel hierfür stellt die teils langjährige Instandhaltung von Maschinen und Anlagen im Hinblick auf die Versorgung mit Ersatzteilen dar. Bedingt durch die Opportunitäts- und Ausfallkosten sowie die schwer prognostizierbare Bedarfsentwicklung seitens der Anlagenbetreiber ist aktuell das Vorhalten ausreichender Lagerbestände für den langfristigen Betrieb essenziell [25, 26]. Das zugrunde liegende Geschäftsmodell lässt sich

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anhand des von Osterwalder und Pigneur [27] entwickelten Business Model Canvas (BMC) beschreiben, das ein etabliertes Werkzeug darstellt, mit dem Geschäftsmodelle beschrieben und analysiert werden können (Abb. 2). Anhand von neun Kategorien werden hierbei die Kernaspekte eines Geschäftsmodelles beschrieben, wie nachfolgend im Kontext des Ersatzteilmanagements erläutert wird: Den Dreh- und Angelpunkt eines Geschäftsmodells stellt das Nutzenversprechen (engl. Value Proposition) dar, das im klassischen Ersatzteilmanagement die Sicherung der langfristigen Betriebsfähigkeit von Maschinen und Anlagen darstellt und sich somit insbesondere an Bestandkunden richtet (Kundensegmente, engl. Customer Segments) richtet, die diese Maschinen betreiben. Die Kundenbeziehungen (engl. Customer Relationships) lassen sich somit als Komplementärdienstleistung in Form hybrider Wertschöpfungssysteme beschreiben, d. h. das Ersatzteilgeschäft ergänzt somit den Maschinenvertrieb (einmalige Transaktion) um eine Dienstleistung, die den langfristigen Betrieb und dementsprechend die langfristige Kundenbeziehung sicherstellt. Die Bestellung von Ersatzteilen kommt in Form indirekter Bestellungen über Kommunikationssysteme wie bspw. E-Mail, Telefon oder Fax zu Stande oder wird durch den Servicetechniker vor Ort vorgenommen (Kanäle, engl. Channels). Für die Hersteller ist die Umsetzung dieses Geschäftsmodells mit dem Einsatz von Schlüsselressourcen (engl. Key Resources) und Schlüsselaktivitäten (engl. Key Activities) verbunden. So müssen bspw. die Produktionsanlagen sowie Lager- und Lieferprozesse existieren, um die Ersatzteile zu produzieren und deren Lagerung bzw. Transport zum Kunden sicherzustellen. Schlüsselaktivitäten stellen konsequenterweise das Kundenkontaktmanagement, die Produktion von Ersatzteilen sowie die Logistik dar. Schlüsselpartner (engl. Key Partners) des Geschäftsmodelles stellen z. B. Logistiker dar, die den Transport der Ersatzteile und optional die Logistikprozesse übernehmen. In diesem Zusammenhang lässt sich auch die Entwicklung neuer Instandhaltungsstrategien wie Predictive Maintenance (vgl. [6]) kategorisieren: Ein mit Sensoren ausgestattetes Bauteil wird zur zusätzlichen Schlüsselressource für die Beurteilung des Verschleißzustandes einer Anlage, während die Fähigkeit der Sensorüberwachung und Informationsverarbeitung die Rolle zusätzlicher Schlüsselaktivitäten einnimmt. Durch diese Ressourcen und Aktivitäten entstehen einerseits Kostenstrukturen (engl. Cost Strucures) sowie Einkommensströme (engl. Revenue Streams), welche sich aus dem Verkauf von Ersatzteilen ergeben. Kosten entstehen neben der Produktion von Ersatzteilen und der Logistik hierbei ggf. auch in Form von vertraglich geregelten Opportunitätskosten bei vorzeitigem Ausfall von Maschinen des Kunden. Diese Aufwände seitens der Maschinen- und Anlagenbauer auf der einen Seite und die Motivation und Zahlungsbereitschaft der Kunden auf der anderen Seite begründet verschiedene Strategien im Ersatzteilmanagement. So werden Ersatzteile von Unternehmen anhand von Nachfrage und Volumina kategorisiert (z. B. ABC-Teile), um Lagerbestände zu reduzieren, ohne die Kundenzufriedenheit zu gefährden. Während Ersatzteile mit prognostizierbarer Nachfrage laufend gefertigt werden, werden Spezialanfertigungen oder Ersatzteile mit wechselhafter Nachfrage nach Bedarf gefertigt. Durch die Modularisierung von Produktkomponenten oder Outsourcing der Fertigung können diese Variablen gezielt

Anwendungspotenziale von Additive Repair und Refurbishment für Service-orientierte …

partner

-

Transport, ggf. Logistikprozesse

Kundenkontaktmanagement, Produktion, Lagerung, Transport

ressourcen Produktionsanlagen, Prozesse

Nutzenversprechen

Kundenbeziehung dienstleistung

49

Kundensegmente -

Sicherung der langfristigen

Bestandskunden indirekte Kommunikationssysteme

Kostenstrukturen Verkauf von Ersatzteilen

Abb. 2  Struktur des Business Model Canvas (angepasst nach [27])

angepasst und z. B. Stillstandzeiten durch den vorübergehenden Einsatz von Tauschmodulen verringert werden [23]. Additive Repair & Refurbishment bieten in diesem Zusammenhang neue Möglichkeiten, die Aufwände seitens Maschinen- und Anlagenbauer sowie der Kunden zu minimieren. Während die Additive Fertigung als Produktionstechnologie z. B. durch Materialeinsparung oder die hohe Flexibilität direkten Einfluss auf das Geschäftsergebnis hat, ist die Potenzialdimension im Bereich der Instandhaltung bisher offen. Im nachfolgenden Kapitel wird diese Lücke anhand der Diskussion möglicher Effekte von Additive Repair & Refurbishment auf Bereiche des BMC geschlossen.

4

Potenziale durch Additive Repair & Refurbishment

Tab. 1 zeigt mögliche Auswirkungen und Anpassungen des oben genannten Geschäftsmodells durch Additive Repair & Refurbishment anhand der neun Felder des BMC.  Eine Anpassung von Geometrie an funktionale Anforderungen eines entsprechenden Bauteils, wie im Fall der unter Abschn. 2 vorgestellten Turbinenschaufeln, wird hierbei zunächst nicht betrachtet. Die zentrale Veränderung gegenüber einem klassischen Ersatzteilgeschäftsmodell stellt die Verlagerung des Nutzenversprechens von der reinen Sicherung der Betriebsfähigkeit zu einem Fokus auf die Verringerung von Ausfallzeiten dar [24]. Diese Verlagerung impli-

J. Brinker et al.

50

Tab. 1  Vergleich klassisches Ersatzteilgeschäftsmodell und Additive Repair & Refurbishment am Beispiel Self-Service Kategorie Value Proposition

Klassisches Ersatzteilmanagement Sicherung der langfristigen Betriebsfähigkeit von Maschinen

Customer Segments

Bestandskunden, die Maschinen betreiben

Channels

Indirekte Schnittstellen über Kommunikationssysteme oder direkter Kontakt über Techniker Komplementärdienstleistung zu bereits vertriebenem Produkt (hybrides Wertschöpfungssystem) Produktionsanlagen; Lager- und Lieferprozess

Customer Relationships Key Resources

Key Activities

Key Partners

Revenue Streams Cost Structure

Ersatzteilmanagement mit Additive Repair & Refurbishment Sicherung der langfristigen Betriebsfähigkeit von Maschinen bei verringerten Ausfallzeiten Bestandskunden, die geringe Toleranz ggü. Ausfallzeiten haben oder hohe Ausfallzeiten aufgrund räumlicher Distanz in Kauf nehmen müssten Indirekte Schnittstellen über Kommunikationssysteme

Komplementärdienstleistung zu bereits vertriebenem Produkt (hybrides Wertschöpfungssystem) Additive-Repair-Plattform für Datenaustausch zwischen Kunde und Hersteller Kundenkontaktmanagement, Kundenkontaktmanagement, Produktion von Ersatzteilen; Berechnung von Additive-RepairLogistik Modellen, Datenbereitstellung Logistiker Optional Drittdienstleister für Ersatzteilfertigung und -auslieferung („letzte Meile“) Ersatzteilverkauf Verkauf von Ersatzteildaten Ggf. Opportunitätskosten (im Sinne Produktionskosten; von Vertragsstrafen) bei vorzeitigem Logistikkosten; ggf. Opportunitätskosten (im Sinne von Ausfall Vertragsstrafen) bei vorzeitigem Ausfall

ziert Veränderungen in den übrigen Bereichen des Geschäftsmodells, die jedoch von der genauen Konfiguration der Wertschöpfungskette abhängen. Die Anwendungspotenziale für den Einsatz von Additive Repair & Refurbishment lassen sich daher anhand der drei möglichen Szenarien beschreiben: . Die Beibehaltung der Druckaktivitäten im produzierenden Unternehmen; 1 2. Die Auslagerung an externe Druckproduzenten; 3. Die Weitergabe der (reduzierten) Druckdaten an den Kunden (im Sinne des Self-­ Service). Werden durch den Hersteller alle möglichen Aktivitäten an den Kunden ausgelagert („Self Service“), stellt dieser die Ersatzteile mit einem eigenen 3D-Drucker on-­demand

Anwendungspotenziale von Additive Repair und Refurbishment für Service-orientierte …

51

her. Anstelle seiner Position im Kundensegment des BMC nimmt er eine Doppelrolle ein, da er gleichzeitig Schlüsselpartner im Geschäftsmodell ist und somit ein aktives Mitglied der Wertschöpfungskette wird. Ebenso verändern sich die Schlüsselaktivitäten, da die Produktion der Teile sowie ggf. die Nachbearbeitung an den Kunden übergeben werden. Eine zentrale Herausforderung ergibt sich bei der Qualitätssicherung des Druckprozesses sowie der Ersatzteile [26]. Vor dem Hintergrund von Gewährleistungsfragestellungen ist die Umsetzung von Sicherungsmechanismen notwendig, um den zuverlässigen Betrieb der reparierten Bauteile zu garantieren. Eine Möglichkeit besteht im Vertrieb von zertifizierten Halberzeugnissen wie Draht oder Pulver für den Druckprozess. Darüber hinaus können die Informationen der Bauteiljobs durch den Anbieter ausgewertet und gesichert werden, um somit das Risiko vorzeitiger Ausfälle seitens Hersteller zu minimieren. Der Kanal zum Kunden verändert sich insofern, als dass eine indirekte Kommunikation zwischen den Beteiligten nicht länger notwendig ist. Stattdessen stellt der direkte Zugriff auf Ersatzteilinformationen oder die Informationen des Druckjobs die Verbindung dar, die automatisiert erfolgen kann. Ein zusätzlicher Einkommensstrom entsteht dann durch den Verkauf von Druckdaten zu den spezifischen Ersatzteilen. Einen Mittelweg in Bezug auf das Geschäftsmodell ist der Aufbau eines Distributed Service-Network, bei dem die Ersatzteile bei Partnerunternehmen gedruckt werden, deren Standorte über den Globus verteilt sind und sich z. B. nahe bei den Schlüsselkunden befinden. Sofern diese Servicecenter unternehmensextern aufgebaut werden, verhält sich der Sachverhalt mit Blick auf die Aktivitäten und zu berücksichtigende Merkmale ähnlich zum ersten Szenario dar. Durch die enge Zusammenarbeit des Herstellers und der Partner ergeben sich dabei Vorteile durch ausbleibende Lagerkosten, reduziertem Logistikaufwand und der einfacheren Qualitätssicherung im Vergleich zum Self-Service-Angebot. Wird das Service-Network als Teil des Herstellerunternehmens aufgebaut, sind Fragestellungen wie Gewährleistung und Datenschutz von geringerer Relevanz, da bestehende Prozesse lediglich angepasst werden müssen und Kontrollmechanismen unternehmensintern umgesetzt werden können. Eine ausreichende Verteilung der Partnerunternehmen ist jedoch notwendig, um kurze Logistikwege zum Kunden und damit entstehende Zeitvorteile zu garantieren. Sind die Partnerunternehmen Druckdienstleister mehrerer Maschinenhersteller ist ferner sicherzustellen, dass die Druckdaten der Ersatzteile der einzelnen Unternehmen vor dem Zugriff Dritter geschützt sind. Das für den Hersteller mit geringstem Umsetzungsaufwand verbundene Szenario ist der Verbleib der Ersatzteilfertigung im Unternehmen. Durch den Einsatz von Additive Repair & Refurbishment können Lagerkosten eingespart werden, es sind keine Aufwände für eine externe Qualitätssicherung notwendig und der direkte Kontakt mit dem Kunden bleibt erhalten. Allerdings muss das eigene Knowhow für die additiven Reparaturverfahren erweitert und die Produktionsaktivitäten entsprechend ausgebaut werden. Die dadurch entfallenden Lageraufwendungen müssen daher durch neue Verfahren ersetzt werden, was mit zusätzlichen (und ggf. höheren) Kosten einhergeht.

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5

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Fazit

Die aufgezeigten Szenarien verdeutlichen, wie durch Additive Repair & Refurbishment insbesondere die entstehenden Kosten im Bereich der Ersatzteillogistik und Lagerhaltung reduziert werden können und auf der anderen Seite der Nutzen für den Kunden im Sinne reduzierter Ausfallzeiten stark zunimmt. Dabei lässt sich jedoch auch festhalten, dass eine Verlagerung von Produktion und Einbau vom Hersteller zum Kunden oder weiteren Akteuren in der Wertschöpfungskette neue Fragestellungen aufwirft. Auf der einen Seite ist essenziell, wie Haftungs- und Gewährleistungsansprüche auf der Seite des Kunden vermieden werden können, wenn dieser eine aktive Rolle im Geschäftsmodell einnimmt und ein von ihm fehlerhaft hergestelltes Ersatzteil größeren Schaden an der Maschine verursacht. Eine weitere Fragestellung ergibt sich aus der eigentlichen Dienstleistungserbringung: Vor allem in einem Geschäftsmodell, welches den Kunden als Akteur der Erbringung sieht, muss er nicht nur in die Lage versetzt werden, das schadhafte Bauteil wieder instand zu setzen, sondern das beschädigte Teil muss zunächst aus der Maschine oder Anlage entfernt und später wieder eingebracht werden. Da hier je nach Kompliziertheit der Maschine oder Anlage umfangreiches Wissen und Routine notwendig sind, wie sie in der Regel von geschultem Servicepersonal eingesetzt werden, sind geeignete Assistenzund Kollaborationswerkzeuge nötig, wie sie aktuell z. B. auf Augmented-Reality-Brillen entwickelt werden. Ein weiteres Thema ergibt sich aus der Tatsache, dass auch heute nicht mehr für jedes Ersatzteil ausreichend technische Daten zur Verfügung stehen, weil z. B. die Anlage sehr alt ist oder der Anbieter nicht mehr existiert. In diesem Fall ist eine Kombination von ­Ersatzteildruck mit einem vorhergehenden Reengineering des Ersatzteils, z.  B. durch Scan-Technologie, eine weitere Schlüsselaktivität, die im Sinne des BMC ausgeführt werden kann. Die konkrete technische Ausgestaltung der Aufnahme und Übertragung von Bauteil- und Reparaturdaten ist mit Blick auf die Bewahrung des damit verbundenen zentralen und geschäftsbestimmenden Wissens zu berücksichtigen. Die Einbettung in ein größeres Gesamtsystem, bspw. eine Plattformstrategie zum Management der Servicevorfälle und -aufträge und zur automatischen Datenanalyse dieser, kann dazu ein nachgelagertes Thema sein. Obgleich das Potenzial von Additive Repair & Refurbishment bisher nicht quantifiziert werden könnte, verdeutlichen die beispielhaft aufgezeigten Effekte auf das Geschäftsmodell, dass das Potenzial von Additive Repair & Refurbishment flexibel gestaltet werden kann. Eine Entscheidungsunterstützung durch Handlungsanweisungen oder ein betriebswirtschaftliches Rahmenwerk, welche Ausprägung des Geschäftsmodells in einem konkreten Anwendungsfall geeignet ist, bleibt zu untersuchen. Danksagung  Diesem Beitrag liegen Arbeiten des Forschungsprojekts RePARE zugrunde. Das Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmen der Fördermaßnahme Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Innovative Produktkreisläufe (ReziProK) unter dem Förderkennzeichen 033R229 gefördert.

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Teil II Gestaltung und Optimierung

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM Lydia Mika, Philipp Sembdner, Sebastian Heerwald, Christoph Hübner, Stefan Holtzhausen und Ralph Stelzer

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Stand in Wissenschaft und Technik  3  Entwicklungsprozess  4  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

  58   59   63  70  71

Zusammenfassung

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

L. Mika (*) · P. Sembdner · S. Holtzhausen · R. Stelzer Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, Technische Universität Dresden, Dresden, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected] S. Heerwald Dornheim Medical Images GmbH Magdeburg, Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected] C. Hübner Biowerkstoffe, Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V., Heilbad Heiligenstadt, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_5

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58

L. Mika et al.

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.

Schlüsselwörter

Medizintechnik · Individual-Implantat · Parametrisierung · Konstruktion · EBM-­ Verfahren

1

Einleitung

Für das größte, hochkomplexe und zugleich anfälligste Gelenk des Menschen gibt es derzeit kaum eine optimale Lösung in der Konstruktion und Anfertigung von perfekt passenden Implantaten, welche zur Wiederherstellung der natürlichen Anatomie und Biomechanik im Krankheitsfall (bspw. Arthrose) eines Patienten genutzt werden. Ursache dafür ist der enorm hohe Aufwand in der Anpassung des Implantat-Modells an jegliche Individualitäten und Kriterien der variierenden Kniegelenke der Patienten. Eine der bisherigen Lösungen zur Gelenk-Nachbildung und -Rekonstruktion ist die Nutzung von Standard-Implantaten, welche zumindest grundlegend die ursprüngliche Form und Funktion des Knies wiedergeben. Durch deren begrenzte Auswahl von Modell-­ Größen ist jedoch nicht immer eine komplett formschlüssige Kombination mit dem Knochen möglich. Das heißt, es kann vermehrt zum Überstehen vom Implantat aber auch von zu viel freiliegendem Knochen kommen (vgl. Abb. 1, links). Mögliche Folgen sind Schmerzempfinden des Patienten als auch eine kürzere Lebensdauer des Implantates. Der größte Nachteil der Standard-Implantate besteht allerdings aus einer unzureichend hohe Knochenresektion, da der Knochen entsprechend der Implantat-Größe zugeschnitten ­werden muss. Im Gegensatz dazu wird ein Individual-Implantat gemäß dem Knochen gestaltet, sodass möglichst wenig Knochenverlust als auch eine optimale Abdeckung des offenen Knochens entstehen (vgl. Abb.  1, rechts). Das Ergebnis ist unteranderem ein

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM

Unterhang

59

freiliegender Knochen

Überhang

Abb. 1  Standard-Prothese (links), Individual-Prothese (rechts) [1]

schnellerer Heilungsprozess und ein stabilerer Sitz am Knochen. Ein weiterer Vorteil ist außerdem das geeignete Nachempfinden der Form, Bewegung und Funktion des Kniegelenkes. Problem der aktuellen Individual-Knieimplantate ist hingegen der hohe Zeitaufwand des Modell-Anpassungs-Prozesses und der Implantat-Fertigung sowie dessen gestalterischen Einschränkungen. Ziel des Beitrages ist die Optimierung der Individual-Methodik (form- und maßgetreue Knieimplantat-Adaption zur Gelenkflächenrückführung und -erstattung) und eine schnellere und verkürzte Prozesskette der Implantat-Anpassung. Dafür ist eine parametrische Konstruktion zu konzipieren, die mittels abgeleiteter Informationen aus CT-Datensätzen der Patienten effizient in ihrer Form zum fertigen patientenspezifischen Implantat eingestellt werden kann. Zur Unterstützung der Formvielfalt des Implantat-Designs wird am Ende der Prozesskette die generative Fertigung eingesetzt. Um die Individualität auf das reale Produkt zu übertragen, wird die Fertigung mittels EBM-Verfahren aufgrund seiner spezifischen Vorteile wie Gestaltungsfreiheit, Individualisierung, Herstellungsgeschwindigkeit und Verwendung von biokompatiblen Werkstoffen für Medizinprodukte (bspw. Titan und CoCrMo) genutzt.

2

Stand in Wissenschaft und Technik

2.1

Das Kniegelenk

Ausgewähltes Beispiel für die Optimierung von Individual-Knieimplantaten ist die Oberflächenprothese. Hier gelten Femur (1, Oberschenkelknochen), Tibia (2, Schienbein), Menisken (3, Knorpelscheiben zwischen Femur und Tibia sowie als Gelenkspalt geltend) samt der Patella (4, Kniescheibe) als wichtige Komponenten des Kniegelenkes (vgl. Abb. 2). Tritt ein erhöhter Verschleiß zwischen den Kontaktflächen dieser Gelenkbestandteile auf, wird von Arthrose (Gelenkverschleiß) gesprochen (vgl. Abb. 3 und 4). Diese Krankheit legt empfindliches Knochengewebe frei und verursacht Schmerzen.

60

L. Mika et al.

Abb. 2  Femur (1), Tibia (2), Knorpelflächen und Position Menisken (3) und Patella (4) in der Frontal- (links) und Seitenansicht (rechts) [2]

Abb. 3  Anfängliche Arthrose-Stadien: leichte Auffaserung (1) und Rissbildung (2) [3]

Abb. 4  Fortgeschrittene Arthrose-Stadien: Rissausbreitung (3) und großflächiger Gelenkknorpelschaden mit Gelenkspaltverengung (4) [3]

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM

61

Abb. 5  Normale (a), Varus/O- (b) und Valgus/X- (c) Beinachsenstellung [4]

Eine Oberflächenprothese kann das so schwindende Knorpelgewebe ersetzen und stellt die natürliche Bewegungsform des Gelenkes wieder her. Letzteres geht in vielen Fällen mit einer Beinachsenkorrektur einher. Arthrose und Beinfehlstellungen (vgl. Abb. 5) sind sich oftmals gegenseitig fördernde Erkrankungen, wodurch deren Therapiemöglichkeiten hier ineinander übergehen. Um die Prothese entsprechend der spezifischen Gegebenheiten des Kniegelenkes zu gestalten, gilt es die Parameter der folgenden Teilgebiete aus der Anatomie und Biomechanik des Gelenkes zu betrachten und im Entwicklungsprozess mit einzubeziehen: • • • •

Kinetik – Kräfte und Bewegungsmöglichkeiten, anatomische und mechanische Parameter, geometrische Parameter, sowie Metadaten.

Besonders wichtig ist dabei die Beachtung von Parametern wie die Beinachsen in Position und Winkel, der Gelenkspalt in Höhe und Symmetrie sowie die Oberflächenform, Geometrie als auch unterschiedlichen Maße des Knies, die der Patient mit sich bringt. Auch Metadaten wie das Gewicht und das Aktivitätsniveau eines Menschen wirken sich auf das Gelenk aus. Diese Faktoren haben stetigen Einfluss auf die Prothese und sind für einen optimalen Flächenersatz sowie Bewegungsablauf stets genau einzuhalten bzw. zu korrigieren.

62

2.2

L. Mika et al.

Oberflächenprothese

Die primäre Aufgabe der Knieoberflächenprothese ist der Ersatz der Knochenoberflächen und der Menisken, sprich des wichtigen und beschädigten Knorpelgewebes. Damit ermöglicht sie die erneute Aufnahme, Erhaltung und Unterstützung der natürlichen Form und der physischen Funktionen des Kniegelenkes und seiner Bestandteile. Diese Totalendoprothese besteht dabei aus den drei Komponenten Femur- und Tibia-Implantat sowie dem Inlay (vgl. Abb. 6). Femur- und Tibia-Komponente sind im jeweiligen Knochen verankert und aus relativ robusten Werkstoffen gefertigt. Das Inlay ist dabei mit seiner Unterseite am Tibia-­ Implantat gesichert. Seine obenliegenden Flächen stehen wiederum im direkten, ­beweglichen Kontakt zum Femur-Implantat. Die hier aufeinandertreffenden Flächen bilden die neuen Abrollflächen des Kniegelenkes, welche optimal und vorwiegend kongruent aufeinander abgestimmt sind. Da das Inlay zwischen Femur und Tibia-Implantat positioniert ist, stellt es eine Kombination aus den sich an das Knie anzupassenden Elementen beider Komponenten dar. Zudem soll das Inlay weichere Eigenschaften für einen möglichst geringen Abrieb besitzen. Zum Erfüllen der Hauptaufgabe der Oberflächenprothese übernehmen dessen einzelne Bestandteile verschiedene Teilaufgaben, welche in der Tab. 1 aufgelistet sind. Standard- als auch Individual-Prothesen besitzen hier die gleiche Aufteilung.

2.3

Fertigungsverfahren – Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Das Elektronenstrahlschmelzen gehört zu den additiven Fertigungsverfahren. Das Vorgehen wird mit dem schichtweisen Auftragen von Pulver im sogenannten Pulverbett und

Abb. 6  Aufbau und Werkstoffwahl der Oberflächenprothesen [4, 5]

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM

63

Tab. 1  Übersicht der Knieprothesen-Komponenten und deren Aufgaben [4] Femur-­ Komponente Tibia-­ Komponente Inlay

Beschreibung Kondylen- bzw. Ober-­ flächenersatz am Femur Kondylen- bzw. Ober-­ flächenersatz an der Tibia Meniskusersatz

Aufgabe Knochenschutz und Ausgleich von Flexionsund Achsfehlstellungen Schutz des Knochens und Verbindungskomponente für das Inlay Ausgleich Flexion- und Achsfehlstellungen sowie Inkongruenz zwischen Femur und Tibia als auch Ersatz vorderes Kreuzband

dem gezielten Aufschmelzen dieses Pulvers durch einen Elektronenstrahl beschrieben. So können komplexe Bauteile mit nahezu beliebiger Form und Geometrie hergestellt werden. Während des gesamten Prozesses wird eine erhöhte Temperatur gehaltenen, was die Versinterung der Pulverpartikel mit Stützwirkung und Vermeidung von Pulverstaub begünstigt. Weiterhin ist eine hohe Fließrate des Pulvers für einen gleichmäßigen Schichtauftrag entscheidend (Bauteilqualität). Die Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit liegt beim EBM-Verfahren gegenüber anderen Verfahren dennoch eher im mittleren Bereich. Der Fertigungsprozess selbst läuft unter Hochvakuum, da der Elektronenstrahl nur in dieser Atmosphäre betrieben werden kann. Die Möglichkeit der Verarbeitung hochreaktiver Werkstoffe ist damit gegeben. Verwendet werden kann im Allgemeinen Pulver aus Metall-­ Werkstoffen wie beispielweise Titan und Cobalt-Chrom-Guss-Legierungen. Die Partikelgrößen liegen dabei im Bereich von 45–105 μm. Wichtige Prozessparameter sind beim Elektronenstrahlschmelzen die Scan-Geschwindigkeit und der Strahlstrom. Die Baukammer ermöglicht zusätzlich sehr hohe Ablenkraten des Elektronenstrahls [6]. Vorteile gegenüber dem selektiven Laserstrahlsintern (SLM) sind beispielsweise eine höhere Scan-Geschwindigkeit, eine höhere Energiedichte und eine etwas höhere Oberflächenrauigkeit. Gerade für die schnelle Fertigung von Knochen- bzw. Gelenkimplantaten mit hoher Belastung und der Förderung des Knochenwachstums ist dies ansprechend. Beispiele der Verwendung des EBM-Verfahrens aus der Medizintechnik sind damit auch Prothesen für Hüft- und Kniegelenke sowie Knochenstrukturen [6].

3

Entwicklungsprozess

3.1

Problematik

Für die Gestaltung des Knieimplantates gilt es zunächst alle gegebenen Informationen zu sammeln und zu kategorisieren als auch zu evaluieren aus welchen Bereichen Eingangsgrößen gegeben sind und wie sie genutzt werden können. Relevant sind diese für die Entwicklung des Modells selbst als auch für dessen Anpassungsprozess. Im Ergebnis sollen die Daten des Kniegelenkes mit geringen Aufwand im Modell umgesetzt werden können.

64

L. Mika et al.

Prozessablauf Im Anpassungsprozess erfolgt die Einstellung des Modells mit der Segmentierung und Vermessung des Knie-CTs und anschließender Umwandlung und Nutzung der Werte im Implantat-Modell selbst (vgl. Abb. 7). Dabei sind direkte aber auch über Verhältnismäßigkeiten überführte Verknüpfungen möglich. Eingangsgrößen Kniegelenk Zu betrachtende Bereiche für Eingangsparameter zur patientenindividuellen Erfassung wurden bereits in Abschn. 2.1 als Parameter und Kriterien des Kniegelenkes genannt. Bei genauerer Betrachtung sind die zu den Parametern im Bereich der Kinetik gehörenden Abroll­ kurven (vgl. Abb.  8) zu nennen. Des Weiteren beschreiben die wichtigen ­geometrischen Parameter die Gelenkknochen-Geometrie mit beispielsweise Tiefen und Breiten. Anatomische Parameter definieren die Zusammenhänge in Bein und Gelenk und haben somit ebenfalls einen enormen Einfluss auf die Implantatgestaltung durch Einbringung von etwa anatomischen und mechanischen Beinachsen. Angaben zu beispielsweise Geschlecht, Gewicht und Krankheitsstadium (Metadaten) schließen die Eingangsgrößen ab. Eingangsgrößen Prothese Zur Dimensionierung der Implantat-Komponenten können Abmessungen gängiger Standardimplantate und deren Größenabstufungen herangezogen werden. Diese bewegen sich in Grenzen von beispielsweise der Breite am Femur mit 45 bis 90 mm und der Tibia mit

Abb. 7  Anpassungsprozess beginnend mit Patienten-Daten bis hin zum fertigen, angepassten Implantat-­Modell [7]

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM

65

Abb. 8  Abrollkurven in der Seitenansicht und Ansicht von unten (rechts) [4]

Abb. 9  Beispiel der Hauptmaße von Femur- und Tibia-Komponente [4]

50 bis 95 mm sowie Tiefen mit 40 bis 85 mm am Femur und mit 30 bis 65 mm an der Tibia. Die Höhen beider Komponenten weisen ebenfalls gewisse Grenzen von 40 bis 80 mm am Femur und 30 bis 60 mm an der Tibia auf (vgl. Abb. 9). Ebenso müssen einzelne Konstruktionselemente im Detail definiert werden. Beispielsweise sind vor allem die Abrollflächen genau so zu gestalten, dass auch mit der Prothese weiterhin ein optimales Bewegungsverhalten des Kniegelenkes ermöglicht wird. Weiterhin dürfen die Schnitt- bzw. Knochenkontaktflächen des Femurs keine zusätzlich belastenden Ecken und Kanten in den Knochen projizieren, dennoch sollen sie genug Potenzial zum Anwachsen des Knochens bieten. Es soll ein fließender Übergang zwischen Implantat und Knochen garantiert sein. Abschließend müssen Femur- und Tibia-Komponente zusätzlich durch Befestigungselemente fest im Knochen verankert werden.

66

3.2

L. Mika et al.

Umsetzung Parametrisches Modell

Generell liegen die Möglichkeiten für die Konstruktionsgestaltung von medizinischen Produkten derzeit bei der Anwendung von klassischer Konstruktionssoftware (z. B. SolidWorks) für ein Ergebnis mit parametrischen Flächen als auch teilweise bei Software für triangulierte Flächen (z. B. Geomagic Freeform), welche im Bereich der Freiformflächenmodellierung zu finden ist. Beide Methoden weisen spezifische Vor- und Nachteile auf. Design-Software auf Basis triangulierter Daten bieten sich vor allem für den Entwurf individueller Knochen-Implantate in Körperbereichen an, wo keine eindeutig wiederkehrende Implantatpositionierung gegeben ist (z. B. Mund-Kiefer-Gesichtsbereich). Für das schnelle, zielgerichtete Anpassen eines über Parameter definierten als auch gesteuerten Knieimplantat-Modells ist jedoch die Anwendung der klassischen rechnergestützten Konstruktion (CAD) am ehesten geeignet. Dies erschließt sich aus den geometrisch relativ gut beschreibbaren Flächen des Kniegelenkes. Folgend gilt es zu evaluieren, wie mit diesem Gestaltungswerkzeug die Anatomie und Biomechanik des menschlichen Kniegelenkes auf das zu steuernde Implantat-Modell übertragen bzw. mit diesem verknüpft werden kann. Umsetzungsplanung Mithilfe der Analyse von Anatomie und Biomechanik sowie verschiedener, aktueller Prothesen als auch realer, erkrankter Kniegelenke wird zu Beginn der Umsetzung ein grundlegendes Implantat-Modell aufgebaut. Mit der CAD-Software SolidWorks ist das Modell zunächst einfach und parametrisch zu konstruieren. Hintergrund ist das Ziel der unkomplizierten, schnellen aber individuellen Anpassungsmöglichkeit. Nach diesem Schritt werden am ersten vorläufigen, parametrischen Modell die Größen aktueller Standard-Implantate bezüglich der Einstellbarkeit getestet. Nach positiven Ergebnissen können vom Standard abweichende, zufällige Maße geprüft werden. Anschließend werden stets weitere Elemente und Parameter in die Konstruktion eingebracht, um sich der natürlichen Form des Kniegelenkes bzw. der Beinstellung fortlaufend anzunähern und somit auch die Anpassungsmöglichkeiten zu optimieren. Design-Betrachtung Die Nutzung und Verknüpfung von Kinetik (1), von anatomischen und mechanischen (2) sowie geometrischen Parametern (3) als auch Metadaten (4) des Menschen mit den kon­ struktiven Parametern des Implantatmodells kann folgendermaßen definiert werden: Die Kriterien aus (1) und (4) haben fast ausschließlich zum Entwicklungsbeginn einen konkreten und direkten Einfluss auf die Gestalt der Prothesenkomponenten. Die Parameter aus (2) und (3) wiederum geben zunächst nur gewisse Grenzen sowie Richtlinien in Form als auch Größe von Geometrien und Ausrichtungen vor. Zur finalen und genauen patientenspezifischen Anpassung wird dann schließlich ein Teil der Parameter aus (3) und teils auch aus (4) im parametrischen Implantat-Modell übernommen, wodurch sie somit direkt verknüpft sein müssen. Im Detail bekommen geometrische Parameter, welche sämtliche Maße von Femur und Tibia wiedergeben, sowie die Beinachsenstellung

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM

67

aus (2), der Gelenkspalt in Beugung und Streckung aus (3) als auch besonders die Abrollflächen bzw. -kurven aus (1) die größte Beachtung zur optimalen Implantat-Gestaltung. Durch die Abrollflächen kann das Kniegelenk seine wichtigen Bewegungsformen ausführen. Da deren beschreibende Kurven sehr spezifisch verlaufen und formgebend für das Gelenk sind, müssen sie in jeglichen Größen wie Radien, Winkeln und Abständen steuerbar sein. Gleiches betrifft ihre Lage im Raum und die Abstimmung zwischen Femur-Implantat und Inlay. Die Kurven als Gelenkelement eignen sich als Basis für das parametrische Modell. Konstruktion Femur-Komponente Als Anwendungsbeispiel für den Aufbau des parametrischen Modells dient die Femur-­ Komponente. Im CAD bildet dessen Basis die Abrollkurve, welche für die Formgebung bedeutsam ist und dabei als eine Skizze mit veränderbaren Parametern konstruiert und definiert wird. Sie wird dabei in mehrere Teilelemente (Kreisbögen) untergliedert (vgl. Abb. 10). Aus der Forschungsarbeit von A.  Seidler [8] geht hervor, dass für die optimale Modell-­Einstellung zur Formanpassung als auch zur Bewegungsunterstützung hier besonders zwei Kondylen-Radien (r1, r2) und deren Winkel (α, β) stets anzupassen sind. Dies gilt für die mediale (innere) und laterale (äußere) Abrollkurve des Femurs. Die Radien liegen beispielsweise im Bereich von 20 bis 50  mm. Aus den gleichen Gründen sind ebenfalls zwei Radien und deren Winkel im Bereich der Patellalaufbahn (mittig des Femurs) einzustellen. Daher werden neben den Hauptmaßen wie Höhe und Tiefe der Basis-Skizzen mindestens auch diese jeweils vier Parameter im Modell als veränderbar definiert. Im Gesamtmodell ist die Kurve damit dreimal gegeben: eine Skizze für jedes Teilsegment des Femurs (lateral, medial und Patellalaufbahn). Die Kurven sind dabei untereinander und zueinander mit Abständen und Winkeln variabel (vgl. Abb. 11). Abb. 10 Ausschnitt Abrollkurve (CAD-Skizze) des Femurs als Implantat-Modell-­ Basis [8]

r2 r1 α

β

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L. Mika et al.

Abb. 11  Ausgetragenes Implantat-Modell mit Abrollkurven-Basis-Skizze (links) und Positionen der Abrollkurven in medial und lateral sowie der Kurve der Patellalaufbahn (rechts)

Mithilfe des Grundgerüsts, welches aus diesen parametrisch aufgebauten Skizzen aufgebaut wurde, können anschließend verschiedene Werkzeuge der CAD-Software weiterführend zur Erstellung der gekrümmten Außen- bzw. Abrollflächen des Femurs genutzt werden. Auch hier wird parametrisch veränderbar konstruiert, um die komplette Fläche entsprechend patientenspezifischer Werte beispielsweise in Breite, Höhe und Tiefe ziehen zu können. Abschließend wird die Flächen-Konstruktion als Volumenmodell ausgetragen (vgl. Abb. 11) und mit Knochenkontaktflächen sowie Befestigungselementen erweitert, damit eine ausreichende Verankerung am Knochen erfolgen kann. Zu nennen sind hier die Stamps am Femur und vor allem der in seiner Größe variierende Stamp an der Tibia. Abschließend werden Modell-Elemente, die nicht steuerbar sein müssen, generell so konzipiert, dass sie sich durch Gleichungen oder Beziehungen dem gesamten Modell entsprechend fügen. Das entwickelte, parametrische Knieimplantat-Modell zur individuellen Anpassung ist nach aktuellem Stand in Abb. 12 einsehbar. Hierbei handelt es sich bereits um eine patientenspezifische Annäherung. Schnittkontur Femur Knochenkontaktfläche Abrollkurve

Tibia-Stamp

Schnittkontur Tibia

Abb. 12  Gesamtprothese Seitenansicht (links), isometrisch (mittig) und frontal (rechts)

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM

69

Aufbau der Steuerung Für die Anpassung dieses universellen, parametrischen Femur-Modells an individuelle Patientendaten, müssen die drei Basis-Skizzen und deren Lage über die Parameter und zugehöriger Gleichungen gesteuert werden. Diese Konstruktions-Parameter beruhen auf den geometrischen Parametern der Knie-Anatomie und können somit in fast allen Fällen mit gemessenen Werten aus dem patientenindividuellen CT-Datensatz verknüpft werden. Die Messermittlung erfolgt hierbei über das Segmentierungsverfahren mittels Active Shape Modell (siehe Abb. 7). Das Inlay, welches mit der Femur-Komponente in direktem Kontakt durch deren Abrollflächen steht, wird an dieser Fläche (Oberseite Inlay) zum Femur kongruent gestaltet und mit dessen Parametern verknüpft. Dies gilt sowohl für die Form als auch für die Position der Abrollflächen des Inlays, wodurch dessen Dicken automatisch vorgegeben werden. Gleiches gilt für die Beziehung zwischen Inlay und der Tibia-Komponente. Letztere wird optimal für die Tibia konstruiert und mit Parametern so aufgebaut, dass vor allem die äußere Randkontur des Knochens (an Position der Schnittfläche) optimal dem Patienten entsprechend angepasst wird. Die Kontur von Inlay und Tibia-Komponente muss wie die Abrollflächen zwischen Inlay und Femur-Komponente aufeinander abgestimmt werden. Daher ist die Kontur vom Inlay auch direkt vom Tibia-Modell abhängig. Das heißt, das Inlay kann sich automatisch und ohne weitere Eingriffe dem Patienten entsprechend anpassen, sobald die Femur- und Tibia-Komponenten eingestellt werden. Lediglich Femur- und Tibia-Implantat sind zu verändern. EBM-Verfahren Es lässt sich erkennen, dass sich sowohl aufgrund der Werkstoffwahl bzw. -vorgaben als auch gerade durch die aufwendige Form und Gestaltung der patientenspezifischen Prothese die Nutzung von generativer Fertigung und im speziellen dem EBM-Verfahren sich als zielführend erweist. In Bezug zu einer schnellen Bereitstellung der Prothese ist dieses Fertigungsverfahren ebenfalls zu nennen. Vorteile bei der Anwendung des Elektronenstrahlschmelzens sind damit die Einhaltung des Werkstoffes und der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit, die genaue Abbildung der erforderlichen Prothesenform und ein geringer Zeitaufwand.

3.3

Test des Modells

Das erste vorläufige Knieimplantat-Modell wurde mit Hilfe der analysierten Standard-­ Größen auf seine Anpassungsfähigkeit getestet. Dabei wurde auf die problemlose Einstellung der Maße als auch auf die gesamte sich automatisch anpassende Form der nicht zu steuernden Elemente geachtet. Abb. 13 zeigt das Ergebnis der funktionierenden Einstellung der Femur-Komponente. Inlay und Tibia-Komponente konnten ebenfalls durch ihren zu Beginn symmetrischen Aufbau stets der geforderten Maße eingestellt werden.

70

L. Mika et al.

Abb. 13 Darstellung der Anpassung am Femur-Implantat in vier von acht verschiedenen Standard-­Größen

Standardisierte Maße können demnach komplett angenommen werden. Die davon abweichenden, unregelmäßigen und individuellen Maße des natürlichen Kniegelenkes sind darauf aufbauend zu testen. Des Weiteren wurden die Implantatmodell-Komponenten mit Standard-Größen bereits als Test additiv gefertigt und mittels Einsetzen im Kunstknochen auf ihre Passgenauigkeit und Handhabung bei der OP geprüft. Weiterführend müssen allerdings noch Probekörper einbezogen und Tests sowie weitere Parameterstudien bezüglich individueller Maße und deren Druckmöglichkeiten durchgeführt werden. Erst dann kann eine finale additive Fertigung mittels EBM-Verfahren und den gewünschten Werkstoffen wie Titan folgen.

4

Zusammenfassung und Ausblick

An den Patienten angepasste Knieimplantate bieten Vorteile hinsichtlich der optimalen Knochenabdeckung ohne dabei über den Gelenkknochen selbst herauszuragen. Zudem kann auf das individuelle Gangverhalten bzw. die Beinstellungen eines Patienten genau eingegangen werden. Dementsprechend werden Schmerzen für den Patienten Vermieden und die Lebensdauer der Prothese kann erhöht werden. Das diese Anpassung mit dem universellen Knieimplantat-Modell möglich ist, zeigt sich bereits in den ersten Schritten der Einstellung bezüglich standardisierte Modell-Größen. Fortführend wird hier auch die Individualität weiter in den Fokus gerückt, wobei sich bereits erste positive Ergebnisse verzeichnen lassen konnten. Das Elektronenstrahlschmelzverfahren spielt dabei zusätzlich eine wichtige Rolle. Ziel ist es, eine Prozesskette zu erarbeiten, die eine gezielte Segmentierung und Ableitung wesentlicher patientenindividueller Parameter beinhaltet, die wiederum auf ein parametrisches Knieimplantat-Modell im CAD-System angewendet werden. Hierfür wurde ein Modell entworfen und konstruiert, welches in bestimmten Abmessungen anpassbar ist und wesentliche Design-Merkmale (z.  B.  Abrollkurve) aufzeigt, die ebenfalls parame­ trisch einstellbar sind.

Konstruktion eines individuellen Knieimplantates für die Fertigung mittels EBM

71

Zukünftig wird das Modell, auch auf Grundlage durchzuführender mechanischer Tests, weiter verbessert und fortlaufend Untersuchungen zur Passfähigkeit und Einstellbarkeit unterworfen. Für den Austausch der Daten wird eine Schnittstelle auf Basis der XML-­ Auszeichnungssprache erarbeitet. Mittels der Programmierschnittstelle eines CAD-Systems ist es zudem möglich, den Prozess der Anpassung zu automatisieren, in dem die individuellen Werte aus der XML-Struktur ausgelesen und direkt auf die Modellbeschreibung (z. B. Skizzenmaße) angewendet werden. Es zeigt sich ferner, dass für die Entwicklung medizinischer Produkte, insbesondere individueller Implantate, Konstruktionsrichtlinien und Handlungsempfehlungen auch im Hinblick auf die Europäische Medizinprodukte-Verordnung (MDR) notwendig sind. Diese sind bis dato jedoch nicht etabliert bzw. gar nicht vorhanden.

Literatur 1. Internetauftritt ConfirMIS Europe GmbH: Fürth. http://www.conformis.de/customized-knee-implants/products/ (2019). Zugegriffen am 25.07.2019 2. Thieme via medici, Georg Thieme Verlag KG, Deutschland Stuttgart: https://viamedici.thieme. de/lernmodule/anatomie/kniegelenk+articulatio+genus (2019). Zugegriffen am 25.07.2019 3. Internetauftritt Liebscher und Bracht Ausbildungen GmbH: Bad Homburg. https://www.liebscher-bracht.com/schmerzlexikon/knieschmerzen/ (2019). Zugegriffen am 25.07.2019 4. Mika, L.: Erstellung eines parametrischen Knie-Implantatmodells zur patientenspezifi-schen Anpassung. Diplomarbeit, Technische Universität Dresden (2018) 5. Internetauftritt Mathys AG Bettlach: Bettlach. http://www.mathysmedical.com/produkte/knie. html (2019). Zugegriffen am 24.07.2019 6. Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion. Carl Hanser, Aachen (2013). ISBN: 978-3-446-43651-0 7. Sembdner, P., Mika, L., Heerwald, S., Holtzhausen, S., Stelzer, R.: Design of a parametric knee implant model based on Active Shape Model output data for individualized knee implants. In: 33th Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS) (17.–21. Juni 2019), Rennes, Frankreich (2019) 8. Seidler, A.: Entwurf und Umsetzung einer Methodik zur Ableitung geometrischer Parameter von einem Kniegelenkmodell. Projektarbeit zum Forschungspraktikum, Technischer Universität Dresden (2019)

Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter Berücksichtigung AM-gerechter Konstruktionsmerkmale Lisa J. Sawatzki, Reiner Sackermann, Sören C. Scherf und Armin Lohrengel

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Fertigungsschritte und deren Anforderungen an die Konstruktion  3  Quantifizierung des Nachbearbeitungsaufwandes  4  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

   74    75    80  89  89

Zusammenfassung

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

L. J. Sawatzki (*) TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland E-Mail: [email protected] R. Sackermann Production Planning, Siemens AG, Mülheim a. d. Ruhr, Deutschland E-Mail: [email protected] S. C. Scherf · A. Lohrengel Institut für Maschinenwesen, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_6

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74

L. J. Sawatzki et al.

In dem vorliegenden Beitrag wird eine Methodik zur Berücksichtigung von funktions- und fertigungsgerechtem Design und damit zu erwartender, ausgewählter ­Durchlaufzeitanteile vorgestellt. Dazu werden REFA-Methoden zur Datenermittlung und Definition von Durchlaufzeitanteilen verwendet und auf die AM-Prozesskette übertragen. Damit soll eine verbesserte Integration von AM in konventionelle Prozesse geschaffen werden. Es wird gezeigt, wie durch prozessspezifische Einflussgrößen und definierte Formelemente eine Abschätzung des Nachbearbeitungsaufwandes durchgeführt werden kann. Damit werden bestehende Kostenmodelle insbesondere zur Be­ rechnung des In-Prozesses ergänzt und Wechselwirkungen zwischen In-Prozess und Post-Prozess aufgezeigt. Mit der vorliegenden Ausarbeitung 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.

Schlüsselwörter

Additive Fertigung · Laserbasiertes Pulverbettschmelzen · Nachbearbeitung · Prozesskette · Fertigungskosten

1

Einleitung

Die Additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing, kurz AM), im vorliegend betrachteten Fall das laserbasierte Pulverbettschmelzen für Metalle (engl. Laser-Based Powder Bed Fusion, kurz LB-PBF-M), bietet Potenzial zur endkonturnahen Fertigung und damit zur Reduzierung von Fertigungsdurchlaufzeiten und -kosten [1]. Die Durchlaufzeit ist „die Zeitspanne, in der ein Werkstück bei der Fertigung und Montage vom Beginn des ersten bis zum Abschluss des letzten Arbeitsvorgangs verweilt […].“ [2]. Trotz endkonturnaher Fertigung sind neben dem schichtweisen Aufbau des Bauteils dennoch oftmals diverse Nachbearbeitungsschritte notwendig, das sogenannte Post-Processing. Dem additiven Aufbau nachgelagerte Prozessschritte werden oftmals in ihrem zeitlichen und monetären Ausmaß unterschätzt oder nicht genügend in dem Konstruktionsprozess berücksichtigt [3]. Kostenbetrachtungen für die Additive Fertigung sind vielfach stark auf den In-Prozess fokussiert, wohingegen neuere Ansätze verstärkt auch weitere Prozessschritte berücksichtigen. Zur Vervollständigung solcher Kostenbetrachtungen besteht weiterer Forschungsbedarf. Berücksichtigt werden sollten neben dem In-Prozess ebenfalls Aspekte wie die Durchlaufzeit/Lieferzeit, die Time-to-Market, das Post-Processing sowie die Selbstkosten des Bauteils [4, 5]. Neuere Ansätze, wie z. B. von Lindemann [4] weiten die Betrachtung auf Lifecycle Kosten von additiv gefertigten Bauteilen aus. In der vorliegenden Arbeit liegt die Einschränkung der Untersuchung auf dem Herstellungsprozess,

Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter …

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Anforderungen

Optimierung der Konstruktionsmerkmale

Zeit- und Kostenberechnung des In- und Postprozesses

Bauteil (inkl. Support)

Geometrie (Formelemente und Orientierung)

ProzesszeitBerechnungen Hinterlegte Nachbearbeitungsverfahren

Abb. 1  Vorgehensweise zur Durchlaufzeitermittlung und Optimierung

insbesondere der Nacharbeit. Ziel dieser Ausarbeitung ist es, eine Vorgehensweise aufzuzeigen, mit welcher der Nacharbeitsaufwand anhand von Konstruktionsmerkmalen prospektiv zeitlich und daraus abgeleitet monetär abschätzt werden kann. Es soll damit ermöglicht werden, bereits in der Konstruktionsphase eine Aussage über die zu erwartende Nacharbeit treffen zu können (vgl. Abb. 1). Dazu werden Restriktionen der Konstruktion für die additive Fertigung sowie verfahrenstypische Einflussgrößen auf die Nacharbeit aufgezeigt und definierten Konstruktionselementen zugewiesen. Als Methode zur Quantifizierung werden REFA-Methoden verwendet und verfahrensspezifische Planzeitformeln erstellt. Damit wird ein Hilfsmittel bereitgestellt, um bereits in der Konstruktionsphase neben der Dauer bzw. den damit verbundenen Kosten des In-Prozesses auch den Nachbearbeitungsaufwand zu minimieren. In diesem Beitrag werden entsprechende Methoden und Ansätze für LB-PBF-M-Prozesse theoretisch erläutert und anhand von Beispielen für ein Demonstratorbauteil dargestellt.

2

 ertigungsschritte und deren Anforderungen F an die Konstruktion

Die Konstruktionsmerkmale unterliegen Restriktionen des In-Prozesses und sind zusätzlich im Hinblick auf Bearbeitungsschritte des Post-Prozesses zu optimieren. Für die res­ trik­tionsgerechte konstruktive Gestaltung von Bauteilen der Prozesskategorie LB-PBF-M gibt es eine Vielzahl von Konstruktions-/Gestaltungsrichtlinien, -regeln oder -empfehlungen. Hervorzuheben sind insbesondere die im Folgenden als Gestaltungsrichtlinien bezeichneten Werke von Kumke, M. [6], Vayre et. al. [7], Wartzack et. al. [8], Witt et. al. [9], Sehrt, J. [10], Thomas, D. [11], Lippert, B. [12] und Lippert, B. und Lachmayer, R. [13]. Die von der Konstruktion bis zum für den Gebrauch fertigen Bauteil durchzuführenden Prozessschritte werden im Folgenden aufgezeigt. Anschließend wird auf die Parameter der Bearbeitungszeit additiv gefertigter Bauteile, Nachbearbeitungsschritte sowie damit im Zusammenhang stehende Anforderungen an die Konstruktion eingegangen.

76

L. J. Sawatzki et al.

2.1

Herstellungsschritte und Parameter der Bearbeitungszeiten

Dem schichtweisen Aufbau des Bauteils, dem sogenannten In-Prozess, sind weitere Arbeitsschritte vor- und nachgelagert. Diese lassen sich insbesondere als die Konstruktion, das Pre-Processing und das Post-Processing zusammenfassen [1, 14]. Abb.  2 zeigt die komplette Prozesskette zur Herstellung von Bauteilen mit Hilfe von additiven Fertigungsverfahren der Prozesskategorie LB-PBF-M. Die wichtigsten zur Optimierung genutzten, einstellbaren Parameter des In-Prozesses sind die Laserenergie, die Scangeschwindigkeit, der Hatch-Abstand und die Schichtdicke [16]. Durch deren Einfluss auf die Druckzeit bestimmen sie die Bauteilkosten maßgeblich [15]. Im Hinblick auf die Bauteilkosten sind außerdem die beim In-Prozess anfallenden Zeiten zum Auftragen neuer Pulverschichten hervorzuheben. Die Bauteilhöhe hat damit unmittelbaren Einfluss auf diese Nebenzeiten. Zur Verteilung dieser Beschichtungszeiten auf ein möglichst großes Bauteilvolumen ist die Ausnutzungsrate des Maschinenbauraumes zu maximieren. Die starke zeitliche und damit monetäre Auswirkung der Ausnutzungsrate des Bauraumes durch das Bauteilvolumen zeigt Lindemann [4]. Basierend darauf wird die Ausnutzungsrate [%] definiert als:

( ∑ Supportvolumen

+ ∑ Bauteilvolumen )

 × max . nutzbare Plattformflache  max . Bauteilhohe

Diese sollte maximiert werden, um Nebenzeiten durch den Auftrag neuer Pulverschichten auf ein möglichst großes Bauteilvolumen zu verteilen. Transparent aufgezeigt werden die einzelnen Kostenblöcke des gesamten Herstellungsprozesses additiv gefertigter Bauteile beispielsweise von Rickenbacher [17]. In diesem Modell werden die gesamten Herstellungskosten berechnet durch: Ctot ( Pi ) = CPrep ( Pi ) + C Buildjob ( Pi ) + CSetup ( Pi ) + C Build ( Pi ) + C Removal ( Pi ) + CSubstrate ( Pi ) + CPostp ( Pi )

Konstruktion/ DfAM Erstellung der CADGeometrie (Anwendung AM-Konstruktionsregeln etc.)

Pre-Prozess CAD-Geometrie liegt vor Konvertieren, Positionieren, Nesting, Support, Slicing Datentransfer

In-Prozess

Post-Prozess

Applikation

Bauprozess

Nachbearbeiten

...

Entnehmen

Reinigen

Recyclen

Zusammenbauen

Maschinen Setup Abb. 2  Prozesskette der Additiven Herstellung mit Prozessen der Kategorie „Laserbasiertes Pulverbettschmelzen für Metalle“ (LB-PBF-M) [3, 14, 15]

Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter …

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mit Ctot = gesamte Herstellungskosten Pi = Teil mit iter Geometrie CPrep, CBuildjob, CSetup = Kosten für vorbereitende Tätigkeiten (Pre-Processing/Rüsten etc.) CBuild = Kosten des additiven Aufbaus CRemoval = Kosten für die Entnahme des Bauteils aus der Maschine CSubstrate = Kosten für die Abtrennung des Bauteils von der Bauplatte CPostp = Kosten für den Post-Prozess Ein in seinem Ausmaß oft unterschätzter Prozessschritt ist die Nachbearbeitung (Post-Prozess) additiv gefertigter Bauteile, welcher nach dem schichtweisen Aufbau des Bauteils durchzuführen ist. Anforderungen an u.  a. Maßhaltigkeiten und Oberflächen­ qualität erfordern konventionelle Arbeitsschritte wie beispielsweise das nachträgliche ­Bearbeiten von Kontaktflächen oder das Einbringen von Bohrungen [3]. Dabei sind Wechselwirkungen zwischen den Parametern des In-Prozesses und dem Nachbearbeitungsaufwand zu berücksichtigen, wie beispielsweise der durch die Schichtdicke beeinflusste Treppenstufeneffekt, welcher die Oberflächenqualität (stark) beeinflusst [18, 19].

2.2

Post-Prozess-Nachbearbeitung

Die grundsätzlichen Nachbearbeitungsschritte für mittels LB-PBF-M-Prozessen gefertigte Bauteile lassen sich einteilen in die Kategorien: • • • •

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung Support-Strukturen (Stützstrukturen) entfernen, Geometrische Genauigkeit verbessern, Oberflächenstruktur verbessern [15].

Die Nachbearbeitungsschritte sind abhängig von den Anforderungen an das Bauteil, dem AM-System, also der AM-Maschine, Ausgangswerkstoff und Prozessparameter und den Prozessbedingungen wie bspw. der Orientierung des Bauteils in der Prozesskammer. Die für Einstellung der gewünschten Eigenschaften notwendigen Nachbearbeitungsschritte unterliegen den dabei verwendeten Fertigungsmethoden. Soll das Bauteil nach dem In-Prozess wärmebehandelt werden, um z.  B. prozessbedingte Eigenspannungen abzubauen oder die mechanischen Eigenschaften zu verändern, wird das Bauteil wie gebaut (ohne Pulverrückstände) der Wärmebehandlung zugeführt und erst anschließend von der Bauplattform entfernt. Bauteile aus LB-PBF-M-Prozessen müssen grundsätzlich von Ausgangwerkstoffresten (Pulver) und der Bauplattform getrennt werden. Für die Entfernung von Pulverresten kommen dabei bspw. Rüttel- bzw. Luftstrahleinrichtungen zum Einsatz. Das Abtrennen von der Bauplattform kann z. B. mittels Sägen (wie Bandsägen) oder Drahterodieren erfolgen.

78

L. J. Sawatzki et al.

Die für den In-Prozess gebauten Support-Strukturen, auch als Stützstrukturen bezeichnet, werden im Post-Prozess vom Bauteil entfernt [3]. Dazu können Sägen oder Drahterodiermaschinen, aber auch spanende Verfahren wie Fräsen, Drehen oder Bohren eingesetzt werden. Dünne Support-Strukturen lassen sich je nach Werkstoff per Hand oder mit Hammer und Meißel entfernen. Für die Verbesserung der geometrischen Genauigkeit von z. B. Funktionsflächen sind entsprechende Messverfahren und spanende Verfahren notwendig. Durch die Anbindung von Support-Strukturen auf der Bauteiloberfläche aber auch durch die Schichtbaufertigung und den resultierenden Treppenstufeneffekt entstehen vergleichsweise raue Bauteil­ oberflächen. Abhängig von der Schichtdicke, der Partikelgrößenverteilung des Ausgangswerkstoffs und der Bauteilflächenorientierung sowie den Prozessparametern stellt sich entsprechend eine Oberflächenbeschaffenheit (Oberflächenrauheit) ein. Neben dem Treppenstufeneffekt wird die Oberfläche von Downskin-Flächen, d. h. nach unten geneigten Flächen, auch durch den sog. Balling-Effekt negativ beeinflusst und führt zu einer vergleichsweise hohen Oberflächenrauheit [20]. Weiterhin beeinflusst der Auftragsmechanismus, insbesondere Klingen (Rakeln), aber auch sog. Wischer, die Oberflächen. Die Oberflächenbeschaffenheit von LB-PBF-M-Bauteilen ist zusammenfassend (wie gebaut)1 stark richtungsabhängig. Es wird auch von einer anisotropen Oberflächenbeschaffenheit ­gesprochen. Zur Verbesserung der Oberflächenstruktur können oberflächenbehandelnde und/oder oberflächenbeschichtende Verfahren eingesetzt werden. Die Oberflächenbeschaffenheit kann mit Verfahren wie dem Strahlverfahren (mit Nussschalen, aber auch Schlacke oder Kugeln), Schleifen, Gleitspanen (Gleitschleifen), Elektropolieren, Plasmapolieren oder (bei innenliegenden Oberflächen) Strömungsschleppschleifen (Strömungs­ schleifen) verbessert werden [10, 15, 18]. Um AM-Bauteile untereinander und/oder mit konventionellen Bauteilen zu verbinden, können grundsätzlich Fügeverfahren wie Schweißen, Löten, Kleben und Schrauben verwendet werden. Innen- und Außengewinde müssen (abhängig von den AM-­Prozessgrenzen) im Rahmen des Post-Prozesses geschnitten werden.

2.3

 achbearbeitungsbedingte Anforderungen an N die Konstruktion

Für den Konstruktions- bzw. Design-Prozess sind die zu erwartenden mechanischen Kennwerte, allgemeingültige Gestaltungrichtlinien und die AM-System-spezifischen Prozessgrenzen sowie die Restriktionen des Post-Prozesses maßgeblich. Ohne das Wissen über die systemspezifischen Fertigungsrestriktionen ist der Konstrukteur nicht in der Lage, für das spezifische AM-System (In-Prozess) fertigungsgerechte Bauteile herzustellen. Die spezifischen Gestaltungsrichtlinien sind dabei das Ergebnis von Prozessgrenzen-­Untersuchungen  Wie gebaut bedeutet, dass die Geometrie nach dem In-Prozess lediglich von Pulverrückständen befreit und von der Bauplattform getrennt wird. Die Geometrie wird nicht gestrahlt oder ähnliches. 1

Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter …

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des individuellen AM-Systems. Für die Bestimmung der systemspezifischen Prozessgrenzen bzw. Bestimmung der geometrischen Leistungsfähigkeit von AM-Systemen sind in der Norm DIN EN ISO/ASTM 52902:2018 die Additive Fertigung und auch in der VDI 3405 Blatt 3:2015 für Pulverbettverfahren Methoden und Testkörpergeometrien definiert. Neben den systemspezifischen Restriktionen des In-Prozesses müssen die Fertigungsrestriktionen der jeweils notwendigen Post-Prozessschritte in der Konstruktion von AM-Bau­ teilen berücksichtigt werden (vgl. Abb. 3). Die verschiedenen Post-Prozessschritte können oftmals durch die gezielte Berücksichtigung im Konstruktionsprozess reduziert werden. Zu den Standard-Post-Prozessschritten zählen die Entfernung der für den In-Prozess erstellten Support-Strukturen und das Einstellen der gewünschten geometrischen Genauigkeit von Funktionsflächen und Oberflächenrauheit. Bauteil-Werkstoffabtragende Nachbearbeitungsschritte wie die Oberflächenbehandlung müssen in der Konstruktion mit entsprechenden Aufmaßen berücksichtigt werden, um Bauteilmaßhaltigkeit zu gewährleisten. Weiterhin sind u. a. Werkzeugzugänglichkeit und Möglichkeiten zum Spannen in der Konstruktion zu berücksichtigen. Die zu erwartenden Oberflächenbeschaffenheiten können im Rahmen der Konstruktion berücksichtigt werden, um den Nachbearbeitungsaufwand im Post-Prozess zu reduzieren. Dazu müssen im Rahmen von Voruntersuchungen Testkörper zur Bestimmung der richtungsabhängigen Oberflächenbeschaffenheit gefertigt und untersucht werden. Entsprechend der Norm DIN 65123:2017 für LB-PBF-M-Prozesse und DIN EN ISO 17296-3:2016 kann die Messung der Oberflächenbeschaffenheit nach Methoden der Normenreihe DIN  EN  ISO  25178 flächenhaft, zweidimensional (optisch) und Norm DIN  EN  ISO  4288:1997 (Tastschnittverfahren) eindimensional erfolgen. Die Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit werden üblicherweise nach Norm DIN EN ISO 4287:2010 beschrieben und entsprechend werden die mittlere Rauheit Ra und gemittelte Rautiefe Rz untersucht. Für die Bestimmung der richtungsabhängigen Oberflächenbeschaffenheit können die Testkörper der Norm DIN EN ISO/ASTM 52902:2018 verwendet werden (vgl. Abb. 4).

(In-) Prozessgrenzen

Summe an Fertigungsrestriktionen

Spez. Prozessgrenzen

Post-Prozess-Fertigungsrestriktionen

Abb. 3  Spezifische In-Prozess- und Post-Prozess-Fertigungsrestriktionen von LB-PBF-M-Pro­ zessen

L. J. Sawatzki et al.

80

z y

x

Abb. 4  Testkörper zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit nach Norm DIN EN ISO/ASTM 52902:2018 Tab. 1  Bauteilflächenorientierung zur Bauraumebene und zum Auftragsmechanismus Orientierung der Oberfläche Upskin-/Downskin-­ Fläche

Aufbauwinkel υ/ Überhangwinkel δ 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°

Azimutwinkel∗ 0°∗∗ 45°, 90°∗∗∗ 135°, 180°∗∗∗∗

Unter- suchungen [Summe] 70

Erläuterungen: ∗Orientierung der Oberfläche zum Auftragsmechanismus, ∗∗entgegen Auftragsmechanismus, orthogonal, ∗∗∗parallel zum Auftragsmechanismus, ∗∗∗∗in Auftragsrichtung

Da die Oberflächenbeschaffenheit größtenteils von den Aufbau- bzw. Überhangwinkel-­ Winkeln mit direktem Bezug zum Treppenstufeneffekt und von dem Auftragsmechanismus (-Geometrie und Auftragsrichtung) abhängt, kann die Probenzahl mit Bezug zum Treppenstufeneffekt eingeschränkt (und interpoliert) werden. Die Ausgangswerkstoff-­ Auftragsrichtung sollte aufgrund der Reibkräfte durch den Auftragsmechanismus und den zu erwartenden Einfluss auf die Oberfläche in, gegen und orthogonal zur Auftragsrichtung berücksichtigt werden. Downskin-Flächen mit Überhang-Winkeln von δ ≤45° können aufgrund verschiedener Effekte ab einer bestimmten Länge nur sehr eingeschränkt gefertigt werden, abhängig vom AM-System sind daher ggf. Testkörper mit Überhang-Winkeln von δ ≤ 45° auszusparen. Tab. 1 zeigt die verschiedenen Kombinationen von Aufbau- und Überhangwinkeln (Neigung der Oberfläche zur waagerechten bzw. x-y-Ebene) und der Orientierung zum Auftragsmechanismus. Die Untersuchungen sind gemäß DIN  EN  ISO/ASTM  52902:2018 mit den unterschiedlichen Orientierungen zum Auftragsmechanismus durchzuführen. Für eine grobe Abschätzung kann der Testkörper auch nur orthogonal und parallel zum Auftragsmechanismus positioniert werden.

3

Quantifizierung des Nachbearbeitungsaufwandes

Auf Grund der in Abschn. 2 beschriebenen Restriktionen des LB-PBF-M-Prozesses erfordern bestimmte Konstruktionselemente eine Nachbearbeitung. Aus den vielfältigen Nacharbeitsverfahren sollen im Folgenden Bohrungen mit Gewinde und Funktionsflächen mit entsprechenden Anforderungen an die Oberflächenrauheit exemplarisch näher betrachtet werden. Grundsätzlich ergeben sich verfahrenstypisch die vielfältigen gestalterischen Möglichkeiten bei der Festlegung der Bauteilgeometrie; dies führt zu komplexen Flächen

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und Strukturen von additiv hergestellten Bauteilen. Derartige Konstruktionselemente und komplexe Strukturen erfordern folglich eine Nachbearbeitung (Post-Prozess). Die Grundidee des hier beschriebenen Ansatzes besteht darin, dass den in der Konstruktionsphase festgelegten Formelementen mit erforderlicher Nacharbeit eindeutig ein Nacharbeitsprozess zugeordnet werden kann, für welchen Arbeitszeit und Kosten in ausreichender Genauigkeit vorhergesagt werden können. Bisherige Ansätze zur Zeit- und Kostenermittlung für den Anwendungsbereich der additiven Fertigung fokussieren zumeist auf den In-Prozess und leiten entsprechende Hinweise zur kostenoptimalen Konstruktion ab [21, 22]. Krauss [23] stellt die Kosten der dem In-Prozess vor- und nachgelagerten Arbeitsschritte im Rahmen einer Prozesskostenrechnung dar, verweist aber für die Nachbearbeitungsschritte auf die Notwendigkeit einer Zeitberechnung und führt analytische Berechnungen beispielhaft an. Für andere Einsatzbereiche werden Methoden zur Zeitermittlung mittels künstlicher neuronaler Netze [24] oder Fuzzy Logik [25, 26] beschrieben. Beide Methoden berücksichtigen nicht die spezifischen Bedingungen der additiven Fertigung, können jedoch zur Ergänzung und Weiterentwicklung des hier vorgestellten Konzeptes genutzt werden.

3.1

 orgehensweise zur prospektiven Abschätzung der Nacharbeit V im Konstruktionsprozess

In der rechnergestützten Produktentwicklung und Fertigung werden üblicherweise eine Vielzahl an Features verwendet, um den Herstellungsprozess ab der Konstruktion phasenübergreifend zu beschleunigen, Kosten zu senken und die Qualität zu verbessern. Features wie Konstruktions-Features, auch als Form-Features bezeichnet, bestehen aus Form- bzw. Geometrieelementen und können aus Gruppen von Kontur-, Flächen- oder Grundvolu­ menelementen bestehen, die zu einem bestimmten Zweck wie z. B. Bohrungen kombiniert werden. Zusammen mit zugewiesenen Attributen wie z. B. Werkstoff, Durchmessertoleranz und Bohrungsinnenfläche sowie Semantik wie z. B. Arbeitsfolge (Zentrieren, Vorbohren, Bohren), Werkzeuge (Zentrierbohrer, Vorbohrer, Spiralbohrer) und Werkzeug­ drehzahl kann das Formelement „Bohrung“ als Fertigungs-Feature z.  B. für die CAD-NC-Vorbereitung genutzt werden. Hierbei kann es sich aber auch um explizite Angaben zu z.  B.  Maß-Toleranzen, Oberflächenrauheit (wie Rautiefe Rz) oder Parallelität handeln. Implizit kann dies durch den Bezug zur entsprechenden Normung definiert werden, wie z. B. bei Gewinden. Um die Nacharbeit (Post-Prozess) additiv gefertigter Bauteile im Rahmen des Konstruktionsprozesses besser prospektiv abschätzen zu können, bedarf es weiterer Features, mit denen der Konstrukteur unter Nutzung von speziellen Features die erforderlichen Nacharbeiten aufgezeigt bekommt. Aus der Differenz der im In-Prozess herstellbaren Konturen und den geforderten Konturen bzw. Anforderungen ergeben sich die erforderlichen Nacharbeiten. Zur prospektiven Abschätzung des Nacharbeitsaufwandes zeigt Tab. 2 die Zuweisung der spezifischen Einflussgrößen, aus welchen Arbeitszeiten und Kosten abgeleitet werden können. Jedem Formelement ist hierbei ein Prozessbaustein zugeordnet, welcher den

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82 Tab. 2  Strukturierung Bauteileigenschaften zur Nacharbeitsberechnung Prozessbaustein mit den Formelement Arbeitsschritten des des Bauteils Nacharbeitsprozesses Formelement a Vorgang x Vorgang y Formelement b Vorgang x …

…

Einflussgrößen zur Berechnung der Zeit und der Kosten z. B. Flächengröße, Anzahl, Oberflächenqualität, Komplexität, Zugänglichkeit …

Zeit/Kosten Berechnung über hinterlegte Formeln/ Zeitwerte unter Einbezug der Einflussgrößen …

erforderlichen Nacharbeitsprozess in Form von einer Kombination von einzelnen Arbeitsschritten enthält. Jeder Arbeitsschritt kann einen festen Wert enthalten oder eine Berechnungsvorschrift, welche die Angabe von Einflussgrößen aus Bauteilgeometrie und Werkstoff erfordert. Für jedes Formelement wird im Konstruktionsprozess der entsprechend definierte Nacharbeitsprozess ausgewählt. Die den Formelementen zugeordneten Nacharbeitsprozesse unterliegen einer Varianz hinsichtlich ihrer Ausführung und Dauer. Diese Prozessvarianz lässt sich aus Eigenschaften der Formelemente ableiten. Beispiele für diese Eigenschaften sind z. B. Flächengröße, Bohrungsdurchmesser oder Materialeigenschaften sowie die Prozess- und Arbeitsgestaltung. Die Einflüsse der Prozess- und Arbeitsgestaltung sind von den vorhandenen Fertigungsmöglichkeiten abhängig und somit zumeist anwenderspezifisch. Sie werden mit der Festlegung der jeweiligen Nacharbeitsprozesse definiert. Lediglich für einige Nacharbeitsprozesse mit handgeführten Maschinen und Werkzeugen (z. B. Handschleifgerät) ist es möglich, allgemeingültige Prozesse zu definieren. Da sich alle Einflussgrößen aus der Bauteilgeometrie und dem Werkstoff ergeben, lässt sich der Nacharbeitsaufwand somit bereits in der Konstruktionsphase vorhersagen. Diese Kenntnis kann somit bereits in der Konstruktionsphase zur Optimierung des Bauteils hinsichtlich der erforderlichen Nacharbeit und damit der Herstellkosten genutzt werden. Zu jedem definierten Formelement sind die relevanten Einflussgrößen aus Bauteilgeometrie und Werkstoff zu ermitteln. Die möglichen Einflussgrößen lassen sich zumeist analytisch herleiten. Erforderlichenfalls ist eine Signifikanzanalyse vorzunehmen, wie sie in den Methoden nach REFA [27] zur Arbeitsplanung vorgesehen ist. Grundsätzlich ist die Auswahl der Einflussfaktoren auf solche zu begrenzen, deren Einfluss so groß ist, dass eine Berücksichtigung für die gewünschte Prognosegenauigkeit der Arbeitszeit und der Kosten der Nacharbeit erforderlich ist. Dies begrenzt die Komplexität der zur Prognose notwendigen Datenermittlung und der Berechnung auf das erforderliche Maß. Für viele Nachbearbeitungsprozesse sind die Einflussfaktoren aus der Praxis bekannt. So ist z. B. für die Berechnung der Arbeitszeit für eine Bohrung mit Gewinde die Kenntnis von Bohrungs- und Gewindedurchmesser, Länge und Material notwendig und in der Praxis zumeist ausreichend, um Arbeitszeit und Kosten für die Fertigung an einer bekannten Bearbeitungsmaschine zu berechnen.

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Zeit und Kosten der einzelnen Vorgänge des Nacharbeitsprozesses werden mit den Methoden der Arbeits- und Zeitwirtschaft mit validen Werten hinterlegt. Hierzu eignen sich sowohl die Methode der MTM-Analyse [28] als auch eine Zeitaufnahme nach REFA [27]. Die Methoden nach MTM bieten sich insbesondere bei manuellen Tätigkeiten an und haben den Vorteil, dass kein realer Prozess betrachtet werden muss. Die Zeitaufnahme nach REFA ist geeignet bei Nacharbeitsprozessen, die analytisch nicht berechenbare Prozesszeiten enthalten, wie es bei der Verwendung von handgeführten Werkzeugen der Fall ist.

3.2

Definition von Einflussgrößen

Als eine für den LB-PBF-M-Prozess typische Einflussgröße müssen die zu erwartenden systemspezifischen Oberflächenrauigkeiten dem betrachteten Bauteil zugewiesen werden. Dazu werden die zuvor beschriebenen Testkörper gefertigt und untersucht. Mit Hilfe der Voruntersuchungen und der triangulierten Bauteiloberfläche im STL-Format [15] können den einzelnen Teilflächen eines Bauteils die zu erwartenden Oberflächenrauigkeiten zugeordnet werden. In den Tab. 3 und 4 sind exemplarisch die prozentualen Rautiefen (Rz) der Flächen in Abhängigkeit des Aufbau- und Überhangwinkels sowie des Azimutwinkels (vgl. Abschn. 2) für den Werkstoff DirectMetal 50 (Werkstoff für EOS EOSINT M250-System) gezeigt. Der Eintrag „100 %“ in dem jeweils rechten unteren Feld der Tabellen bezieht sich auf den Rz-Wert 137. Die Werte beziehen sich auf eine Schichtdicke von 50 μm. Die vorhandenen Koordinaten zur Definition der Dreiecksflächen des STL-­Formates stellen die Bezugsflächen dar. Über die dort ebenfalls vorhandenen Normalvektoren werden die Winkel der einzelnen Flächen zur waagerechten Ebene der Bauplatte (x-y-Ebene) und zum Beschichtungsmechanismus bestimmt. Tab. 3  Rautiefen Rz [%] – Aufbauwinkel [29]

Aufbauwinkel Azimutwinkel

0° 90° 180°

0° 109 % 109 % 109 %

15° 117 % 115 % 114 %

30° 120 % 119 % 120 %

45° 129 % 128 % 126 %

60° 119 % 118 % 118 %

75° 112 % 112 % 110 %

90° 104 % 101 % 100 %

Tab. 4  Rautiefen Rz [%] – Überhangwinkel [29]

Überhangwinkel Azimutwinkel

0° 90° 180°

45° 134 % 133 % 130 %

60° 126 % 125 % 120 %

75° 120 % 117 % 115 %

90° 104 % 101 % 100 %

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Dies basiert auf der Berechnungsvorschrift [30]:   n ⋅n cos ϕ =  1 2 n1 ⋅ n2   Wobei φ den Winkel bezeichnet und n1 bzw. n2 die Normalvektoren der entsprechenden zwei Ebenen.

3.3

 xemplarische Quantifizierung des Nacharbeitsaufwandes E anhand eines Demonstratorbauteils

Zur Veranschaulichung ist nachfolgend eine Quantifizierung des Nacharbeitsaufwandes für ein Demonstratorbauteil gegeben, wobei eine detaillierte Betrachtung lediglich für ausgewählte Bearbeitungsschritte durchgeführt wurde. Der als Demonstratorbauteil gewählte Fahrradvorbau dient als Verbindungsstück zur Befestigung des Lenkrades am Gabelschaft. Hierbei handelt es sich um ein für das additive Fertigungsverfahren LB-PBF-M und in Anlehnung an entsprechende Prüfnormen optimiertes Bauteil. Da insbesondere im Radrennsport eine Gewichtsreduktion des ­ ­Fahr­rades angestrebt wird, kann u.  a. die Möglichkeit zur Strukturoptimierung (auch Topologieoptimierung) bei der Konstruktion für die Additive Fertigung Vorteile bringen [12]. Abb. 5 zeigt links einen konventionellen Fahrradvorbau. Zu erkennen sind die für die Klemmverbindung an Schaft und Lenkrad vorgesehenen Bereiche des Bauteils, welche mittels Schraubverbindungen realisiert werden. Abb. 5 rechts zeigt das rekonstruierte, für das additive Fertigungsverfahren LB-PBF-M optimierte Bauteil in der Orientierung, in der es auf der AM-Maschine hergestellt werden kann [32]. Zu erkennen sind außerdem die notwendigen Stützstrukturen. Das untere

Abb. 5  Fahrradvorbau konventionell (links) [31] und optimiert für AM (rechts) [32]

Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter …

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­ lement zum Schließen der Klemmverbindung ist nicht Teil des Bauprozesses und muss E in einem späteren Fügeprozessschritt (vgl. Abschn. 2) angeschraubt werden. Das Demonstratorbauteil ist nach dem In-Prozess noch nicht einsetzbar; es sind diverse Nachbearbeitungsschritte erforderlich, welche in Tab. 5 aufgeführt sind. In Abhängigkeit der Anforderungen kann eine Wärmebehandlung vor den aufgeführten Arbeitsschritten notwendig sein. In der Ausgangssituation liegt das Bauteil am Nacharbeitsplatz bereit. Der Bearbeitungsvorgang 0090 „Flächen glätten“ ist typisch für AM-­Nach­arbeits­ prozesse und wird daher im Folgenden detailliert dargestellt und der Einfluss verfahrensspezifischer Kenngrößen wird aufgezeigt. Betrachtung des Bearbeitungsvorgangs „Fläche glätten“ Einen Überblick über Einflussgrößen dieses Arbeitsvorgangs verschafft Tab.  6. Für das Glätten einer Fläche ist ein Nacharbeitsprozess erforderlich, welcher in einem detaillierten Arbeitsplan dargestellt werden kann. Ein möglicher Arbeitsablauf ist in Tab. 7 dargestellt. Grundsätzlich ist dieser Arbeitsablauf abhängig von den Rahmenbedingungen des Herstellers und somit anwenderspezifisch. Der dargestellte Ablauf muss somit als typisches Beispiel verstanden werden.

Tab. 5  Die Nacharbeitsvorgänge des Demonstratorbauteils Idf.Nr. 0010 0020 0030 0040 0050

Arbeitsplatz Strahlkabine Säge Säge Säge Bohrmaschine

0060 0070 0080 0090 0100 0110 0120

Bohrmaschine Bohrmaschine Schleifplatz Schleifplatz Schleifplatz Prüfplatz Reinigung

Arbeitsvorgang Strahlen gesamtes Bauteil (Reinigen) Abtrennen Bauplattform Abtrennen Stützen Abtrennen restlicher Support Bohren & Gewinde schneiden Spannschraubenbohrungen Bohren & Gewinde schneiden Support Bohren großer Durchmesser Kanten Fenster schleifen Flächen glätten Spannflächen glätten Prüfen Reinigen

Formelement immer je Bauteil Trennstelle Stütze Trennstelle Stütze Trennstelle Stütze Bohrung mit Gewinde Bohrung mit Gewinde Bohrung mit Gewinde Kante zu glätten Fläche zu glätten Fläche zu glättem immer je Bauteil immer je Bauteil

Tab. 6  Beispiel Arbeitsvorgang für Konstruktionselemente Konstruktionselement Arbeitsvorgang Funktionsfläche Fläche glätten mit handgeführtem Schleifwerkzeug

Einflussgrößen • Größe Fläche (cm2) • Material • Glättungskennzahl • Komplexität Fläche • Zugänglichkeit Fläche.

Zeit/Kosten Berechnung über hinterlegte Formeln/ Zeit- werte unter Einbezug der Einflussgrößen

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86 Tab. 7  Prozessbaustein des Vorgangs „Fläche glätten“ Arbeitsschritte 0010 0020 0030 0040 0050 0060 0070

Beschreibung Bauteil in die Hand nehmen Schleif-Werkzeug nehmen, starten und an Startpunkt positionieren Schleifen je cm2 je 5 cm2 prüfen (Werkzeug absetzen, ansehen, neu positionieren) Schleif-Werkzeug stoppen, ablegen geschliffene Oberfläche sichtprüfen Bauteil ablegen

Der gesamte Arbeitsablauf für die Nacharbeit „Fläche glätten“ kann als Prozess­ baustein bezeichnet werden, da er zusammen mit anderen Prozessbausteinen, welche die Nacharbeit für andere Formelemente beschreiben, zum gesamten Nacharbeitsprozess eines Bauteiles zusammengesetzt werden kann. Der im Prozessbaustein „Fläche glätten“ hinterlegte Arbeitsablauf setzt sich aus einzelnen Arbeitsschritten zusammen. Unter diesen einzelnen Arbeitsschritten gibt es solche, die in ihrem Arbeitsaufwand invariant sind (z. B. der Arbeitsschritt „Bauteil ablegen“). Diese sind somit hinsichtlich der erforderlichen Arbeitszeit und der entstehenden Kosten mit festen Werten hinterlegt. Die Prozessvarianz eines Prozessbausteines ergibt sich aus den variablen Arbeitsschritten. Deren hinterlegte Arbeitszeit und Kosten sind abhängig von den zuvor definierten Einflussgrößen des Formelementes (siehe Tab. 6). Zur Berücksichtigung der Einflussgrößen ist diesen Arbeitsschritten kein fester Wert für Arbeitszeit und Kosten, sondern eine Planzeit- und Plankostenformel hinterlegt. Für den hier beispielhaft beschriebenen Prozessbaustein „Fläche glätten“ ergibt sich die Prozessvarianz insbesondere aus dem Arbeitsschritt 0030 „Schleifen je cm2“. In die hinterlegte Berechnungsformel gehen die in Tab. 6 dargestellten Einflussgrößen ein. Als allgemeine Planzeitformel ergibt sich folglich:

(

)

T0030 = f A,WK ,AB,∆ vertex ,∆ Rz

mit A = Fläche in cm2 WK = Werkstoffeigenschaften AB = geringster Abstand zu umliegenden Flächen (schwere Zugänglichkeit) ∆vertex = Abweichungen der Dreieckskoordinaten von angenäherter Fläche (Komplexität) ∆ Rz = Glättungskennzahl Speziell für die Anwendung in der Laborumgebung ergibt sich:

T0030 [ sec ] = 0, 29 [ sec ] ∗ A ∗ WK ∗ AB ∗ ∆ vertex ∗ ∆ Rz

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Die Konstante dieser Planzeitformel ist 0,29 [sec], alle weiteren Faktoren sind dimensionslos. „A“ beschreibt die Größe der zu glättenden Fläche als Vielfaches von 1 cm2. „WK“ beschreibt den Kehrwert des Materialabtrags beim Schleifen als Vielfaches des verwendeten Werkstoffs. Beiden Faktoren „A“ und „WK“ liegt die Annahme zugrunde, dass eine doppelt so große Fläche oder eine halb so große Materialabtragsrate jeweils zu einer Verdoppelung der Arbeitszeit führt. Die Faktoren „AB“ und „∆vertex“ beschreiben mit „AB“ den Abstand der zu glättenden Fläche zu anderen Flächen und damit die Zugänglichkeit und mit „∆vertex“ die Abweichung der zu glättenden Fläche von einer Ebene und damit die Komplexität der Fläche. Zur Bildung dieser wird durch die Koordinatenpunkte der Triangulation eine ebene Fläche angenähert und die Abweichungen der Koordinatenpunkte von dieser gemessen. Hierzu wird für die durch den Konstrukteur ausgewählten Fläche eine Ausgleichsebene anhand der Koordinatenpunkte der Triangulation berechnet und der größte Abstand eines Koordinatenpunktes ermittelt. Dieser wird ins Verhältnis zur Erschwernis der Arbeit des Schleifens gesetzt. Diese Erschwernis ist werkzeug- und ­prozessabhängig. Für das betrachtete Demonstratorbauteil wurde der Faktor im Wertebereich von 1 bis 2 definiert, wobei 1 eine glatte Ebene repräsentiert und für einen größten Abstand von 10 mm der Faktor linear auf bis zu 2 steigt. Dies entspricht folglich einer Verdoppelung des Schleifaufwandes für die gebogenen Flächen des Demonstratorbauteils, darüber hinaus gehende Abstände der Koordinatenpunkte von der Ausgleichsebene und die damit einhergehende Steigerung des Schleifaufwandes sind in weiteren Zeitstudien zu ermitteln. Beide Faktoren AB und ∆vertex haben Einfluss auf die Schwierigkeit der Arbeitsausführung und führen bei geringen Abständen gegenüberliegender Flächen und einer hohen Komplexität der zu glättenden Fläche zu einer steigenden Arbeitszeit. Die konkrete Bildung des Wertes der Faktoren ist auf der Grundlage zeitwirtschaftlich ermittelter Werte statistisch zu bestimmen [33]. Die Glättungskennzahl ∆ R2 beschreibt die Differenz der beim Drucken erzeugten Oberflächenrautiefe zur gewünschten Rautiefe; sie wird somit als die Differenz der berechneten Ist-Rz-Werte und der Soll-Rz-Werte gebildet. Die Ermittlung von LB-PBF-M-spezifischen Oberflächenrauigkeiten sowie die Berechnungen zur Zuweisung dieser zu den Flächen des STL-Formates wurden bereits in Abschn. 2 und 3.2 erläutert. Durch Zuweisung entsprechender Ist-Rz-Werte und Soll-Rz-Werte zu den Dreiecksflächen des STL-Formates kann somit die Fläche eines Formelementes im Hinblick auf den Bearbeitungsbedarf beurteilt werden. Für das betrachtete Demonstratorbauteil ergibt sich ein Schleif­ aufwand von 57 [min], wenn die gesamte später im Betrieb sichtbare Außenfläche geschliffen werden soll. Die Faktoren haben in diesem konkreten Fall die folgenden Werte: A: 350 (zu schleifende Fläche) WK: 1 (Abtragrate entspricht dem Referenzwerkstoff) AB: 1 (Zugänglichkeit) ∆vertex: Werte zwischen 1 und 1,5 je nach Teilfläche; gewichteter Durchschnitt: 1,21 (Ebenheit der Fläche) ∆Rz: Werte zwischen 21,8 und 32,1, je nach Teilfläche; gewichteter Durchschnitt: 27,7 (Rautiefe)

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Die Zeit von 57 [min] beträgt ca. 14,5 % der In-Prozesszeit2 für das Demonstratorbauteil. Die hier beispielhaft berechnete Prozesszeit ist für weitere Nacharbeitsschritte (vgl. Tab. 5) entsprechend zu ermitteln; die Summe aller Nacharbeitszeiten nimmt bei additiv gefertigten Bauteilen oftmals eine im Vergleich zur In-Prozess-Zeit relevante Größenordnung an. Betrachtung des Bearbeitungsvorgangs „Bohrungen mit Gewinde herstellen“ Der Nacharbeitsprozess des Bohrens und Gewindeschneidens ist im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Glätten ein maschineller Prozess. Hierbei ergibt sich die Varianz nicht allein aus Umfang und Art der Nacharbeit, sondern es müssen Maschinen- und Verfahrenstechnische Randbedingungen berücksichtigt werden. Daher kommen zu den Einflussgrößen der Bohrungen (Anzahl, Durchmesser, Länge) und dem Material auch solche Einflussgrößen hinzu, welche den Prozessablauf der maschinellen Bearbeitung bestimmen. Dies sind im hier betrachteten Fall die Anzahl unterschiedlicher Durchmesser/Gewindegrößen und die Anzahl unterschiedlicher Orientierungen der Bohrungen (siehe Tab. 8). Die Anzahl unterschiedlicher Orientierungen lässt den Schluss auf die Anzahl erforderlicher Umspannvorgänge zu. Die Anzahl unterschiedlicher Durchmesser/Gewindegrößen (in einer Orientierung) lässt einen Schluss auf die Anzahl der erforderlichen Werkzeugwechsel zu. Der Prozessbaustein „Bohrungen mit Gewinde herstellen“ erhält seine Varianz folglich nicht nur aus einer Planzeitformel eines Arbeitsabschnittes, sondern aus einem variablen Arbeitsablauf und damit einer veränderlichen Kombination der Arbeitsschritte. Da die chronologische Abfolge der Arbeitsschritte des Nacharbeitsprozesses für die reine Berechnung der Arbeitszeit und der Kosten nicht von Interesse ist, lässt sich hier der gesamte Prozessbaustein in einer Planzeitformel zusammenfassen, wobei Umspannen und Werkzeugwechsel mit einem Häufigkeitsfaktor eingehen. Die Komplexität dieser Berechnung ist höher als bei dem Beispiel des „Fläche Glättens“, da die Häufigkeit und Kombination der Arbeitsschritte variiert. Denkbar sind weiterhin Wechselwirkungen zwischen Arbeitsschritten innerhalb eines Prozessbausteines und auch Wechselwirkungen zwischen Prozessbausteinen, z. B. wenn bestimmte Bearbeitungen Tab. 8  Beispiel Arbeitsvorgang für Formelement Formelement Bohrungen mit Gewinde

Prozessbaustein Bohrungen mit Gewinde herstellen

Einflussgrößen • Anzahl Bohrungen • Bohrungsdurchmesser 1 bis n • Bohrungslänge 1 bis n • Material • Anzahl unterschiedliche Durchmesser • Anzahl unterschiedliche Orientierungen.

 Referenzierte In-Prozess-Zeit beträgt 78 h und basiert auf dem Konzept der parallelen Fertigung von 12 Demonstratorbauteilen zur Bauraumausnutzung, womit die anteilige Bauzeit pro Bauteil 6,5 h beträgt. 2

Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter …

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sich ausschließen oder aufeinander aufbauen. Hier ist schnell die in der Praxis beherrschbare Komplexität erreicht bzw. überschritten, so dass diese Abhängigkeiten durch eine entsprechende Gestaltung der in den Prozessbausteinen hinterlegten Nacharbeitsinhalte und damit der abgebildeten Prozessvarianz vermieden werden muss. Anhand der exemplarisch beschriebenen Prozessbausteine „Fläche glätten“ und „Bohrung mit Gewinde herstellen“ konnte gezeigt werden, wie Nacharbeitszeiten bereits in der Konstruktionsphase vorherberechnet werden können. Ein entsprechendes Vorgehen zur Bildung von Prozessbausteinen kann für alle in Tab.  5 genannten Nacharbeitsprozesse durchgeführt werden.

4

Zusammenfassung und Ausblick

Es wurde exemplarisch gezeigt, inwiefern sich Charakteristika von Formelementen der Konstruktion auf die Bearbeitungszeiten nachgelagerter Arbeitsschritte auswirken. Die hiermit gezeigte Vorgehensweise zur Berücksichtigung des Nacharbeitsaufwandes bei der Konstruktion bietet die Möglichkeit prospektiver Arbeitszeit- und damit Kostenabschätzung auch über den In-Prozess hinaus. Die Berücksichtigung verfahrensspezifischer Einflussgrößen und die dafür relevante Definition von Formelementen wurden theoretisch und exemplarisch anhand eines Demonstratorbauteils erläutert. Das Ziel der Berechnung der zeitlichen und daraus abgeleiteten monetären Auswirkung wurde unter Verwendung von REFA-Methoden realisiert. In der Literatur bestehende Kostenmodelle mit entsprechenden Schwerpunkten auf spezielle Kostenaspekte können durch die Methodik der vorliegenden Arbeit ergänzt werden. Durch Anwendung z.  B. parametrischer Kostenmodelle zur Berechnung insbesondere der Druckzeit [3, 15] können Wechselwirkungen zwischen Kosten des In-Prozesses und des Post-Prozesses hergestellt werden. Dazu können Parameter entsprechend variiert und deren Auswirkungen auf die Durchlaufzeitanteile ermittelt werden; diese Kenntnisse können bereits bei der Konstruktion zur Optimierung genutzt werden. Eine vergleichende Analyse zu bestehenden Kostenbetrachtungen und deren Schwerpunkten zeigen z. B. [5] und [34]. Die in dieser Arbeit erläuterte Vorgehensweise zur Berechnung des Post-­ Prozesses sowie deren Optimierung durch entsprechende Berücksichtigung in der Kon­ struktion deckt damit nur einen Teil der Kostenoptimierung additiv gefertigter Bauteile ab und ist mit weiteren Kostenbetrachtungen zu verknüpfen.

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Ermittlung und Optimierung der Durchlaufzeit-Anteile der AM-Prozesskette unter …

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Lastangepasste Generierung von irregulären Gitterstrukturen auf Basis von Voronoi-Diagrammen Stefan Holtzhausen, Michael Birke, Peter Koch, Rico Blei, Ralph Stelzer und Maik Gude

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Lastabhängige Erzeugung von Voronoi-Gitterstrukturen  3  Anwendungsbeispiel  4  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

   94    96    100    101  103

Zusammenfassung

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 S. Holtzhausen (*) · P. Koch · R. Stelzer Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, TU Dresden, Dresden, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; ralph.stelzer@tu-­dresden.de M. Birke · R. Blei · M. Gude Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden, Dresden, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_7

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S. Holtzhausen et al.

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 inte­ grieren lassen, da die Erzeugung ohne offene Steg-Enden möglich ist.

Schlüsselwörter

Gittergenerierung · Voronio-Diagramme · Lastangepasste Gitterstrukturen · PoissonDisk-Sampling · Dichteverteilung

1

Einleitung

Die hohe Designfreiheit bei der Konstruktion von Bauteilen, welche durch die additive Fertigung hergestellt werden, ermöglicht es ein hohes Maß an lastabhängiger Optimierung. Bekannt sind Verfahren zur Strukturoptimierung, bei denen durch eine lastabhängige Optimierung Bauteilebereiche iterativ weggelassen werden. Es entstehen Bauteile mit hohem Leichtbaucharakter welche i. d. R. ein bionisches Aussehen erhalten (vgl. Abb. 1) [1–3]. Im Ergebnis dieser Methode stehen in der Regel Geometriemodelle auf Basis diskreter Geometriedaten (z. B. Dreiecksnetze). Diese Modelle sind i. d. R. nicht konsistent und weisen unter Umständen auch lose Geometriebereiche auf. Das macht nachträglich ein Neudesign des Bauteils unter Verwendung der bestehenden Berechnungsergebnisse notwendig. Insbesondere bei komplexen Geometrien ist diese Variante sehr zeitintensiv. In der Vorbereitung zur Fertigung müssen anschließend Supportstrukturen ergänzt werden um den schichtweisen Aufbau des Bauteils zu ermöglichen. Dieser Support muss im Anschluss durch meist manuelle Arbeit mechanisch entfernt werden. Bei additiv hergestellten Bauteilen ist die Verwendung von Gitterstrukturen eine Möglichkeit, Strukturen leichter zu bauen. Dabei werden in definierten Bereichen eines ­Bauteils Gitter erzeugt, welche das Vollmaterial ersetzen. Häufig werden dazu regelmäßige Strukturen verwendet, welche sich durch Kopieren einer Einheitszelle zum Auffüllen des Bereiches Abb. 1  Bionisches Aussehen nach einer Strukturoptimierung am Beispiel eines Trägers (Braket) [1]

Lastangepasste Generierung von irregulären Gitterstrukturen auf Basis …

95

erzeugen lassen. Die bekanntesten Einheitszellen basieren auf einer kubischen Grundstruktur und unterscheiden sich in der Verwendung von Streben. Abb. 2 zeigt gängige Typen, welche sich in der Verwendung von Diagonalen und Balken in Baurichtung unterscheiden. Die Berechnung und Auslegung solcher regelmäßigen Gitterstrukturen ist Gegenstand der Forschung [5–7]. Nachteil dieser Strukturen ist, dass die Parametrisierung nur über die Stabstärke und einer uniformen Zellgröße erfolgt. Eine belastungsabhängige Gradierung des Gitters durch angepasste Stabstärken oder durch gradierte Veränderung der Zellgröße ist nur bedingt möglich. Die Erhöhung der Stabstärke innerhalb einer Zelle endet mit dem kompletten Ausfüllen dieser Zellen. Die Anpassung von Zellgrößen kann durch Weglassen einzelner Zellen geschehen, wobei dabei Gitterknoten mit inkonsistenter Mannigfaltigkeit (z. B. offene Enden) entstehen. Auch ist die Verformung von Einheitszellen möglich, jedoch auch nur in begrenzten Wertebereichen um eine annähernd homogene Zellform zu erhalten. Neben regelmäßigen Gittern sind auch formfolgende Gitter möglich. Wobei auch dort das Anwendungsfeld auf wenige Bereiche begrenzt ist (z. B. Gitter in Wandbereichen einer Freiformfläche). Eine Alternative bieten irreguläre Gitter. Diese basieren nicht auf einer Einheitszelle, sondern weisen eine frei definierbare Gitter-Topologie auf. Am mathematisch einfachsten ist die Verwendung von Tetraedern. Diese lassen sich nahtlos an bestehende Tetraeder anpassen und erlauben auch die gezielte Anpassung der Elementgröße. Jedoch ist die Form, welche unter Umständen zu sehr spitzen Winkeln in Eckpunkten neigt nicht immer gewollt. Man spricht hier von einer Degenerierung von Zellformen, also einer Abweichung einer angestrebten Form. Eine andere Erzeugung ist durch die Verwendung von sog. Voronoi-Strukturen möglich. Diese Strukturen basieren auf dem Ansatz, dass der Raum um die vorher definierten Saatpunkte derart geteilt wird, dass zu einer Voronoi-Zelle alle Positionen gehören, die dem Saatpunkt am nächsten sind [8]. Durch gezielte Einstellung der Saatpunkte lassen sich Gitter generieren die lokal unterschiedliche Zellgrößen aufweisen. Damit lassen sich gezielt Steifigkeiten im Modell anpassen [9]. Ziel dieses Beitrages ist es, die Erzeugung von Gitterstrukturen und deren lokalen Zellgrößen anhand von Lastfeldern zu ermöglichen. Für die Gittertopologie kommen Voronoi-­ Strukturen zum Einsatz, wobei die Saatpunkte und deren gleichmäßige Verteilung auf Basis einer adaptiven Poisson-Verteilung erfolgt. Als Maß der angestrebten lokalen Zellgröße soll die lokal auftretende Belastung (Pseudo-Dichte) verwendet werden.

Abb. 2  Einheitszelltypen nach [4]

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S. Holtzhausen et al.

2

Lastabhängige Erzeugung von Voronoi-Gitterstrukturen

2.1

Poisson-Disk-Sampling zur Saatpunkterzeugung

Die Erzeugung von Saatpunkten kann gleichverteilt erfolgen. Dabei hat jeder Ort die gleiche Wahrscheinlichkeit einen Saatpunkt zu erzeugen. Durch Variation der Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung eines Punktes kann diese Wahrscheinlichkeit von Ort zu Ort variieren. Nachteilig ist, dass diese Ereignisse (der Saatpunkterzeugung) voneinander unabhängig sind, und somit degenerierte Zellen entstehen können (Abb. 3 Links). Basiert die Erzeugung auf einer Poisson-Verteilung, treten Ereignisse in Abhängigkeit anderer Ereignisse auf (Abb. 3 Mitte und Rechts). Dabei folgt einem Saatpunkt in seiner unmittelbaren Nähe erst dann ein Saatpunkt, wenn ein angegebener, lokal abhängiger Abstand eingehalten wurde. Die lokal zulässigen Abstände können in einem Bauraum definiert und in Form dreidimensionaler Feldern beschrieben werden. Somit ist jedem Ort ein Punktabstand, und damit die spätere Zellgröße zugeordnet.

2.2

Voronoi-Diagramme

Unter Verwendung der erzeugten Saatpunkte lässt sich ein Voronoi-Diagramm erstellen. Dabei werden ausgehend von den Saatpunkten Voronoi-Regionen (Zellen) definiert, die nur durch benachbarte Regionen in ihrer Größe beschränkt sind. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass zur Voronoi-Region eines Saatpunktes all jene Bereiche des Raumes gehören, die sich näher an diesem Saatpunkt als an einem anderen befinden. Entsprechend teilt die Grenzfläche zwischen zwei Voronoi-Regionen die Strecke zwischen den beiden Saatpunkten exakt in der Mitte. Da die Voronoi-Regionen sich gegenseitig begrenzen, hängt die Form der Regionen ausschließlich von der relativen Lage der Saatpunkte zueinander ab. Beispielsweise sind bei den Voronoi-Diagrammen in Abb. 4 bei zufälliger Punktverteilung (links) die Zellen geometrisch sehr heterogen während bei einer gleichmäßigen Verteilung (mittig) die Zellen homogener werden. Aus einer regelmäßiger Anordnung der Punkte würden entsprechend regelmäßige Zellen entstehen. Die Größe der Zellen ist hauptsächlich von der

Abb. 3 unterschiedliche Saatpunktverteilungen. Links: gleichverteilt, Mitte: poisson-verteilt, Rechts: gradierte Poisson-Verteilung

Lastangepasste Generierung von irregulären Gitterstrukturen auf Basis …

97

Abb. 4  Voronoi-Diagramme aus den Saatpunkten von Abb. 3

Dichte der Saatpunkte abhängig (Abb. 4 links). Für die Erzeugung dieser Voronoi-Diagramme sind in der Literatur verschiedene Verfahren beschrieben. Hier sind vor allem die Arbeiten von Fortune und von Liebling zu nennen [10, 11].

2.3

Berechnung der Dichteverteilung

Grundlage zur Erzeugungen einer lastabhängigen Dichteverteilung ist eine Topologieoptimierung in denen Pseudodichten angewendet werden, wie z. B. die SIMP-Methode (Solid Isotropic Material with Penalization, vgl. [12]). Der vorgegebene Bauraum wird in nicht zu optimierende Bereiche und dem zu optimierenden Designbereich unterteilt:

Dabei werden in einem vernetzten FE-Modell des Designraumes jedem Element i eine Pseudodichte ρi zugewiesen. Als Faktor vor dem E-Modul werden damit die Eigenschaften reduziert. Da in herkömmlichen Topologieoptimierungen definierte Strukturbereiche gewünscht sind, also Bereiche mit Vollmaterial (ρ = 1) und ohne Material (ρ = 0) wird der Einfluss der Dichte auf die jeweiligen Steifigkeiten der Elemente mit einem Exponenten p bestraft, meistens im Bereich von 2 bis 3:

Ei∗ = ρip Ei (1)

Mit einer analogen Verringerung der Elementmassen mi führt das in Optimierungen, wie z.  B. die Maximierung der Steifigkeit unter Einbehaltung einer Gesamtmasse der Struktur, zur Vermeidung von Bereichen mit intermediären Pseudodichten, da dabei der E-Modul überproportional stärker reduziert wird als die Masse des jeweiligen Elementes.

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S. Holtzhausen et al.

Die Herausbildung solcher Elemente ist dadurch nicht mehr lohnend im Zuge einer Optimierung. mi∗ = mi Ei (2)



Der Einsatz gradierter Strukturen ermöglicht jedoch auch das Abbilden intermediärer Pseudodichten in einem realen Bauteil, wodurch Optimierungen ohne Bestrafung umsetzbar sind (p = 1) (Abb. 5).

2.4

Design und Erzeugung

Für die Integration von lastangepassten Voronoi-Gitterstrukturen in Bauteile ist in Tab. 1 dargestellt. Ausgangspunkt ist die Konstruktion der Hüllgeometrie (a.). Diese beschreibt die gesamte finale Außengeometrie des angestrebten Bauteils. Darauf aufbauend werden die Bereiche für die spätere Gitterstruktur (b., grün – Bereich für Gitter, rot – solider Bereich) definiert. Als solide Bereiche werden Regionen im Bauteil bezeichnet, welche vollausgefüllt werden. Die übrigen Bereiche werden nicht verändert und stellen später vollausgefüllte Volumenbereiche ohne Gitterstrukturen dar. Dabei ist insbesondere auf Funktionsflächen und Anbindungselemente zu achten, um die spätere Funktion des Bauteiles erfüllen zu können. Diese so definierten Bereiche werden auch in der Strukturoptimierung als Design-­ Bereiche (siehe Oben) übernommen. Mit der Definition der Bauteillasten und aller Randbedingung wird folgend die Pseudodichte berechnet (c.). Dazu sind entsprechend die Kennwerte des zu verwendeten Materials zu verwenden. Die Ergebnisse der Strukturoptimierung werden in ein gerastertes Datenformat (Voxelfeld) überführt womit die Pseudodichte ortsdiskret beschrieben ist. Dabei wird jedem ­Voxel neben der Voxelgröße auch eine Position sowie eine normierte Intensität, äquivalent Abb. 5 Topologieoptimierung eines MBB-Trägers: (oben) Randbedingungen, (mitte) Ergebnis mit p = 3, (unten) Ergebnis mit p = 1

Lastangepasste Generierung von irregulären Gitterstrukturen auf Basis …

99

Tab. 1  Ablauf der Gittererzeugung auf Basis einer Strukturoptimierung

a. Hüllkonstruktion des Bauteils

b. Festlegung von Design-Bereichen für die Gitterintegration

c. Lastdefinition und Strukturoptimierung

d. Umrechnung der Pseudodichte in Steuerungsfeld zur Saatpunkterzeugung

e. Saatpunkterzeugung auf Basis lokaler Mindestabstände

f. Voronoi-Topologie-Erzeugung

zum gegebenen Dichte-Wert zugeordnet. Zur anschaulichen Darstellung ist das Dichtefeld im Schnitt als Graustufenbild dargestellt (d.). Die Intensitäten des Dichtefeldes werden über eine, vom Nutzer definierte Umrechnungsmethode, in lokale Zellgrößen umgerechnet. Damit werden unter Verwendung des Poisson-Disk-Sampling-Verfahrens die Saatpunkte berechnet (e.). Die Abstände der Saatpunkte entsprechen dabei dem zweifachen Wert der lokalen Zellgröße. Zusätzlich lässt sich der Abstandswert noch über einen zufälligen Anteil variieren (z. B. Gauss-Verteilung mit definierter Standardabweichung). Es folgt die Erzeugung des Voronoi-Diagramms und

100

S. Holtzhausen et al.

damit die Beschreibung der Gittertopologie (f.). Die Topologie wird über Knotenpunkte und Verbindungsstäben und einer zugehörigen Dimension (Zylindrische Stäbe – Durchmesser) beschrieben. Dabei sind prinzipiell verschiedene Stabgeometrien denkbar. Im Anschluss erfolgt die Berechnung der finalen Geometrie des Bauteils mit allen Gitterstrukturen. In der Regel sind diese Strukturen nicht in einer parametrischen CAD-­ Umgebung umsetzbar und erfordern eine diskrete Geometriebeschreibung. Dies ist prinzipiell auf Basis sog. Dreiecksnetze möglich. Jedoch muss auch hier, aufgrund der unter Umständen auftretender großer Datenmengen ein bestimmter Diskretisierungsfehler in Kauf genommen werden. Ferner sind die Verschneidungsoperationen einzelner Dreiecksnetze (Boolesche Operationen – Zusammenfügen aller Stäbe, Knoten und soliden Bereiche zu einem konsistenten Netz) rechenaufwendig und vor allem, durch numerische Ungenauigkeiten, fehleranfällig und erfordern unter Umständen Nacharbeit (bspw. Dreiecksnetzreparturen, Korrektur von Normalen, Korrektur von Mehrfach-­Mannigfaltigkeiten). Eine Alternative stellen diskrete Daten auf Basis von Distance-Field-Modellen dar. Diese Voxelmodelle erlauben die Beschreibung einer Oberfläche in einer höheren Diskretisierungsgenauigkeit. Anstatt einen Voxel mit der Information auszustatten, ob er innerhalb oder außerhalb eines Objektes liegt, wird der euklidische Abstand zur Oberfläche gespeichert. Des Weiteren wird bestimmt, ob die Voxelkoordinate sich innerhalb des Objektes befindet. Liegt sie im Inneren, wird der Abstand als negativer Wert genommen. Es entsteht ein sogenanntes Signed Distance Field [13]. Die oben beschriebenen booleschen Operationen werden durch voxelweises Vergleichen zweier Voxeldatensätze bestimmt. Es gilt für die Vereinigung zweier Objekte: ­dist(A  ∪  B)  =    max  (dist(A), dist(B)), für die Differenz: dist(A  −  B)  =    min  (dist(A),  −dist(B)) und für die Schnittmenge gilt: dist(A ∩ B) =  min (dist(A), dist(B)). Ein weiterer Vorteil dieser Distanzfelder ist die Berechnung von Oberflächen-Offsets. Dabei werden lediglich die skalaren Voxelintensitäten um die angegebene Distanz verrechnet. Eine Umwandlung zu Isoflächenmodellen (bspw. Dreiecknetzen) ist problemlos mit bekannten Verfahren wie dem Marching Cubes Algorithmus möglich. Dazu lassen sich Punkte auf der Oberfläche durch trilineare Interpolation der Werte aus dem Signed Distance Field beim Nulldurchgang berechnen. Auch das direkte Ausleiten von Fertigungsdaten für die generative Fertigung (z. B. Belichtungsbilder, Slice-Daten) ist direkt möglich [14–16].

3

Anwendungsbeispiel

Als Anwendungsbeispiel soll eine Fahrradpedale dienen, welche bereits am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden einer Strukturoptimierung unterzogen wurde (vgl. Abb. 6). Gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise wurde die Hüllgeometrie, sowie die Bereiche für spätere solide Bereiche festgelegt. Abb. 7 zeigt die entsprechenden Modelle. Die soliden Bereiche beinhalten vor allem Kanten und Trittflächen. Aber auch die Lagerungszylinder sind durch eine Wand (1.5 mm) ausgeformt.

Lastangepasste Generierung von irregulären Gitterstrukturen auf Basis …

101

Abb. 6  Strukturoptimierung der Pedale

Abb. 7  Hüllgeometrie, Solider Bereich, Gitter-und solider Bereich

Parallel dazu werden die Daten aus der Strukturoptimierung in das normierte Dichtefeld umgerechnet. Für jeden Dichtewert kann über eine lineare Mapping-Funktion (3) der lokale Radius und damit die Zellgröße festgelegt werden. Dabei gilt, dass bei großen Pseudo-­Dichte-Werten sehr kleine Zellen erzeugt werden (quasi solider Bereich).

radius = map ( density , 0 ,1, maxRadius, minRadius )

(3)

Im dargestellten Beispiel sind die Werte für minimalen und maximalen Radius bei 0001 und 10  mm. Es erfolgt die Generierung der Saatpunkte gemäß Poisson-Disk-Sampling (Abb. 8 Mitte) und die daraus resultierende Voronoi-Gittertopologie (Abb. 8 Rechts). Mit den Modellen der soliden Bereiche, der Hüllgeometrie und der Topologie des Gitters wird nun das finale Geometriemodell berechnet. Dabei wird jedem Verbindungselement des Gitters ein zylindrisches Stabelement mit der Stabstärke von 1 mm zugeordnet. Im Ergebnis entsteht ein Modell (Abb. 9) mit einem Volumen von 37.7 cm3 (das Volumen des Hüll-Modells beträgt 126.8 cm3).

4

Zusammenfassung und Ausblick

Die vorgestellte Methode beschreibt die Erstellung von Gitterstrukturen auf Basis von Voronoi-Diagrammen. Dabei ist die Zellgröße an die lokalen Belastungen innerhalb eines Bauteils angepasst. Durch die Erzeugung der Saatpunkt mittels Poisson-Disk-Sampling ist auch eine homogene Zellform gewährleistet. Die ebenfalls vorgestellte Methode zur Erzeugung einer diskreten Volumenbeschreiben, basierend auf Signed Distance Fields,

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S. Holtzhausen et al.

Abb. 8  Dichtefeld aus der Strukturoptimierung, Saatpunkte und erstellte Voronoi-Struktur

Abb. 9  Dichtefeld aus der Strukturoptimierung, Saatpunkte und erstellte Voronoi-Struktur

ermöglicht die vollständige und konsistente Beschreibung der Bauteilgeometrie. Die Methode ist automatisierbar und erfordert bei der Geometrieerzeugung keinerlei manuellen Input. Im Vergleich zur herkömmlichen Strukturoptimierung, in deren Ergebnis erst eine Nachkonstruktion (Flächenrückführung) zur Modellerstellung benötigt wird, ist diese Methode damit im Vorteil. Bedingt nachteilig ist, dass im Ergebnis nur diskrete Geometriebeschreibungen entstehen. Eine weiterführende Konstruktion in einem parametrischen CAD-System ist nur eingeschränkt möglich. Allerdings ist eine parametrische Geometriebeschreibung der Gitterstrukturen innerhalb der CAD-Umgebung derzeit nicht sinnvoll nutzbar. Des Weiteren wurden an einem Beispiel die Möglichkeiten der Methode vorgestellt. In Bezug auf die angestrebte Herstellung durch additive Fertigungsverfahren kann bei der vorgestellten Methode, bei geeigneter Parametrierung, die Erzeugung von Support-­ Strukturen (Strukturen zum Abstützen überhängender Bauteilregionen) entfallen. Es wurde in anderen Forschungsarbeiten gezeigt, dass notwendige Fertigungsverfahren (Belichtungsbilder, Slice-Daten) direkt aus den Voxeldaten ableitbar sind. Somit entfällt der Umweg über die weit verbreiteten Dreiecks-Netzdaten (∗.stl – Format). In weitere Forschungsarbeiten ist der festigkeitsmäßige Nachweis einer solchen Gitterstruktur angestrebt. Aufgrund der inhomogenen Gittertopologie sind FE-Methoden unter

Lastangepasste Generierung von irregulären Gitterstrukturen auf Basis …

103

Verwendung von Material-Ersatzmodellen nicht einsetzbar. Ferner ist lässt sich neben dem Abstand im Poisson-Disk-Sampling-Verfahren auch die Abstandsrichtung integrieren. Damit besteht die Möglichkeit, zusätzlich zur Zellgröße auch die Zellform der Gitterstrukturen zu variieren.

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Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM Henrik Müller-Wilderink, Renan Siqueira, Bastian Lippert und Roland Lachmayer

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Stand der Technik  3  Methode zur Funktionsintegration  4  Anwendung auf die Baugruppe Pedalerie  5  Schlussbetrachtung  Literatur 

   106    107    110    112  118  118

Zusammenfassung

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 beispielH. Müller-Wilderink (*) · R. Siqueira · R. Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected] B. Lippert Hilti Group, Thüringen, Österreich E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_8

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106

H. Müller-Wilderink et al.

haft 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. Schlüsselwörter

Funktionsintegration · Topologieoptimierung · Selektives Laserstrahlschmelzen · Pedalerie · Gestaltoptimierung

1

Einleitung

In der Formula Student, einem internationalen Konstruktionswettbewerb, entwickelt und fertigt ein Team von Studenten jährlich einen Rennwagen. Zum Ende der Saison tritt das Team mit dem Rennwagen gegen andere Universitäten an. Der Wettkampf ist dabei in verschiedene Disziplinen eingeteilt. In den statischen Disziplinen wird das ingenieurstechnische Vorgehen während der Konstruktion geprüft. In den dynamischen Disziplinen wird das Fahrzeug auf der Strecke beansprucht. Die dynamischen Disziplinen sind dabei in den Beschleunigungstest, den Skid Pad, den Auto Cross und den Langstreckentest unterteilt. Ziel ist es dabei geringe Rundenzeiten zu erzielen, um eine größere Punktzahl zu erhalten. Die Rundenzeit lässt sich durch das Fahrzeuggewicht beeinflussen, da dieses im direkten Zusammenhang mit der Leistung des Rennwagens steht. Somit hat der Leichtbau einen besonders hohen Stellenwert im Rennsport. Dieser allgemeinen Aussage lassen sich konkrete Werte zuweisen. In der, nach [1] durchgeführten, Rundenzeitsimulation ist die Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs um 1 kg gleichzusetzen mit einem zusätzlichen Punkt im Langstreckentest. Abb. 1 zeigt den Zusammenhang der Rundenzeit mit der Fahrzeugmasse. Diesen Zeiten lassen sich konkrete Punktzahlen zuordnen, vgl. [2]. Ziel einer jeden Saison ist es somit, ein schnelleres, bzw. leichteres Fahrzeug mit technologischen Fortschritten zu entwickeln. Wie im Rennsport üblich, ist die Zeit von Konstruktionsbeginn bis Wettkampf stark begrenzt. Eine komplette Neukonstruktion jeder einzelnen Fahrzeugkomponente ist sehr zeitaufwendig und nicht immer sinnvoll oder möglich. In der Regel werden vorhandene Konzepte und Baugruppen optimiert. Dabei sind eine geringe Bauteilvielfalt und einfache Montageabfolgen innerhalb der Baugruppen vorteilhaft, da dies ­sowohl die Fertigungs- als auch Montagezeiten reduziert. Dadurch wird wiederum eine längere Testphase für das Fahrzeug geschaffen. Vor diesem Hintergrund bietet sich die Methodik der Funktionsintegration für Baugruppen des jeweiligen Vorjahreswagen an. Dadurch lassen sich die Anzahl der Teile einer Baugruppe reduzieren, ohne dass eine komplette Neukonstruktion der Baugruppe erforderlich ist. Durch eine Topologieoptimierung der Bauteile lässt sich der Leichtbauaspekt einbringen. Dank der hohen Gestaltungsfreiheiten bieten sich additive Fertigungsverfahren für die Herstellung der topologieoptimierten Bauteile an.

Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM

107

Eh17 – Fahrzeugmasse - Langstreckentest 85.1 85 84.9 84.8

Rundenzeit [s]

84.7 84.6

Rundenzeit [s] 295.00 - 296.25 296.25 - 297.50 297.50 - 300.00 300.00 - 302.50 302.50 - 305.00 305.00 - 307.50 307.50 - 310.00 310.00 - 312.50 312.50 - 313.75 313.75 - 315.00

eh17 eh18

84.5 84.4 84.3 84.2 84.1 84 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 Fahrzeugmasse [kg]

Abb. 1  Ergebnis einer Rundenzeitsimulation [1]

In diesem Paper gilt es eine Methode zu entwickeln, anhand welcher Bauteile einer vorhandenen Baugruppe für die Funktionsintegration identifiziert werden können. Diese Methode wird auf die, in Abb. 2 dargestellte, Pedalerie des Formula Student Rennwagens eH18 angewandt und potenzielle Bauteile werden identifiziert. Basierend auf dieser Auswahl wird anhand der Topologieoptimierung eine neue Geometrie entwickelt. Ziel ist es dabei die Gesamtmontagezeit, sowie das Gewicht der Pedalerie zu reduzieren. Als Herstellungsverfahren wird das Selektive Laserstrahlschmelzen verwendet, um eine größere geometrische Freiheit zu erhalten.

2

Stand der Technik

2.1

Funktionsintegration

Damit ein Rennwagen wettbewerbsfähig ist, muss es einen hohen Kundennutzen, wie z. B. ein geringes Gewicht besitzen und sollte gleichzeitig kostengünstig in der Herstellung sein [3]. Dies kann dadurch realisiert werden, dass wenige Bauteile mehrere Funktionen ausführen. Der Begriff Funktion bezeichnet dabei die Aufgabe, die ein System erfüllt, bzw. der Vorgang, mit dem eine Eingangsgröße in eine Ausgangsgröße gewandelt wird [3, 4]. Die Funktion eines Bauteils kann beispielsweise ein Anbindungspunkt für die Befestigung eines anderen Bauteils sein. Bei einem Getriebe ist die Funktion die Änderung der Eingangsdrehzahl in eine andere Ausgangsdrehzahl.

108

H. Müller-Wilderink et al.

Abb. 2  Pedalerie des eH18

1cm

Abb. 3  Beispiel Funktionsintegration am Beispiel eine Lampe [3]

Ziel ist es bei einer geringen Bauteilanzahl möglichst viele Funktionen zu erfüllen. Dies kann durch die Funktionsintegration erreicht werden. Nach [5] wird jeder Funktion eine Wirkfläche oder ein Wirkraum zugeordnet, von welchem ausgehend diese ausgeführt wird. Aufgabe der Funktionsintegration ist es somit, die Wirkflächen oder Wirkräume zusammenzuführen, sodass alle Funktionen von einer Fläche ausgeführt werden [3, 5]. Dies ist in Abb. 3 am Beispiel eine Lampe dargestellt. Vor der Funktionsintegration, zu sehen auf der rechten Seite, sind die Funktionen Fkt. 1 und Fkt. 2 auf zwei Bauteile verteilt. Diese werden für das Leiten der elektrischen Energie und der Befestigung an der Decke benötigt. Nach der Funktionsintegration werden beide Funktionen durch eine Wirkfläche, dem Zuleitungskabel, realisiert. Die Konstruktion eines Bauteils oder einer Baugruppe hinsichtlich bestimmter technischer Eigenschaften wird als Bauweise bezeichnet. Wird bei der Konstruktion besonders auf das Gewicht geachtet, so handelt es sich um Leicht- oder Kompaktbauweise [4].

Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM

109

Bei besonderem Fokus auf die Funktion wird dies als Funktionsbauweise bezeichnet. Die Funktionsbauweise wird in drei verschiedene Gruppen eingeteilt: die Total- und Partialbauweise, die Differenzial- und Integralbauweise, bzw. die Mono- und Multifunktionalbauweise [4]. Ob eine Funktionsvereinigung oder -trennung für eine Baugruppe durchgeführt werden sollte, ist im Einzelfall immer eine wirtschaftliche Frage. In erster Hinsicht mag eine geringe Bauteilzahl vorteilhaft klingen, doch wird die Baugruppe genauer betrachtet, muss dies nicht unbedingt der Fall sein. Da für die einzelnen Funktionen verschiedene Bauteile verwendet werden, können diese auf den gewünschten Belastungsfall angepasst werden. Es kann ebenfalls auf verschiedene Werkstoffe zurückgegriffen werden. Zusätzlich lassen sich einzelne Bauteile bei Verschleiß leichter austauschen [6]. Die Funktionsintegration ermöglicht eine Reduktion der Teilezahl, was bei manchen Fertigungs­verfahren, z. B. dem Selektiven Laserstrahlschmelzens zu einem reduzierten Her­stellungssaufwand und somit geringeren Kosten führen kann. Jedoch steigert sie ebenfalls die Bauteilkomplexität und macht es ggf. fehleranfälliger und erhöht damit den potenziellen Reparaturaufwand [3].

2.2

Topologieoptimierung

Die Strukturoptimierung beschreibt Verfahren zur rechnergestützten Optimierung von Bauteilen und wird in vier verschiedene Kategorien: die Topologie-, Form- und Material­ optimierung, sowie die Dimensionierung eingeteilt [7]. Bei der Topologieoptimierung handelt es sich um ein Verfahren, mit dem eine optimale Bauteilgeometrie für einen definierten Belastungsfall ermittelt werden kann. Dabei wird das Bauteilmodell in endlich viele Elemente i unterteilt und anhand dieser eine neue Geometrie ermittelt. Im Vorfeld werden mathematische Zielfunktionen und Restriktionen festgelegt, nach welchen das Programm die Optimierung durchführt. Die Optimierung kann dabei hinsichtlich der Eigenfrequenz, des Volumens oder der Verschiebung durchgeführt werden. In den meisten Fällen werden die Nachgiebigkeit und das Gewicht des Bauteils verbessert. Als Restriktionen können dabei minimal oder maximal zulässige Wandstärken, bzw. Spannungen, sowie ein prozentualer, beizubehaltender Anteil der Ausgangsmasse verwendet werden [8]. Der, in diesem Paper, verwendete Ansatz ist der Solid Isotropic Microstructure with Penalization Ansatz (SIMP). In der SIMP-Methode wird jedem Element i eine Pseudodichte ηi zugeordnet. Das ηi beschreibt dabei die prozentuale Dichte des Materials. Für ηi = 0 besitzt das Material eine Dichte von 0 %, bzw. existiert nicht. Für ηi = 1 besitzt das Material eine Dichte von 100 %. Liegt ηi zwischen 0 und 1, kann das Material als porös betrachtet werden. Je näher ηi an 0 liegt, desto poröser ist das Material. Die Pseudodichten zwischen 0 und 1 werden als mittlere Dichten bezeichnet [9]. Der Elastizitätstensor lässt sich nach Gl. (1) in Abhängigkeit von der Pseudodichte beschreiben [10].

E (ηi ) = ηi p E0

(1)

110

H. Müller-Wilderink et al.

Mit: E(ηi) = Elastizitätstensor in Abhängigkeit von der Pseudodichte ηip   = Pseudodichte des i-ten Elementes behaftet mit dem Penalty Faktor p E0  = Elastizitätsmodul des Materials Erstrebenswert sind sogenannte Solid-Void-Strukturen. Sie bezeichnen eine Verteilung der Pseudodichte, bei der die Werte 0 und 1 für ηi bevorzugt werden [9, 11]. Diese Verteilung wird durch die SIMP-Methode durch Bestrafung der mittleren Dichten, mittels eines Penalty-Faktors p > 1, erreicht. Wird der Penalty-Faktor zu klein gewählt, so bleiben zu viele mittlere Dichten bestehen. Bei zu großem Penalty-Faktor kommt es hingegen zu schnell zur Konvergenz, wodurch lokale Minima entstehen können. Dies fördert die Entstehung von belastungsunfähigen Geometrien. In der Praxis hat sich ein Penalty-Faktor von p = 3 bewährt [10]. Die Vorgehensweise der Topologieoptimierung ist nach [8, 12] in die folgenden Schritte eingeteilt: 1. Einbauraum identifizieren 2. FE-Modell erstellen 3. Definition der Entwurfsvariablen 4. Formulierung des Optimierungsproblems 5. Optimierungsrechnung 6. Interpretation 7. Umsetzung im Bauteil

3

Methode zur Funktionsintegration

Die in diesem Paper entwickelte Methode zur Funktionsintegration ist an die Methode „Strategie der einteiligen Maschine“ angelehnt. Diese sieht das gedankliche Zusammenfügen aller Bauteile vor. Anschließend wird das Bauteil in die notwendigen Bauteile aufgeteilt, welche für die Realisierung von Relativbewegungen und für die Montage notwendig sind [3]. In Abb. 4 ist der Ablauf der entwickelten Methode zur Funktionsintegration dargestellt. Zunächst muss ein Referenzbauteil in der Baugruppe festgelegt werden. Ausgehend von diesem Bauteil wird die Funktionsintegration durchgeführt. Durch Festlegung des Integrationsbereiches lassen sich mögliche Bauteile bereits eingrenzen. Eine D ­ efinition des Integrationsbereiches kann anhand vorhandener Unterbaugruppen der Baugruppe getroffen werden. Soll eine Funktionsintegration für die gesamte Baugruppe durchgeführt werden, so entfällt dieser Schritt. Ist der Bereich festgelegt, findet die Wahl des Referenzbauteils statt. Das Bauteil mit den meisten Kontakten zu anderen Bauteilen wird gewählt, da die Methode ausgehend von diesem Bauteil am effektivsten funktioniert. Es gilt bei der Methode Bauteile zu identifizieren, welche zur Befestigung anderer Bauteile dienen. Nach diesem Schritt wird die Einzelteilliste durchlaufen und das Verhalten der Bauteile

Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM

111

Bereich für die Funktionsintegration festlegen

Bauteil mit dem meisten Kontakt zu anderen Bauteilen ermitteln

Einzelteilliste

Direkter Kontakt?

A: Referenzbauteil

ja

nein E: Welche Art von Relativbewegungen sind realisierbar?

ja

Indirekter Kontakt? nein

Relativbewegung?

nein

Zum Referenzbauteil hinzufügen, aus Liste entfernen

ja ja E: Arten der Relativbewegung

Einzelteil++

nein

Ist die Art erlaubt?

nein

Ende der Liste erreicht? ja

Einzelteilliste von vorne durchlaufen

ja

Sind im letzten Durchlauf neue Bauteile hizugefügt worden?

nein E:Referenzbauteil ist die Ansammlung an integrierbaren Einzelteilen

(Optional: Gestaltoptimierung)

Abb. 4  Methode zur Funktionsintegration

zum Referenzbauteil bewertet. Unterschieden wird dabei zwischen direktem und indirektem Kontakt, wobei der direkte Kontakt durch die Montage des Einzelteils über Normteile am Referenzbauteil definiert ist. Indirekter Kontakt beschreibt die Montage ohne Normteile, beispielsweise durch Presspassungen. Anschließend werden mögliche Relativbewegungen betrachtet. Für eine Bewertung muss das angewandte Fertigungsverfahren bekannt sein, da durch manche Fertigungsverfahren Relativbewegungen in einem Bauteil realisierbar sind. Dies ist beispielsweise beim SLM-Verfahren der Fall. Nach Durchlaufen der Einzelteilliste werden alle ausgewählten Bauteile dem Referenzbauteil hinzugefügt. Die Liste wird erneut durchlaufen und das Verhalten zum geänderten Referenzbauteil be-

112

H. Müller-Wilderink et al.

wertet. Wird in einem Durchlauf kein weiteres Bauteil zur Integration bestimmt, so ist die Schleife beendet. Optional ist nach Abschluss der Funktionsintegration eine Gestaltoptimierung durchzuführen. Basierend auf den integrierten Bauteilen lässt sich, unter Anwendung der Topologieoptimierung, eine neue Gestalt ermitteln. Dafür muss zunächst der Designraum identifiziert werden Dieser setzt sich aus den, in der Funktionsintegration, bestimmten Bauteilen zusammen und beschreibt den maximal zur Verfügung stehenden Bauraum. Anschließend werden die Lastfälle definiert, mit dem das System belastet wird. Der Ablauf der Topologieoptimierung erfolgt nach der, in Abschn. 2.2, beschriebenen Vorgehensweise. Ziel der Optimierung ist es, die optimale Bauteilbelastung, das Fully Stressed Design (FSD), zu erreichen. Im Zustand des FSD werden alle Elemente durch die zulässige Höchstspannung σzul belastet. Das Bauteil wird demnach optimal ausgenutzt [13].

4

Anwendung auf die Baugruppe Pedalerie

Die Pedalerie lässt sich anhand ihrer Funktionen in zwei Systeme unterteilen. Im Folgenden werden die Funktionen erläutert, sowie eine Übersicht über die einzelnen Bauteile gegeben. Anschließend wird, basierend auf der Auswahl, eine neue Geometrie ermittelt.

4.1

Aufbau der Pedalerie

Die Aufgabe der Pedalerie ist es, die Krafteinwirkung des Fahrers in Be- und Entschleunigung des Fahrzeuges umzuwandeln. Dies wird durch die zwei Systeme, dem Brems- und dem Beschleunigungssystem, realisiert. Da sich beide Systeme in ihrem Aufbau ähneln, wird in diesem Kapitel nur das Beschleunigungssystem beschrieben. Abb. 5 zeigt einen Schnitt durch das Beschleunigungssystem. Die Grundplatte, in Abb.  5 markiert mit CH_1.7.1., dient als Montagefläche für ein Großteil der Bauteile und verbindet beide Systeme miteinander. Daran angebunden ist die Pedalhalterung (CH_1.2.5), in welcher jeweils die Pedalstege (CH_1.4.4) drehbar gelagert sind. Der Pedalsteg überträgt durch eine Passfeder das eingeleitete Drehmoment auf die Welle (CH_1.2.6). Diese ist über zwei Gleitlager in der Pedalhalterung gelagert und durch eine Nutmutter mit Sicherungsblech fixiert. Unter Krafteinwirkung verdreht sich der Pedalsteg um die Achse der Welle. An der Welle sind zwei Magnete montiert (CH_1.3.2, CH_1.3.3), welche mit Hilfe von Sensoren den Drehwinkel liefern. Um die Rückkehr des Pedalstegs in die Ausgangsposition zu gewährleisten, ist dieser mit zwei Gasdruckfedern (CH_1.1.1) verbunden, welche mittels der Federhalterung (CH_1.1.4) an der Grundplatte befestigt sind.

Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM

113

A-A (1 : 1) Beschleunigungssystem CH_1.4.1

CH_1.4.4

CH_1.1.3 CH_1.1.1

CH_1.1.5 CH_1.1.4

CH_1.2.6

CH_1.5.2 CH_1.5.3

CH_1.2.5 CH_1.4.2

CH_1.5.5 CH_1.7.1 CH_1.5.6

CH_1.5.7

4×CH_1.N.8 4×CH_1.N.3

Abb. 5  Zusammenbau des Beschleunigungssystems des eH18

Der Rennwagen wird von Fahrern unterschiedlicher Größe gefahren und muss an den jeweiligen Fahrer angepasst werden. In einem PKW geschieht dies durch Verschieben des Sitzes. Im eH18 ist der Sitz jedoch fest montiert. Um den Innenraum dennoch an den Fahrer anpassen zu können, wurde die Pedalerie verstellbar montiert. Diese Funktion wird durch einen Nutenstein (Ch_1.5.5) ermöglicht, welcher in einer Schiene (CH_1.5.6) sitzt. Zum Verschieben der Pedalerie wird der Verstellbolzen (CH_1.5.2) in z-Richtung gezogen. Die gewünschte Rastposition im Schieneneinsatz (CH_1.5.7) wird ausgewählt und die Pedalerie durch den Verstellbolzen fixiert. Der Verstellbolzen ist durch die Verstellhülse (CH_1.5.3) und den Nutenstein an der Grundplatte fixiert. Über zwei Schienen (CH_1.5.6) ist die Pedalerie am Fahrzeug befestigt.

4.2

Bauteilauswahl

Die Auswahl der Bauteile basiert auf der, in Abschn. 3 beschriebenen Methode. Zunächst wird ein Referenzbauteil festgelegt. Von diesem ausgehend werden die integrierbaren Bauteile bestimmt. Basis dieser Methode ist die, in Abschn. 3  genannte Integralbauweise.

114

H. Müller-Wilderink et al.

Die Grundplatte ist die Montageplatte der Pedalerie und wird als Referenzbauteil festgelegt. Anschließend werden mögliche Relativbewegungen definiert. Dies ist abhängig von dem ausgewählten Fertigungsverfahren, da in den meisten Verfahren Relativbewegungen innerhalb eines Bauteils nicht herstellbar sind. In der additiven Fertigung können Körper durch Stützstrukturen verbunden werden. Durch das nachträgliche Entfernen dieser Strukturen sind Relativbewegungen realisierbar. In diesem Paper wurde sich bewusst gegen die Verwendung von Relativbewegungen entschieden, da an den entstehenden Reibflächen geringe Reibwerte benötigt werden. Diese sind durch das SLM-Verfahren jedoch nicht gegeben und nur durch eine aufwendige Nachbearbeitung erreichbar. Nach Festlegung der Grundplatte als Referenzbauteil wird die gesamte Stückliste nach dem, in Abschn. 3, genannten Schema durchgelaufen, vgl. Tab. 1. Unterschieden wird dabei zwischen direktem und indirektem Kontakt. Direkter Kontakt beschreibt dabei die Montage des Bauteils mittels Normteilen an dem Referenzbauteil, wie beispielsweise CH_1.2.5 an CH_1.7.1, vgl. Abb. 5. Indirekter Kontakt beschreibt dabei die Befestigung des Bauteils ohne Verwendung von Normteilen, beispielsweise Presspassungen. Nach Durchlaufen der Stückliste werden alle ausgewählten Bauteile dem Referenzbauteil hinzugefügt und der Prozess wiederholt. Die Auswahl der Bauteile ist nicht zwingend einzuhalten und dem Ingenieur sind Freiräume gelassen, Bauteile von der Auswahl auszuschließen. Beispielsweise liegt zwischen den Ausgleichsbehältern (CH_1.6.10) und dem Referenzbauteil ein direkter Kontakt und keine Relativbewegung vor, jedoch wurde das Bauteil von der Integration ausgeschlossen. Der Grund dafür ist, dass die Ausgleichsbehälter an einem höheren Punkt als die Masterzylinder liegen müssen, damit ihre Funktion gegeben ist. Um den Bauraum flach zu halten, wird der Anbindungspunkt an den Pedalsteg gelegt und in dieser Arbeit nicht weiter betrachtet. Der Fersenanschlag (CH_1.4.2) ist ebenfalls im direkten Kontakt mit dem Referenzbauteil und führt keine Relativbewegungen aus. Das Bauteil steht im direkten Kontakt mit dem Fahrer. Auf Grund der verschiedenen Fahrer gibt es ebenfalls verschiedene Versionen dieses Bauteils, welche ausgetauscht werden können. Daher wird es ebenfalls nicht integriert. Für die in Tab. 1, in der Kategorie „Integration“, mit „-“ gekennzeichneten Bauteile kann keine Aussage bezüglich der Integration getroffen werden, da sie weder in ­direktem noch indirektem Kontakt mit dem Referenzbauteil stehen. Für eine konkrete Aussage ist ein weiterer Durchlauf erforderlich.

Tab. 1  Bauteilauswahl für die Funktionsintegration, 1. Durchlauf (Auszug) Bauteil-nummer CH_1.7.1 CH_1.1.4 CH_1.2.5 CH_1.2.6 CH_1.5.3

Referenz-bauteil Ja – – – –

Direkter Kontakt – Ja Ja Nein Nein

Indirekter Kontakt – Nein Nein Nein Ja

Relativ-bewegung – Nein Nein – Nein

Integration – Ja Ja – Ja

Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM

4.3

115

Gestaltoptimierung des Demonstrators

Nach Durchführung der Funktionsintegration wird eine neue, optimierte Gestalt ermittelt. Der Designraum ist größtenteils durch die zuvor ausgewählten Bauteile und deren Funktionen bedingt. Dafür werden alle ausgewählten Bauteile auf einen Volumenkörper reduziert und dieser um den maximal zur Verfügung stehenden Raum erweitert. Die Krafteinleitung in die Pedalerie geschieht durch die Füße des Fahrers an den Trittflächen der Pedale. Nach T6.1.8 des Regelwerkes muss das Bremssystem der Pedalerie einer Belastung von 2kN standhalten [2]. Für das Beschleunigungssystem sind keine Bedingungen festgelegt. Die maximale Belastung, die das Beschleunigungssystem standhalten muss, wird auf 1kN festgelegt. Aus den Kräften resultieren die Belastungen an den Anbindungspunkten im Designraum. Das optimierte Modell ist in Abb. 6 dargestellt. In der Draufsicht, Abb. 6 rechts, ist eine deutliche Unterteilung in das Brems- und Beschleunigungssystem der Pedalerie zu erkennen. Über den gemeinsamen Punkt des Verstellbolzens werden beide Systeme zusammengeführt. Weiterhin ist zu erkennen, dass für das Bremssystem (linke Hälfte des Bauteils in der Draufsicht) ca. die doppelte Menge an Material benötigt wird, als für das Beschleunigungssystem. Dies lässt sich durch die angreifenden Kräfte begründen, da am Bremspedalsteg eine doppelt so große Kraft wie am Beschleunigungspedalsteg angreift. Wie in Abschn. 3 genannt ist das Ziel der Optimierung den FSD zu erreichen. Zur Bewertung der Iterationsschritte wird der Abstand der Iterationen zum FSD betrachtet. Zur Bestimmung des Abstandes wird die relative Häufigkeitsverteilung der Spannungen he­ rangezogen und die Distanz zwischen dem Schwerpunkt der Spannungshäufigkeitsverteilung und dem Schwerpunkt des FSDs bestimmt. Die Umrechnung in eine prozentuale Angabe liefert eine direkte Aussage über die Güte der Optimierung. Ein geringer Abstand ist dabei erwünscht. Abb. 7 zeigt die Verteilung der 6. Iteration. Die maximale Spannung ist auf σmax = 131, 94MPa gestiegen und somit weiterhin unterhalb σzul. Der Schwerpunkt der Spannungshäufigkeitsverteilung hat sich auf (xs = 8, 592MPa| ys = 0, 042) verschoben und hat einen Abstand von 95 % zum FSD. Das Optimum des FSD ist somit noch nicht erreicht und das Bauteil besitzt weiterhin Optimierungspotenzial.

Abb. 6  Rekonstruktion der 6. Iteration, isometrisch (links), Draufsicht (rechts)

116

H. Müller-Wilderink et al. 0.16 0.14

re. Häufigkeit o.E.

0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0

0

25

50

75

100 125 Spannung in MPa

Häufigkeitdichte

150

175

FSD

Abb. 7  Spannungshäufigkeitsverteilung der 6. Iteration

Trotz des weiterhin vorhandenen Optimierungspotenzials wird die Optimierung des Bauteils mit der 6. Iteration abgeschlossen. Dies lässt sich durch die Punkte: • Gewichtsersparnis, • Bauteilkomplexität und Rekonstruktionsaufwand, • Simulationsdauer begründen. Mit fortlaufenden Iterationen wird die Gewichtsersparnis jeweils geringer. In der 1. Iteration wurde eine Materialreduktion von 60 % durchgeführt, was bei einem Ausgangsgicht von 3 kg einer Reduktion von 1,8 kg entspricht. In der 6. Iteration hat sich diese um 117 g oder 15 % verringert, auf ein Bauteilgewicht von 665 g. Die letzte Reduktion entsprach einem der vorher festgelegten Abbruchkriterien dieser Arbeit. Bei weiteren Iterationen wird die mögliche Materialreduktion zwar weiterhin sinken, das Weiterführen der Iterationen steigert aber zusätzlich die Bauteilkomplexität. Dies ist sehr gut bei einem Vergleich der Anbindung des Beschleunigungspedals ersichtlich, vgl. Abb. 8. Dargestellt ist die 1. Iteration (links) und 6. Iteration (rechts). In der 1. Iteration ist in diesem Bereich Vollmaterial vorgesehen. Für die Rekonstruktion wird somit im Idealfall eine Extrusion, und somit eine Skizze, benötigt. In der 6. Iteration besteht derselbe Bereich aus mehreren Strängen und Flächen. Auf Grund der komplexen Geometrien dieser Stränge, werden Freiformflächen zum Wiedergeben dieser Konturen benötigt. Diese lassen sich durch Erhebungen darstellen.

Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM

117

Abb. 8  Vergleich der Beschleunigungspedalanbindung der 1. und 6. Iteration Tab. 2  Überschlagene Rekonstruktionsdauer der Iterationen Iterationsstand 1. Iteration 2. Iteration 3. Iteration 4. Iteration 5. Iteration 6. Iteration

Überschlagene Rekonstruktionsdauer [h] 30 24 42 60 48 54

Eine Erhebung besteht aus beliebig vielen Skizzen, wobei zwei minimal erforderlich sind. Daher werden, verglichen mit der 1. Iteration, deutlich mehr Skizzen benötigt. Somit ­steigert die Bauteilkomplexität den Rekonstruktionsaufwand und die Rekonstruktionsdauer. Dies lässt sich anhand von Tab. 2 erkennen. Der überschlagene Rekonstruktionsaufwand der 6. Iteration ist mit 54 h fast doppelt so groß wie bei der 1. Iteration. Die geringere Rekonstruktionszeit der 2. Iteration lässt sich dadurch erklären, dass durch die in der 1. Iteration gesammelten Erfahrungen angewandt werden konnten. In der 4. Iteration hat der zuvor beschriebene Umstieg von Extrusionen auf Erhebungen stattgefunden, was die Spitze in der Rekonstruktionsdauer erklärt. Der Übergang zwischen Erhebungen führt bei der verwendeten Simulationssoftware ANSYS oftmals zu Problemen während der Vernetzung und erfordert eine aufwendige Nacharbeit der Oberflächen. Bei steigender Bauteilkomplexität steigen ebenfalls potenzielle Fehlerquellen. Des Weiteren hat die Bauteilkomplexität Einfluss auf die Simulationsdauer. Feine Netze werden zum Darstellen der detaillierten Geometrien benötigt. Ein feineres Netz verbessert die Qualität des Ergebnisses, jedoch steigert sich dadurch ebenfalls der Rechenaufwand. Unter Angesicht dieser Punkte wurde sich für ein Beenden der Optimierung des Bauteils entschieden. Das gefertigte Bauteil ist in Abb. 9 dargestellt.

H. Müller-Wilderink et al.

118 Abb. 9  Mit SLM gefertigte Pedaleriebauteil des eh18

5

Schlussbetrachtung

Die Funktionsintegration wurde auf die Pedalerie erfolgreich angewendet. Dabei konnte die Einzelteilanzahl, sowie die Normteilanzahl durch einen signifikanten Betrag verringert werden. Dadurch entfallen Fertigungszeiten von Bauteilen und die Montagezeit der Baugruppe wird ebenfalls reduziert. Die entwickelte Methode zur Funktionsintegration konnte erfolgreich auf die Baugruppe angewendet werden. Voraussetzung für die Einsatzfähigkeit dieser Methode ist jedoch eine bereits konstruierte Baugruppe. Ein Verständnis der Funktionsweise der Einzelteile muss vorhanden sein. Die Gestaltoptimierung, in Form der Topologieoptimierung, wurde ebenfalls erfolgreich auf das neu definierte Bauteil angewendet. Dabei konnte das Ursprungsgewicht von 872 g um 23,7 % auf 665 g reduziert werden. Der weiterhin große Abstand zum FSD weist auf noch vorhandenes Optimierungspotenzial hin. Auf Grund des hohen Rekonstruktionsaufwandes und der daraus resultierenden hohen Rekonstruktionsdauer wird die Optimierung jedoch abgebrochen. Trotz des vorhandenen Optimierungspotenzials sind alle ­gesetzten Ziele erreicht oder übertroffen worden. Zur vollständigen Ausnutzung der Topologieoptimierung bedarf es eines hohen Arbeitsaufwandes. Dieser macht sich besonders im Rekonstruktionsaufwand bemerkbar. Für eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Topologieoptimierung muss dieser Aspekt demnach minimiert werden. Um den vollen Nutzen aus der Funktionsintegration zu ziehen, muss dieser gleich in der Konstruktionsphase eingebunden sein. Dadurch wird bereits in der Konstruktion die Generierung von hohen Teilezahlen vermieden.

Literatur 1. HorsePower Hannover e.V: Rundenzeitsimulation. HorsePower Hannover e.V, Hannover (2017) 2. Formula Stuedent Germany: Formula Student Rules 2019. Formula Student Germany, Hockenheim (2019)

Funktions- & Gestaltoptimierung der Pedalerie eines Elektrofahrzeuges für SLM

119

3. Wagner, C.: Funktionsintegration im Rahmen einer fertigungsgetriebenen Produktentwicklung. Technische Universität Darmstadt, Darmstadt (2018) 4. Koller, R.: Konstruktionslehre für den Maschinenbau. Springer, Berlin (1998) 5. Roth, K.: Konstruieren mit Konstruktionskatalogen Band 1: Konstruktionslehre 3. Aufl., erweitert und neu gestaltet. Springer, Berlin (2000) 6. Ehrlenspiel, K.: Kostengünstig Entwickeln und Konstruieren. Springer Vieweg, Berlin (2014) 7. Frisch, M., et al.: Fertigungsrestriktionen in der Topologieoptimierung. Universität Bayreuth, Bayreuth (2011) 8. Schumacher, A.: Optimierung mechanischer Strukturen. Springer, Berlin (2005) 9. Sigmund, O.: Topology Optimization Approaches. Springer, Heidelberg (2013) 10. Rozvany, G.I.N.: A Critical Review of Established Methods of Structural Topology Optimization. Springer, Budapest (2007) 11. Brackett, D., et al.: Topology Optimmization for Additive Manufacturing, S. 348–362. Loughborough University, Loughborough (2011) 12. Bendsoe, M.: Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method. In: Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, S. 197–224. Elsevier Science Publisher B.V, Lyngby (1988) 13. NASA: Optimaltiy of a Fully Stressed Design. National Aeronautics and Space Administration, Cleveland (1998)

Teil III Simulation, Validierung und Qualitätssicherung

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht Tobias Ehlers und Roland Lachmayer

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Konventionelle Partikeldämpfer im industriellen Kontext  3  Laserstrahlgeschmolzene Partikeldämpfer  4  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

   124    126  132  139  140

Zusammenfassung

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

T. Ehlers (*) · R. Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_9

123

124

T. Ehlers und R. Lachmayer

In diesem Beitrag wird der Stand der Technik zu Partikeldämpfern beschrieben. Es wird auf die verschiedenen Designparameter eingegangen und aufgezeigt welchen E ­ influss diese auf die Bauteildämpfung haben. Darauf aufbauend wird das Selektive Laserstrahlschmelzen vorgestellt und der Stand der Forschung zum Einsatz und der Auslegung von laserstrahlgeschmolzenen Partikeldämpfern beschrieben. Des Weiteren werden Fertigungsrestriktionen behandelt, welche bei der Herstellung berücksichtigt werden müssen.

Schlüsselwörter

Selektives Laserstrahlschmelzen · Partikeldämpfung · Funktionsintegration · Design · Fertigungsgerechtes Gestalten

1

Einleitung

Für die Auslegung von dynamisch belasteten Systemen müssen Schwingungen berücksichtigt werden. Abhängig vom Anwendungsfall sind Schwingungen entweder erwünscht oder müssen durch geeignete Maßnahmen unterdrückt bzw. reduziert werden. Unerwünschte Schwingungen treten vermehrt durch den immer stärkeren Drang zum Leichtbau auf, da die Bauteile immer leichter und damit schwingungsanfälliger werden [1]. Da die leichteren Bauteile in der Regel steifer ausgeführt werden, wird folglich die Bauteildämpfung reduziert und die Schwingungen verstärken sich. Durch unerwünschte Schwingungen oder höhere Schwingungsamplituden kann die Lebensdauer reduziert oder auch der Komfort durch Schallabstrahlung herabgesetzt werden. Darüber hinaus können schwach gedämpfte Systeme, die in der Nähe ihrer Eigenfrequenz angeregt werden, beschädigt oder zerstört werden [1]. Generell sollte es immer das Ziel sein die Anregungen zu vermeiden, bevor Maßnahmen zur Schwingungsminderung eingesetzt werden müssen [1]. Die „Schwingungsminderung bezeichnet den Eingriff in ein dynamisches System mit dem Ziel, die auftretenden Störschwingungen zu reduzieren“ [2]. Nach VDI 2065 kann die Schwingungsminderung als passives, adaptives, semi-aktives oder aktives System ausgeführt werden [2]. Passive Systeme zur Schwingungsminderung benötigen keine Energiezufuhr. Aus diesem Grund können die Bauteilparameter, die das Schwingungsverhalten beeinflussen, im Betrieb nicht angepasst werden [2]. Adaptive und semi-aktive Systeme benötigen Hilfsenergie. Die Parameter, welche die Schwingung beeinflussen, werden über aktive regelbare Elemente, die beispielsweise abhängig vom Betriebszustand sein können, eingestellt [2]. Im Gegensatz zu den adaptiven Systemen, die nur langsam oder schnell und gelegentlich die Systemeigenschaften verändern, verändern die semi-aktiven Systeme die Systemeigenschaften schnell [2]. Aktive Systeme weisen Aktoren auf, die kontinuierlich Energie benötigen. Die Schwingungsminderung erfolgt über aktive Kompensationskräfte [2].

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

125

Konkrete Maßnahmen zur Schwingungsminderung sind beispielweise nach VDI 3833 Schwingungsisolation, Schwingungsdämpfung und Schwingungstilgung [3]. Generell ist festzuhalten, dass diese Maßnahmen nur in einem oder mehreren Frequenzbereichen zu einer Reduzierung der Schwingung und außerhalb zu einer Anfachung führen können [3]. Im Folgenden werden die drei Kategorien beschrieben. Schwingungsisolierung  „Die Schwingungsisolierung stellt ein dynamisch wirksames System dar, das eine zu schützende Struktur möglichst wirkungsvoll von mechanischen Störeinwirkungen abschirmt.“ [4]

Schwingungsdämpfung  Unter Schwingungsdämpfung wird die Umwandlung von Bewegungsenergie (kinetischer Energie) in andere Energieformen verstanden. Dabei wird die Energie aus dem schwingungsfähigen System abgeführt (Energiedissipation) [3, 5]. Die kinetische Energie wird in der Regel durch innere Reibung in Wärme umgewandelt [5]. In Abhängigkeit des Systems kann die Dämpfung in Werkstoffdämpfung, Bauteildämpfung und Systemdämpfung eingeteilt werden [3]. Schwingungstilgung  An der Hauptstruktur des schwingungsfähigen Systems wird eine zusätzliche Masse über eine Feder und oftmals auch über einen Dämpfer befestigt. Die Erregerkräfte und Erregermomente, die an der Hauptstruktur angreifen werden über die Massenkräfte und Massenmomente der Zusatzmasse kompensiert [6]. Die Additive Fertigung umfasst heutzutage eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren, mit denen eine große Materialpalette von Kunststoffen bis zu Keramiken verarbeitet werden kann. Für die Herstellung von Strukturbauteilen mittels Additiver Fertigung ist das Selektive Laserstrahlschmelzen (SLM), welches zu den pulverbettbasierten Verfahren zählt, weit verbreitet. Durch die hohe Gestaltungsfreiheit eignet sich das SLM besonders für die Herstellung von komplizierten Strukturbauteilen [7]. Das Material kann an den hochbelasteten Bereichen eines Bauteils angeordnet werden, sodass belastungsangepasste Leichtbaustrukturen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften gefertigt werden können. Des Weiteren eignet sich das SLM aufgrund der pulverbettbasierten Fertigung zur Herstellung von integrierten partikelgedämpften Strukturen. Durch den hohen Grad an Funktionsintegration kann ein Mehrwert im Vergleich zur konventionellen Fertigung generiert und die Wirtschaftlichkeit sichergestellt werden. Dieser Beitrag zeigt neue Möglichkeiten zur passiven Schwingungsreduzierung die mittels der additiven Fertigung, insbesondere des SLM, hergestellt werden können. Es wird gezeigt, wie zusätzliche Dämpfung in das System „Strukturbauteil“ gebracht und so die Funktionsintegration von additiv gefertigten Bauteilen weiter gesteigert wird. Die Integration von Pulver als Vertreter der Partikeldämpfung ist ein vergleichsweise effektiver und einfach zu integrierender Mechanismus zur Schwingungsminderung, als es mit Tilgungs- oder Isolationseffekten möglich wäre. In Abschn. 2 wird der aktuelle Stand der

126

T. Ehlers und R. Lachmayer

Technik zu Partikeldämpfern beschrieben und Anwendungsgebiete aufgezeigt. Des Weiteren werden die Designparameter von Partikeldämpfern detailliert beschrieben. Darauf aufbauend wird in Abschn. 3 der aktuelle Stand der Forschung zur Partikeldämpfung mittels Additiver Fertigung aufgezeigt. Der Beitrag schließt mit der Zusammenfassung und dem Ausblick in Abschn. 4.

2

Konventionelle Partikeldämpfer im industriellen Kontext

2.1

Motivation zum Einsatz von Partikeldämpfern

Technische Systeme zur Partikeldämpfung haben Ihren Ursprung im Jahr 1985, als Arkari den Aufpralldämpfer aus einem einzigen Partikel in viele kleine Partikel aufteilte [8–10]. Der Einsatz von Partikeldämpfern ist eine Maßnahme, um Schwingungen einer Struktur zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass Partikel entweder in die Hohlräume (Kavitäten) einer Struktur eingelagert werden, oder der Partikeldämpfer als eigenständiges System auf der schwingenden Struktur befestigt wird [10]. Durch das Zusammenspiel von  unelastischen Stößen und Reibung, entweder durch Partikel/Partikel oder Partikel/ Wand-Interaktionen, wird kinetische Energie aus der schwingenden Hauptstruktur absorbiert und dadurch eine hohe Dämpfung realisiert [10, 11]. Mao et al. schlussfolgern, dass der Partikeldämpfer eine Mischung aus einem Aufprall- und Reibdämpfer ist [12, 13]. Im Wesentlichen gibt es vier traditionelle Arten von Partikeldämpfern (siehe Abb.  1). Ein Partikeldämpfer besteht entweder aus einem einzigen Partikel, auch als Aufpralldämpfer

x(t)

Einmassen Aufpralldämpfer

Partikeldämpfer

... x(t)

Mehr-Kammern Aufpralldämpfer Hauptstruktur

Mehr-Kammern Partikeldämpfer

Dämpfer

Abb. 1  Übersicht über verschiedene Arten der Partikeldämpfer nach [10]

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

127

bezeichnet oder in der Regel mehreren kleineren Partikeln. Zusätzlich können die Partikel in mehreren Kammern angeordnet werden. Im weiteren Verlauf wird nur noch auf die Partikeldämpfer und nicht die Aufpralldämpfer eingegangen, da sich diese weniger sensitiv auf externe Parameteränderungen wie Anregungslevel und Anregungsfrequenz ver­ halten. Im Folgenden wird der Partikeldämpfer als ein Dämpfer mit mehreren Partikeln definiert. Im weiteren Verlauf wird von Systemdämpfung gesprochen, wenn ein Partikeldämpfer als eigenständige Komponente vorliegt, die an oder in ein Bauteil integriert und dadurch Energie dissipiert wird. In Bezug auf die Additive Fertigung wird nicht mehr von Systemdämpfung, sondern von Bauteildämpfung gesprochen, da die Partikel und die Hauptstruktur in einem Fertigungsschritt zu einem Bauteil gefertigt werden. Aufgrund der Vorteile, die im Folgenden aufgelistet werden, sind die Partikeldämpfer weit verbreitet. Einfacher Aufbau  Je nach Ausführungsform, weisen Partikeldämpfer eine oder meist mehrere in der Regel sphärische Partikel oder Kugeln auf. Diese werden entweder in einen Behälter geschüttet, der auf der Struktur befestigt wird oder in Hohlräume der Struktur gefüllt. Dadurch wird die Steifigkeit und Masse des Systems nur geringfügig beeinflusst [10, 14, 15]. Moderate Kosten  Bei den Partikeldämpfern handelt es sich um ein passives System, sodass keine Energie benötigt wird. Es entstehen unwesentlich höhere Materialkosten, dar mitunter nur 1–4 % an zusätzlicher Masse benötigt wird, um eine ausreichende Dämpfungswirkung zu erzielen [14]. Hohe Lebensdauer  Partikeldämpfer können permanent in rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden wie bei starker Kälte z. B. bei kryogenischen Anwendungen [16] oder auch bei Ölverschmutzung [10, 15]. Sie weisen einen geringen Verschleiß auf und sind wartungsarm. Somit können Partikeldämpfer dort eingesetzt werden wo andere Dämpferarten versagen [10]. Des Weiteren helfen Partikeldämpfer die Lebensdauer von dynamisch beanspruchten Systemen zu verlängern [17]. Temperaturunempfindlich  Partikeldämpfer können bei Temperaturen bis zu 2000  °C eingesetzt werden, unter der Voraussetzung, dass Pulver verwendetet wird, welches den hohen Temperaturen standhält [10, 18]. Dafür muss die Einsatztemperatur des Partikeldämpfers kleiner als die Schmelztemperatur der Partikel sein. Beispielsweise kann Wolframpulver für Hochtemperaturanwendungen verwendet werden. Somit können Partikeldämpfer bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, wo andere ­Dämpfermechanismen versagen [19]. Im Gegensatz dazu weisen viskose Dämpfer einen temperaturabhängigen Verlauf der Dämpfung auf. Bei hohen Temperaturen sinkt der Dämpfungskoeffizient viskoser Dämpfer und es treten Ermüdungserscheinungen auf. Bei Partikeldämpfern wurden die Probleme hinsichtlich des Ermüdungsverhaltens und der Materialdegeneration gelöst [10].

T. Ehlers und R. Lachmayer

128

Breitbandige Dämpfung  Partikeldämpfer eignen sich sowohl für niederfrequente (< 15  Hz), als auch für hochfrequente Anwendungen bis zu mehreren Kilohertz (> 5000 Hz) [11, 12, 20, 21]. Primär beziehen sich die Veröffentlichungen zu Partikeldämpfern auf translatorische und weniger auf rotatorische Schwingungen, da diese vermehrt erforscht werden. Die folgenden Erkenntnisse beziehen sich ausschließlich auf Partikeldämpfer mit mehreren Partikeln und z. T. auch mehreren Kammern. In Tab. 1 sind die Einflussgrößen auf die Dämpfung von Partikeldämpfern zusammengefasst. Diese werden im folgenden Abschnitt näher beschrieben. Tab. 1  Einfllussgrößen auf die Dämpfung von Partikeldämpfern Einflussgrößen auf die Dämpfung Externe Größen

Interne Größen

Hauptstruktur Hohlraum/Innere Struktur

Partikel

Zusätzlich bei additiver Fertigung zu berücksichtigen Maschinenparameter

Wärmebehandlung Anisotropie

Anregungsart Belastungsart Anregungslevel (Amplitude) Zyklenanzahl Anregungsfrequenz Bauteil (Form, Abmessungen) Material Länge Abmessungen Breite Höhe Anzahl Form Position Orientierung Masse Größe Anzahl Packungsdichte/Füllgrad Material Härte Haft- und Kohäsionskräfte Viskosität Reibungsflächen Form Rauheit Laserleistung Scangeschwindigkeit Schichtdicke etc.

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

2.2

129

Designparameter des Partikeldämpfers

Die Systemdämpfung bzw. Energiedissipation erfolgt bei Partikeldämpfern durch eine Kombination unterschiedlicher Verlustmechanismen, die hochgradig nichtlinear sind und von verschiedenen Systemparametern beeinflusst werden [13, 19]. Die Design Parameter zur Beeinflussung der Dämpfung wurden bereits intensiv untersucht und werden im Folgenden zusammengefasst. Anregungslevel Bei vielen kleinen Partikeln muss zunächst die Reibkraft zwischen den Partikeln überwunden werden, bis sich die Partikel im Dämpfer bewegen können. Erst wenn Partikelbewegungen und Partikelinteraktionen auftreten, nimmt die Dämpfung im Bauteil oder im System zu [20] und steigt mit Zunahme der Amplitude weiter an [22]. Als Grenzwert für die minimale Anregung schlagen Xu et al. X0·f 2 = 3,5 m/s2 vor [23]. Dabei stellt X0 die Auslenkung bei der entsprechenden Frequenz f dar. Hollkamp und Gordon fanden heraus, dass ein Zusammenhang zwischen dem Anregungslevel und dem Hohlraumvolumen vorliegt. Eine Vergrößerung des Füllvolumens bei kleinen Amplituden führt zu einer gleichbleibenden Systemdämpfung, wohingegen bei hohen Amplituden die Systemdämpfung nachlässt. Sie folgern, dass eine Reduzierung des Füllvolumens zu einer Erhöhung der Systemdämpfung bei großen Amplituden führen kann [24]. Auch Fowler et al. bestätigen, dass eine maximale Systemdämpfung nur bei optimalem Anregungslevel erreicht werden kann. Ist das Anregungslevel höher oder niedriger als das Optimum, sinkt die Systemdämpfung. Dieser Zusammenhang ist eng mit den Hohlraumabmessungen, besonders der Abmessung des Hohlraums in Richtung der Schwingbewegung, verbunden [19]. Xiao et  al. zeigen für rotierende Komponenten, am Beispiel einer Zahnradpaarung, dass die Systemdämpfung mit steigender Drehzahl und höherem Anregungslevel zunimmt. Ab einer bestimmten Drehzahl des Zahnrads ändern sich die Reibverhältnisse. Dann ist die Rollreibung der entscheidende Mechanismus und nicht mehr die Gleitreibung, sodass die Systemdämpfung reduziert wird [15]. Ebenfalls führt eine zu hohe Last zu einer Abnahme der Systemdämpfung [25]. Beim Vergleich zwischen freien und erzwungenen Schwingungen, konnte festgestellt werden, dass sich die Systemdämpfung unterschiedlich verhält [22]. Dementsprechend sollte schon bei der Gestaltung des Partikeldämpfers die Anregungsart berücksichtigt werden. Partikelmasse Die Masse ist kein unabhängiger Parameter, der isoliert betrachtet werden kann [24]. Bei Versuchen mit steigender Masse nehmen auch das Füllvolumen und die Partikelanzahl zu. Untersuchungen von Hohlkamp und Gordon ergaben, dass mit steigender Masse die Systemdämpfung bis zu einem bestimmten Wert zunimmt und anschließend konstant bleibt. Bei maximaler Füllung des Hohlraums ist die Systemdämpfung drastisch abgefallen [24]. Ursache hierfür ist, dass bei höherer Partikelanzahl, die unteren Schichten stärker zusammen gedrückt werden und sich kaum bzw. nicht bewegen können [20, 24]. Fowler et al. fügten

130

T. Ehlers und R. Lachmayer

hinzu, dass mit steigender Masse auch eine nicht unerhebliche Verschiebung der Eigenfrequenz erfolgt [19]. Sathishkumar et  al. empfehlen Materialien mit höherer Dichte zu verwenden, allerdings führt die Dichte alleine nicht zu einer besseren Systemdämpfung [26]. Masmoudi et al. endeckten, dass bei Versuchen mit Partikeln aus Stahl und Glas, die Systemdämpfung unabhängig von der Anzahl der Partikel und den Materialeigenschaften ist. Der primäre Faktor zur Energiedissipation ist die Partikelmasse und die Anregungsamplitude [27]. Richtig ausgelegte Partikeldämpfer können, selbst bei einem relativ kleinen Massenverhältnis, die Schwingungen leicht gedämpfter Strukturen erheblich reduzieren [20]. Partikelgröße/Partikeldurchmesser Xu et al. zeigen, dass die Dämpfungsverhältnisse des Systems in Abhängigkeit der Partikeldurchmesser die gleichen Tendenzen für unterschiedliche Füllvolumina aufweist, vo­ rausgesetzt dass die Anregungsfrequenz konstant bleibt. Des Weiteren wurde festgestellt, dass mit steigender Anregungsfrequenz, größere Partikel eingesetzt werden sollten [23]. Papalou und Masri stellten fest, dass mit abnehmender Partikelgröße der Einfluss der Hohlraumgröße und des Anregungslevels abnimmt [20]. Hollkamp und Gorden vermuten, dass der Einfluss der Partikelgröße auch materialabhängig sein kann [24]. Kleinere Partikelgrößen führen zu einer größeren Anzahl an Kontakten und führten bei Sathishkumar et al zu einer höheren Systemdämpfung [26]. Xia et al. untersuchten Partikeldurchmesser für eine Zahnradanwendung von 1 mm bis 9 mm [15]. Dabei wurde der optimale Partikeldurchmesser auf 4 mm bis 5 mm für sämtliche Anregungslevel identifiziert. Partikelform und Partikelmaterial Experimentelle Untersuchungen von Hollkamp und Gordon, für Partikel aus Edelstahl, Titan und Wolfram, zeigen kaum Auswirkungen der Partikelform und des Partikelmaterials auf die Systemdämpfung [24]. Nur für Aluminiumpartikel kann ein Einfluss der Partikelform und des – materials auf die Systemdämpfung festgestellt werden. Die ­Abweichung wird auf die erhöhte Kohäsion des Aluminiums zurückgeführt [24]. Die geringen Auswirkungen der Partikelform auf die Systemdämpfung bestätigen Pourtavakoli et al. für die kritische Amplitude [28]. Allerdings sind sphärische Partikel besser für niedrige Anregungslevel geeignet [28]. Schmitt el al. kommen zu dem Ergebnis, dass sphärische Partikel am besten geeignet sind [29]. Weitere Arbeiten empfehlen beispielsweise Wolfram aufgrund der hohen Dichte als Partikelmaterial zu verwenden [21]. Füllvolumen/Packungsdichte Das Füllvolumen gibt das Verhältnis vom Volumen aller Partikel bezogen auf das Hohlraumvolumen an.



ρ F u¨ ll =

VPartikel VHohlraum

(2.1)

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

131

Wie eingangs beschrieben, ist es schwer das Füllvolumen isoliert zu untersuchen, da die Masse ebenfalls zunimmt. Hollkamp und Gorden umgingen dieses Problem, indem sie unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Dichte vermischen und so das Füllvolumen variieren konnten. Als Ergebnis wurde ein optimales Füllvolumen von 45 % identifiziert. Im Bereich von 67 bis 78 % nimmt die Systemdämpfung leicht ab, bleibt dafür aber in dem Bereich näherungsweise konstant. Bei 100 % Füllvolumen ist keine Systemdämpfung mehr ersichtlich [24]. Zu einem ähnlichen Ergebnis kamen Schmitt et al., die einen Bereich von 40 bis 80 % für das Füllvolumen angeben, um eine gute Systemdämpfung zu erzielen. Bei diesem Füllvolumen ist das Verhältnis zwischen Reibung und Kollision für eine hohe Energiedissipation gut abgestimmt [29]. Das optimale Füllvolumen sollte allerdings für andere Bauteile als für Balken überprüft werden [22]. Xu et al. haben den Einfluss des Füllvolumens auf die Systemdämpfung bei verschiedenen Frequenzen untersucht. Für Frequenzen bei 100 Hz ergab sich eine optimale Systemdämpfung für ein Füllvolumen von 60 %. Mit zunehmender Frequenz (2000–3500 Hz) verschiebt sich das optimale Füllvolumen zu 100  %. Bei einer Frequenz von 5440  Hz nahm das optimale Füllvolumen auf 90 % ab [23]. Die Versuche wurden für vier verschiedene Partikelgrößen und fünf verschiedene Frequenzen durchgeführt. Xu et al. entwickelten eine Kurve, die den optimalen Füllgrad über die Frequenz wiedergibt. Folglich sollte das optimale Füllvolumen nach der Anregungsfrequenz ausgelegt werden. Als Daumenwert kann für niedrige Anregungsfrequenzen ein geringes und bei hohen Frequenzen ein großes Füllvolumen gewählt werden [23]. Abmessungen/Kavitäten In Gravitationsrichtung brauchen die Hohlraumabmessungen bzw. Kavitäten nicht zu groß ausgeführt werden, da viel Partikelmasse die unteren Schichten zusammendrückt und sich so nicht mehr bewegen kann [20, 24]. Die optimale Hohlraumhöhe muss für jeden Anwendungsfall neu bestimmt werden [24]. Allerdings ist bei kleinen Kavitäten die Systemdämpfung gering [20]. Reibung Eine Steigerung des Reibkoeffizienten oder der Viskoelastizität führen bei Einmassen Aufpralldämpfern zu einer erhöhten Systemdämpfung, jedoch nicht bei Partikeldämpfern [19]. Durch Simulationsergebnisse konnten Xiao et al. für eine Zahnradpaarung feststellen, dass bei geringen Drehzahlen glatte Partikel besser geeignet sind und für hohe Drehzahlen raue Partikel mit höherem Haftreibungskoeffizienten. Für die Bestimmung des optimalen Haftreibungskoeffizienten ist die Drehzahl entscheidend und nicht die Kraft bzw. das Moment [25]. Wong et al. haben über die Diskrete Elementmethode (DEM) Partikeldämpfer simuliert und mit Messungen verglichen. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass die Reibung zwischen den Partikeln der dominierende Effekt zur Schwingungsreduzierung ist. Aus den Versuchen konnten 70–75 % der Energiedissipation auf Reibung zurückgeführt werden.

132

T. Ehlers und R. Lachmayer

Allerdings wurde auch festgestellt, dass der Reibkoeffizient einen geringen Einfluss auf das Ergebnis hat [30]. Partikelhärte Nach Sathishkumar et  al. hat die Härte der Partikel einen großen Einfluss auf die Systemdämpfung. Je höher die Härte der Partikel ist, desto größer fällt die Systemdämpfung aus. Zurückzuführen kann der Einfluss der hohen Härte darauf, dass harte Partikel eine verbesserte Oberflächengüte aufweisen und in dem Fall die Scherreibung einen hohen Einfluss auf die Systemdämpfung hat [26]. Position des Partikeldämpfers Grundsätzlich sollte der Partikeldämpfer immer dort angebracht werden, wo die zu erwartende Auslenkung der Hauptstruktur am größten ist, bzw. die größte kinetische Energie vorliegt [24]. Für rotierende Komponenten sind Kavitäten die senkrecht zur Zentrifugallast gebohrt sind zu bevorzugen [31]. Weitere Einflussgrößen Der Einfluss der Gravitation hat auf partikelgedämpfte Systeme nur einen sehr geringen Einfluss [19]. Im Gegensatz zu Dämpfern mit nur einem Partikel müssen die Designparameter von Multipartikeldämpfer weniger präzise ausgelegt werden, um eine gute Systemdämpfung zu erzielen [19]. Des Weiteren stellen Wong et  al. fest, dass Partikel mit kleineren Stoßziffern als 0,9 mehr Energie aus dem System dissipieren, als Partikel mit höherer. Eine Stoßziffer von 1 bedeutet elastischer Stoß und 0 plastischer Stoß.

3

Laserstrahlgeschmolzene Partikeldämpfer

In diesem Abschnitt werden die Potenziale der Additiven Fertigung hier am Beispiel des Selektiven Laserstrahlschmelzens als Fertigungsverfahren zur Herstellung von partikelgedämpften Bauteilen aufgezeigt. Zuerst werden die Herstellungsmöglichkeiten von laserstrahlgeschmolzenen Partikeldämpfern beschrieben und darauf aufbauend die Fertigungsrestriktionen erläutert. Anschließend werden Anwendungsgebiete und der aktuelle Stand der Forschung zu ­laserstrahlgeschmolzenen Partikeldämpfern veranschaulicht. Darauf aufbauend wird weiterer Handlungsbedarf zur Entwicklung additiv gefertigter Partikeldämpfer abgeleitet.

3.1

Herstellungsmöglichkeiten von Partikeldämpfern

Durch pulverbettbasierte Verfahren können in einem Fertigungsschritt das Bauteil und der integrierte Partikeldämpfer hergestellt werden [14]. Insbesondere das SLM bietet das Potenzial, unverschmolzenes Pulver in Kavitäten zu belassen und dadurch die Bauteildämpfung stark zu erhöhen. Die Fertigung des Partikeldämpfers spart im SLM Fertigungszeit ein, da der Bereich in dem später die unverschmolzenen Partikel liegen sollen, nicht

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

133

aufgeschmolzen werden muss. Dementsprechend kann für die Additive Fertigung, der hohe Grad der Funktionsintegration und die Wirtschaftlichkeit durch die Integration von Partikeldämpfung weiter gesteigert werden. Für die Additive Fertigung von partikelgedämpften Bauteilen können verschiedene Strategien verfolgt werden, auf die im Folgenden eingegangen wird. In Abb. 2a ist der Fertigungsprozess eines partikelgedämpften Zahnrads im SLM dargestellt. Aufgrund der ­Beschichtungsstrategie von SLM-Anlagen ist es nicht möglich die Packungsdichte des Pulvers in den Hohlräumen zu variieren (siehe Abb. 2c). Ebenfalls ist das Material des Pulvers identisch zum Bauteil. Durch diese Limitationen wird die Gestaltungsfreiheit des integrierten Partikeldämpfers und die Effektivität eingeschränkt. Abhilfe kann hier eine Modifizierung der Anlagentechnologie bieten. Hollkamp und Gorden hatten für ihren Anwendungsfall eine optimale Packungsdichte von 45 % nachgewiesen [24]. Um die Packungsdichte im SLM zu variieren (siehe Abb. 2d), könnte ein Roboterarm in die SLM-Anlage integriert werden, der Pulver aus den Kavitäten absaugt oder anderes Pulver bzw. Kugeln in die Kavitäten füllt. Ebenfalls kann die Partikelgröße in SLM-Anlagen variiert werden, indem einzelne Pulverpartikel zu größeren Strukturen verschmolzen werden oder feinkörnigeres Pulver verwendet wird [29]. Im SLM kann nur das Material in Kavitäten gefüllt werden aus dem das Bauteil besteht. Aus diesem Grund ist ein Pulveraustausch bzw. eine Pulvermischung vorteilhaft (Abb. 2e), da wie in Abschn. 2.2 beschrieben, Pulvermaterialien mit hoher Dichte zu höherer Bauteildämpfung führen. Durch verschiedene Arten zur Modifizierung von SLM-­Anlagen wie von Bedoret et  al. beschrieben [32] können Multimaterialien gedruckt und dementsprechend auch Pulvermischungen oder anderes Pulver in Kavitäten eingefüllt werden.

3.2

Fertigungsrestriktionen

Im Folgenden werden Fertigungsrestriktionen für partikelgefüllte Hohlräume anhand von Abb. 3 beschrieben. Bei der Gestaltung der Hohlräume ist darauf zu achten, dass ab einem bestimmten Down-Skin-Winkel, Stützstrukturen verwendet werden müssen. Diese können Laser

a)

x-y Scanner

Verfestigungszone

Bauteil Beschichter

b)

Pulvervorratsbehälter

Überlaufbehälter z

Bauplattform Hubtisch

c)

d)

e)

Abb. 2  Partikelgedämpftes Zahnrad: a) Fertigung im SLM nach [7] b) Schnittansicht c) Kavität voll gefüllt d) Kavität teilgefüllt e) Kavität mit verschiedenen Materialien gefüllt

134

T. Ehlers und R. Lachmayer Ø

b

Bohrungen

s

Spalte

Øz ≥ 0,6 mm

sβ = 90° ≥ 0,6 mm

z

z

Wandstärke

b ≥ 0,5 mm β

z

Keine Öffnungen

A3

Querschnittsangleichung A1 = A2 = A 3

A1

Gestaltung von Kreisen z

A2

δ z

Stützstrukuren Downskin-Winkel

Stützstrukturen

lf

Kein Entfernen möglich

δ ≥ 45°

z

Überhänge lf ≤ 3 mm

z

Abb. 3  Fertigungsrestriktionen für das laserstrahlschmelzen von partikelgefüllten Hohlräumen, die angegebenen Werte gelten für AlSi12Mg nach [7]

nachträglich nicht mehr entfernt werden. Alternativ können selbstragende Strukturen verwendet werden. Es ist zu berücksichtigen, dass ebenfalls die Flächen in den Hohlräumen nicht nachbearbeitet werden können. Beispielsweise könnte die ­Oberflächenrauhigkeit bei dynamisch belasteten Bauteilen ein Faktor für Rissinitiierung sein. Die minimalen Abmessungen für Bohrungen oder Spalte begründen sich darin, dass sich das Pulver in engen Hohlräumen nicht mehr frei bewegen kann. Daraus folgt, dass bei Bauteilschwingungen sich das Pulver wie eine zusammenhängende Masse verhält und nicht mehr zur Steigerung der Bauteildämpfung beiträgt. Bei der Festlegung der minimalen Wandstärke muss berücksichtigt werden, dass sich die Wandstärke durch abrasiven Verschleiß infolge Partikel/ Wandinteraktionen reduziert.

3.3

 tand der Forschung und Technik zu S laserstrahlgeschmolzenen Partikeldämpfern

Elektromagnetische Federkraftbremse Künneke und Zimmer untersuchen die Auswirkungen der Partikeldämpfung an einer Ankerscheibe für eine elektromagnetischen Federkraftbremse [33, 34]. Das Lösen der Bremse wird durch einen Elektromagneten realisiert, der die Ankerscheibe vom Rotor abzieht. Beim Bremsvorgang wird der Elektromagnet ausgeschaltet und die Ankerscheibe prallt impulsartig auf den Rotor. Infolge des Impulses entstehen Schwingungen, die zu einer unerwünschten Geräuschabstrahlung führen. Die Bremsscheibe wird mittels SLM aus Edelstahl 316L gefertigt und Pulver eingelagert. Mithilfe von Schalldruckpegelmessungen wurde im Mittel eine Reduzierung der Schallabstrahlung um 7,86 dB(C) durch Partikeldämpfung nachgewiesen [34].

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

135

Des Weiteren untersuchen Künneke und Zimmer laserstrahlgeschmolzene Proben aus Edelstahl 1.4404 mit Pulvereinlagerung. Die Messungen erfolgen durch einen Ausschwingversuch und die Bauteildämpfung wird über ein modifiziertes logarithmisches Dekrement angegeben [34]. Bei einer höheren Hohlraumlänge, die mit einer Vergrößerung des Hohlraumvolumens einhergeht, wird die Bauteildämpfung der laserstrahlgeschmolzenen Balken erhöht [34]. Mit einer höheren Hohlraumhöhe konnte ebenfalls die Bauteildämpfung erhöht werden und die Ausschwingzeit um 83  % reduziert werden. Des Weiteren untersuchten Künneke und Zimmer den Einfluss der Hohlraumunterteilungen, jeweils parallel und senkrecht zur Schwingrichtung. Die Art der Ausrichtung hat nur einen geringen Einfluss, allerdings nimmt die Bauteildämpfung deutlich ab im Vergleich zu einem äquivalenten Volumen ohne Unterteilung. Getriebeanwendungen Schmitt et al. untersuchten die Verbesserung des NVH-Verhaltens von Getrieben, genauer gesagt von partikelgedämpften Zahnrädern [29]. Sie fassen den Stand der Technik und Forschung zur Gestaltung von partikelgedämpften Zahnrädern zusammen. Die Additive Fertigung wird bereits zur Fertigung von masse- und steifigkeitsoptimierten Zahnrädern eingesetzt. Jedoch ist die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens eingeschränkt. Durch die Funktionsintegration eines Partikeldämpfers kann die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden [29]. Schmitt et al. diskutieren mögliche Arten zur Herstellung von Partikeldämpfern, sowohl konventionell als auch per SLM. Da für partikelgedämpfte Zahnräder größere Partikel von ca. 4–5 mm verwendet werden sollten [15], schlagen Schmitt et al. vor, das Pulver in den Kavitäten zu größeren Strukturen zu verschmelzen [29]. Im Bereich der Partikeldämpfung durch Additive Fertigung sind einige Patente veröffentlicht. Patentansprüche zu Maschinenelementen werden von [35] reklamiert. Weitere Patente zur Partikeldämpfung und dessen Herstellung sind in [36–38] beschrieben. Schneidwerkzeuge Im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts PN: 315697914 wird die Schwingungsreduzierung von laserstrahlgeschmolzenen Werkzeugaufnahmen untersucht. In den dazugehörigen Arbeiten von Vogel et al. und Biermann et al. werden laserstrahlgeschmolzene Wendeschneidplattenhalter untersucht, in denen Pulver eingelagert ist [17, 39, 40]. Abb. 4 zeigt schematisch einen Wendeschneidplattenhalter mit Hohlraumvolumen. Beim Wendeschneidplattenhalter (WSPH) kann eine Pulvereinlagerung zu einer verminderten Schwingungsamplitude und veränderter Eigenfrequenz führen und so die Eingriffsbedingungen bzw. das dynamische Verhalten verbessern [17]. Insgesamt wurden vier laserstrahlgeschmolzene WSPH mit unterschiedlicher Hohlraumgeometrie und z. T. inneren Strukturen hergestellt und miteinander verglichen [39]. Dabei wurde der Hohlraum so gestaltet, dass eine flexible Füllung der Kavitäten mit verschiedenen Partikelwerkstoffen und Partikelgrößen möglich ist. Das Pulver konnte nach dem Bauprozess reversibel ausgetauscht werden. Zur Auswahl standen Partikel aus Glas und zwei verschiedene Keramiksorten mit Durchmessern von 0,4–0,6 mm.

136

T. Ehlers und R. Lachmayer Wendeschneidplattenhalter Hohlraumvolumen

Wendeschneidplatte

Abb. 4  Wendeschneidplatten­halter mit partikelgefülltem Hohlraum

Zum Testen wurde der laserstrahlgeschmolzene WSPH aus Edelstahl 1.2709  in die Drehmaschine eingespannt und mit einem Impulshammer zu Schwingungen angeregt. Die Schwingungen wurden mit einem Beschleunigungssensor gemessen. Aus den Messsignalen wurde der Maximalwert der Übertragungsfunktion bestimmt. Der WSPH mit ellipsoidem Hohlraum und ohne Stützstruktur, weist bereits ohne Partikel für eine ­ ­Ausspannlänge von 40  mm eine geringere maximale Amplitude auf, als der Referenz WSPH. Mit Keramikpartikeln konnte die maximale Amplitude um 43 % in Schnittrichtung und 51 % in Vorschubrichtung reduziert werden [39]. Bei Versuchen mit einer Ausspannlänge von 75 mm zeigt sich ein anderes Verhalten. Hier ist die maximale Amplitude des WSPH mit ellipsoidem Hohlraum, ohne Stützstruktur und ohne Partikel ca. 30  % höher als die Referenzgeometrie [40]. Hingegen ist die maximale Amplitude für den ellipsoiden Hohlraum mit einer inneren Struktur aus Okta­ ederstumpfelementen um ca. 50 % in Schnittrichtung und 30 % in Vorschubrichtung kleiner. Anschließend wurde dieser WSPH mit Wolframcarbid-Zirkondioxid-Partikeln befüllt, mit dem Ergebnis, dass die maximale Amplitude geringfügig weiter reduziert wird [40]. Ebenfalls wurden mit partikelgefüllten WSPH, mit ellipsoiden Hohlraum mit und ­ohne Oktaederstumpfelementen, Zerspanversuche an den Titanwerkstoffen TiAl6V4 und Ti6Al2Sn4Zr6Mo bei verschiedenen Ausspannlängen durchgeführt [17, 39, 40]. Dabei konnte ebenfalls eine deutlich reduzierte Beschleunigung detektiert werden. Darüber hi­ naus konnten die Prozesskräfte reduziert werden [39]. Die Standzeit des additiv gefertigten WSPH konnte um 10 % erhöht werden [17]. Zurückgeführt wurde dies auf die reduzierte Oberflächenzerrüttung und reduzierte Schwingungsneigung [17]. Aufbauend auf der Arbeit von Biermann et al. untersucht Cho in seiner Arbeit das Unterdrücken von Ratterschwingungen an einem Drehmeißel [41]. Ebenfalls ist der Einsatz von Partikeldämpfung bei Werkzeugeinsätzen patentiert [42]. Grundlagenuntersuchung am Balken Scott-Emuakpor et  al. untersuchen erzwungene Schwingungen von partikelgedämpfte Balken aus Inconel 718 [14, 43–46]. Die Balken werden einseitig auf einem Shaker eingespannt, ihre Schwingungen über ein Laservibrometer detektiert und die Schwingungen des Shakers über einen Beschleunigungssensor gemessen. Die Bauteildämpfung wird

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

137

über die zweite und dritte Mode berechnet, da die erste Mode zu stark durch die Einspannung beeinflusst wird. Mit nur 1–4 % des Balkenvolumens als Hohlraumvolumen, kann die Bauteildämpfung um bis zu das Zehnfache bzw. Sechzehnfache gesteigert werden [14, 46]. In den ersten Arbeiten von Scott-Emuakpor et  al. werden vier Balken mit unterschiedlicher Anzahl und Anordnung der pulvergefüllten Hohlräume untersucht [14]. Die Positionierung der Hohlräume wird so gewählt, dass die Position der Schwingungsmaxima entweder von der ersten, zweiten oder dritten Mode mit der Position Hohlräume zusammenfällt und so die Bauteildämpfung maximiert wird [44]. Die Packungsdichte des Pulvers kann über die Balkenmasse, das Volumen und den Vergleich der Massen zwischen pulvergefülltem und homogenem Balken berechnet werden. Der theoretische Wert liegt bei ca. 74 % und der gemessene Mittelwert bei 75,4 % [14]. Die Packungsdichte variiert allerdings mit dem Material, der Partikelgeometrie und der Partikelgröße [29]. Durch einen CT-Scan konnte nachgewiesen werden, dass das Pulver nicht den gesamten Hohlraum ausfüllt, sondern im Bauteil ein Luft- oder Gas gefüllter Spalt im Hohlraum vorliegt [44]. Das Pulverfließverhalten und die Pulverinteraktion haben einen großen Einfluss auf die Bauteildämpfung. Die gemittelte Korngröße beträgt für das verwendete Pulver aus ­Inconel 27 μm. [14]. Das Pulver ist gasatomisiert und weist viele sphärische, aber auch nicht sphärische Partikel sowie Satelliten auf. Auf die Bauteildämpfung haben die Anregungsfrequenz und -amplitude eine hohe Auswirkung und stehen zueinander in Beziehung. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Amplitude wird durch eine schrittweise Regressionsanalyse beschrieben [43, 45]. Scott-Emuakpor et al. führen den primären Mechanismus zur Energiedissipation auf das Gleiten von unverschmolzenem Pulver zurück [14, 44]. Dieser Rückschluss wurde aus Untersuchungen zur Wärmeverteilung des Balkens geschlossen. In den Bereichen des Balkens, in dem sich pulvergefüllte Hohlräume befinden, ist die Temperatur infolge von ­Reibung erhöht [14]. Aus weiteren Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die kinetische Energie und damit auch die Geschwindigkeit und die Auslenkung der Balkenschwingung alleine kein Schlüsselfaktor für die Bauteildämpfung ist [14]. Bei zwei Balken, die mehr als sieben Millionen Zyklen ausgesetzt waren, reduziert sich die Bauteildämpfung mit der Zeit um 70–80 %. [43, 45]. Allerdings ist die Bauteildämpfung von den intensiv getesteten Balken immer noch doppelt so groß als beim homogenen Balken. Ebenfalls führen sehr hohe Amplituden zu einer Degeneration der Bauteildämpfung [43, 45]. Die Degeneration tritt somit entweder bei sehr hohen Amplituden oder ­hoher Zyklenanzahl auf [43, 45]. Kurz nach der anfänglichen Reduzierung der Bauteildämpfung wird ein stationärer Zustand erreicht. Maßnahmen die Bauteildämpfung zu ­reaktivieren, haben nur eine geringfügige Verbesserung gezeigt. Die Abnahme der Bauteildämpfung durch Pulveragglomerationen konnten ausgeschlossen werden, indem die Balken aufgeschnitten wurden und weiterhin feinkörniges Pulver vorlag [14]. Die Abnahme der Bauteildämpfung bei hohen Amplituden ist darauf zurückzuführen, dass das unverschmolzene Pulver sich nicht so frei bewegen kann und sich wie eine angesammelte Masse verhält. Ein weiterer Grund ist die gestiegene Nachgiebigkeit des Balkens [43, 45].

138

T. Ehlers und R. Lachmayer

Es wurde postuliert, dass die Degeneration der Bauteildämpfung auf eine Abnahme oder Unbeweglichkeit der Fließfähigkeit zurückzuführen ist. Abhilfe würden hier Prozesse zur Pulverherstellung liefern, die hochkugelige sowie glatte Geometrien und Pulver mit geringer Porosität herstellen [14]. Die Reproduzierbarkeit der Partikeldämpfung untersuchen Scott-Emuakpor et al. für zwei unterschiedliche Scanstrategien an je zwei Balken [46]. Als Scanstrategien werden die kontinuierliche Skin/Core und die Insel-Strategie während der Fertigung verwendet. Entgegen vorheriger Untersuchungen wurde zusätzlich die Aufbaurichtung geändert. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass die Scanstrategie und die Bauteilorientierung für den Bauprozess einen vernachlässigen Einfluss auf die Bauteildämpfung haben. Alle vier Balken wiesen eine reproduzierbare Bauteildämpfung auf [46]. Das bedeutet, dass der Effekt der Bauteildämpfung primär auf das unverschmolzene Pulver in den Hohlräumen zurückzuführen ist [46]. Es gilt weiterhin den Einfluss der Erosion auf die Bauteildämpfung und -lebensdauer zu überprüfen [46].

3.4

Abgeleiteter Handlungsbedarf

Um die industrielle Reife von additiv gefertigten Strukturbauteilen, in den der Effekt der Partikeldämpfung integriert ist, zu erreichen besteht aktuell noch Forschungsbedarf. Im Folgenden werden dazu Herausforderungen aufgeführt, die sich der Konstrukteur bei der Auslegung vor Augen halten muss und Ansätze zu deren Lösung aufgezeigt. Abhängig vom Material und den Prozessparametern wird für laserstrahlgeschmolzene Bauteile eine Oberflächenrauhigkeit von Ra = 9–10 μm erreicht [47]. Da die partikelgefüllten Hohlräume der additiv gefertigten Partikeldämpfer nicht nachbearbeitet werden können, kann diese erhöhte Oberflächenrauhigkeit als Rissindikator für dynamisch belastete Strukturbauteile angesehen werden. Allerdings ist es möglich, dass durch Partikel/ Wandinteraktionen, die zu Erosion führt, die Rauheitsspitzen des Hohlraums abgerieben werden und so die Rissinitiierung reduziert wird. Infolge der Erosion kann aber auch die Wandstärke und somit die Festigkeit des Bauteils über die Lebensdauer verringert werden. Dementsprechend sind weitere Experimente hinsichtlich der Lebensdaueruntersuchung notwendig. Ebenfalls sollte die Langzeitwirkung von additiv gefertigten Partikeldämpfern untersucht werden, um die Degeneration der Bauteildämpfung bei hohen Zyklenzahlen und Anregungsamplituden zu bewerten. Bisher wurden nur wenige Pulversorten zur Herstellung von additiv gefertigten Partikeldämpfern untersucht. Leicht entzündliche Pulversorten wie beispielsweise Titanpulver, bergen das Risiko mit Sauerstoff, welcher durch die Bauteilhülle diffundieren kann, zu reagieren. Hier ist die chemische Langzeitbetrachtung des Pulvers in den Hohlräumen zu untersuchen. Generell ist bei partikelgedämpften Bauteilen darauf zu achten, dass das Pulver lungengängig ist und bei Rissen in der Bauteilhülle austritt. Beim Freisetzen von Pulver muss außerdem bedacht werden, dass Pulversorten mit bestimmten Legierungselemente als

Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

139

gesundheitsgefährdend und krebserregend eingestuft werden und somit ein Versagen des Bauteils ausgeschlossen werden muss. Für eine sichere Auslegung eines Bauteils empfiehlt es sich, das Pulver im Bauteilinneren nach dem Bauprozess zu entfernen und durch nicht gesundheitsgefährdendes Pulver mit ausreichender Korngröße auszutauschen. Anschließend müssen die Hohlraumöffnungen verschlossen werden. Durch den Pulveraustausch können die Restriktionen der pulverbettbasierten Fertigung reduziert und die Gestaltungsfreiheit gesteigert werden. Beispielsweise ist es möglich die Pulverkorngröße, den Füllgrad und das Pulvermaterial im Hohlraum zu variieren, um die Bauteildämpfung gezielt anzupassen. Beim Austausch des Pulvermaterials können die Erkenntnisse über den Einfluss der Designparameter von konventionellen Partikeldämpfern auf additiv gefertigte Partikeldämpfer übertragen werden. Wenn das Pulver nach dem Bauprozess entfernt und gegen einen anderen Füllstoff ausgetauscht werden soll, können Verfahren zur Oberflächennachbearbeitung wie Strömungsschleifen eingesetzt werden, um die Oberflächenrauhigkeit der Hohlraumgeometrie zu reduzieren. Dadurch kann eine frühzeitige Rissbildung und damit Bauteilversagen verringert werden. Bei nachträglich eingefülltem Pulver oder Pulvermischungen, sollte die Elektronegativität und auch die interkristalline Korrosion berücksichtigt werden. Neben der Befüllung der Hohlräume mit Pulver besteht die Möglichkeit, Fluide oder Gemische aus Pulver und Fluiden einzufüllen. Durch das Einbringen von Fluiden kann beispielsweise zusätzlich neben dem Effekt der Dämpfung auch eine verbesserte Wärmeleitung realisiert werden. Mit Hilfe der Additiven Fertigung können Zielkonflikte gelöst werden. Beispielsweise kann die Bauteildämpfung ins Bauteilinnere, als innerer Effekt, integriert und gleichzeitig durch Anpassung der Bauteilgestalt durch eine Topologieoptimierung die Bauteilsteifigkeit erhöht werden. Einige der Bereiche, für welche die Topologieoptimierung eine Materialwegnahme vorschlägt, könnten mit Pulver gefüllt werden.

4

Zusammenfassung und Ausblick

Additiv gefertigte Partikeldämpfer sind in der Lage Schwingungen global oder lokal effektiv zu dämpfen. Dabei kann mitunter die Bauteildämpfung um das Fünfzehnfache erhöht oder die Schallabstrahlung deutlich reduziert werden. In diesem Beitrag wurde der Stand der Technik und Forschung zu Partikeldämpfern zusammengefasst. Dazu wurden die Designparameter, die einen Einfluss auf die Dämpfung haben, erläutert. Es wurde ­gezeigt, welche Potenziale mit der Additiven Fertigung, insbesondere dem SLM zur ­Herstellung von Partikeldämpfern erreicht werden können. Bei der Herstellung laser­ strahl­geschmolzener Partikeldämpfer wurden verschiedene Ansätze zur Befüllung der Partikeldämpfer diskutiert. Bei der pulverbettbasierten Fertigung werden Hohlräume immer mit unverschmolzenem Pulver befüllt. Ohne Auslassöffnungen im Bauteil bleibt das Pulver im Bauteilinneren und es entsteht ein Partikeldämpfer. Durch Fertigungsrestriktionen ist das unverschmolzene Pulver immer identisch zu dem des Bauteils. Diesbezüglich

140

T. Ehlers und R. Lachmayer

wurden Maßnahmen diskutiert, wie unverschmolzenes Pulver im und nach dem Bauprozess gegen anderes Pulver ausgetauscht werden kann. Durch diese Maßnahmen ist es möglich die Gestaltungsfreiheit bei der Auslegung von Partikeldämpfern zu erhöhen und Fertigungsrestriktionen zu reduzieren. Bisher wurde der Effekt der Bauteildämpfung im Gestaltungsprozess isoliert betrachtet. Es sollte jedoch das Ziel sein, das Bauteil hinsichtlich verschiedener Effekte wie ­Steifigkeit und Dämpfung zu optimieren und eine entsprechende Simulationsumgebung aufzubauen. Weiterer Forschungsbedarf ist im Bereich der Lebensdaueruntersuchung von additiv gefertigten Partikeldämpfern erforderlich.

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Einsatz additiv gefertigter Partikeldämpfer – eine Übersicht

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Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile Harald Völkl, Johannes Mayer und Sandro Wartzack

Inhaltsverzeichnis 1  S  teigende Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile  2  Strukturmechanische Simulation von Bauteilen aus dem Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren  3  Simulation und Auswertung  4  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

   144    146    150  155  156

Zusammenfassung

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

H. Völkl (*) · J. Mayer · S. Wartzack Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_10

143

144

H. Völkl et al.

aufbaut, welches die lokal unterschiedlichen Materialorientierungen berücksichtigt. Dieser Ansatz soll detailliert vorgestellt und anhand eines Demonstratorbauteils mit unterschiedlichen Infill-Mustern angewandt werden.

Schlüsselwörter

Leichtbau · Additive Fertigung · Simulation · Fused Filament Fabrication · Infill-Muster

1

 teigende Anforderungen an die mechanischen S Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile

Die Nutzung additiver Fertigung zur Herstellung von direkt verwendbaren Bauteilen in kleinen und mittleren Stückzahlen und Funktionsprototypen, die bereits spätere Materialeigenschaften widerspiegeln sollen, stellt hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile [1]. Diesen Anforderungen wird häufig einerseits durch prozessbezogene Maßnahmen und andererseits mittels konstruktiver Maßnahmen, Design for Additive Manufacturing (DfAM), begegnet [2, 3]. Designs speziell für die additive Fertigung nutzen dabei beispielsweise die breite Materialauswahl, die große geometrische Gestaltungsfreiheit und die lokal adaptive Einstellung mechanischer Eigenschaften, z.  B. durch Lattice-Strukturen.  [3] Das Fused Filament Fabrication (FFF)-­ Verfahren, bei welchem das Material schichtweise in einzelnen Extrusionssträngen aufgebracht wird, weist dabei eine besonders ausgeprägte lokale Anisotropie auf. Je nach Material sind Steifigkeit und/oder Festigkeit in Pfadrichtung höher als quer dazu. Besonders deutlich zeigt sich die Anisotropie bei Verwendung von kurzfaserverstärktem Filament [4–6]. Die Überführung von CAD-Geometrie (bzw. STL- oder AMF-Files) in Druckinformationen (eine Building Source, z. B. G-code oder CMB der Firma Stratasys), welche die Extrusionspfade beinhalten, erfolgt dabei üblicherweise mit sogenannter Slicer-Software. Hier wird exemplarisch die Slicer-Software Ultimaker CURA [7] gezeigt (Abb. 1). Diese unterteilt die Geometrie in Einzelschichten („Slicing“). Die Außengeometrie wird dabei meist in Vollmaterial abgebildet („Shell“ bzw. „Inner Wall“), das Bauteilinnere nur teils aufgefüllt („Infill“), um Druckzeit zu sparen und dennoch die erforderliche Stützwirkung zu gewährleisten. Die hohe lokale Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften von der Extrusionspfadrichtung lässt darauf schließen, dass der Infill große Auswirkungen auf das spätere Bauteilverhalten besitzt und daher besondere Berücksichtigung beim DfAM verdient. Eine möglichst optimale Infill-Muster- und Infill-Dichteauswahl könnte eine sehr einfache Stei-

145

Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile Abb. 1  Generierte Extrusionspfade aus Ultimaker CURA [7] Infill

Inner Wall

Shell

Infill-Muster „Lines“ Infill-Dichte 20 %

Infill-Muster „Concentric“ (75 %)

Infill-Dichte 50 %

Infill-Dichte 100 %

Infill-Muster „Tri-hexagon“ (75 %)

Abb. 2  Verschiedene Infill-Muster und – Dichten für den Demonstrator aus Abschn. 3, jeweils die ersten beiden Schichten ohne Deckschichten gezeigt

gerung der mechanischen Bauteilqualität erlauben, da die Umstellung der Infillparameter für den Nutzer meist nur geringen Aufwand in der Slicer-Software erfordert.

H. Völkl et al.

146

Um eine zielgerichtete Parameterauswahl zu erlauben, ist die Abschätzung der Auswirkungen verschiedener Infill-Muster und – Dichten (Abb. 2) bereits vor dem Druck hilfreich, um zeit- und kostenaufwändige Versuche zu reduzieren. Hierfür wird in diesem Beitrag ein Ansatz vorgestellt, der ausgehend von einer CAD-Geometrie und den für FFF üblichen, zugehörigen G-code-Fertigungsinformationen mit unterschiedlichen Infills aus Slicer-Software automatisiert Simulationsmodelle aufbaut (Abschn. 2). Für verschiedene Infill-Muster und  – Dichten  (20–100  %) wird im Anwendungsteil (Abschn. 3) exemplarisch an einem Demonstratorbauteil simulationsbasiert der Einfluss auf die Bauteilverformung unter bestimmten Lastfällen untersucht.

2

 trukturmechanische Simulation von Bauteilen aus dem S Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren

2.1

Aufbau der Simulation

Einen Überblick über den Simulationsansatz gibt Abb. 3. Eine CAD-Geometrie (1) wird trianguliert und an die Slicer-Software (2) übergeben, welche die Fertigungsinformationen, hier G-code (3) generiert. Zudem werden die CAD-­ Geometrie und die Materialmodelle (4) in ein Finite-Elemente-(FE-)Preprocessing, hier ANSYS (5) geladen. Mit Hilfe eines Mapping-Algorithmus (5a) werden die lokalen Ex­ trusionsstrangrichtungen aus der Fertigungsinformation auf das im Preprocessing generierte FE-Netz gemappt – unter Berücksichtigung auch von Infill-Mustern und damit Leerstellen im Inneren des Bauteils. Die einzelnen Schritte werden in den folgenden Abschn. 2.2, 2.3, 2.4 beleuchtet.

2.2

Verwendete Materialmodelle

Die Struktur von Bauteilen, die mittels FFF gefertigt werden, ähnelt der Struktur von Faserverbundbauteilen im Hinblick auf Schichtaufbau und Materialorientierungen. [8, 9] 2 1

Slicer

5a

CAD-Geometrie

5

FE-Preprocessing (insb. Vernetzung)

4 Materialmodell

3

6

Abb. 3  Überblick über die Simulation

Simulation

Fertigungsinfo.

Mapping der Materialorientierung

Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile

147

Die mechanischen Eigenschaften von FFF-Bauteilen lassen sich daher, neben der direkten Ermittlung im Versuch, in einem orthotropen Materialmodell auf Mesostrukturebene ausdrücken. Der Maßstab liegt etwa in Größenordnung des extrudierten Materials [9]. Die regelmäßig reihenweise abgelegten Stränge werden dabei beispielsweise elliptisch oder als Rechtecke mit abgerundeten Ecken modelliert [10], siehe Abb.  3. Die Ausbildung der Me­ ­ sostruktur ist abhängig von Materialkennwerten des verwendeten Filaments und Druckparametern [9]. Die lokale Anisotropie in Steifigkeit und Festigkeit entsteht u.  a. durch Leerstellen und Porösitäten zwischen den Einzelsträngen und durch unvollständige Ausbildung der chemischen Bindung zwischen Strängen und Schichten [11]. Eine besonders ausgeprägte Steifigkeitsanisotropie ist bei Verwendung von faserverstärktem Filament zu erwarten, wobei sich beispielsweise zusätzlich zu den Leerstellen Carbon-­ Kurzfasern im Filament über 90 % in Druckrichtung ausrichten können [6]. Im hier vorgestellten Simulationsansatz werden Materialmodelle einerseits aus Versuchen in der Literatur verwendet, andererseits direkt aus der Mesostrukturmodellierung abgeleitet. Die Ableitung aus der Mesostruktur bietet dabei den Vorteil, spezifische Prozessparameter (z. B. Schichthöhen) direkt in der Simulation berücksichtigen zu können, während sonst weitere Versuche je nach Prozessparameter nötig werden. Ableitung des Materialmodells aus der Mesostruktur Exemplarisch für die Ableitung von Materialdaten aus der Mesostruktur wird ein erweiterter Ansatz nach Li et  al.  [9] verwendet, da dieser mittels Abminderungsfaktoren für Mesostruktur-­Schwächungen durch Leerstellen eine relativ einfache und für den Produktentwickler anwendbare Lösung bereithält. Das Verfahren weist auch eine verhältnismäßig gute Übereinstimmung zwischen Berechnung und Experiment auf [9]. Kompliziertere (z. T. FEM-basierte) Modelle wurden ebenso erfolgreich vorgestellt [8]. Ausgangspunkt der Berechnung sind hierbei die Elastizitätswerte des Filamentmaterials in Rohstoffform. Die geometrisch hergeleiteten Leerstellendichten in der yz-, xz- und xy-Ebene ρ1, ρ2 und ρ3 werden dabei auf den E-Modul des Ausgangswerkstoffs E0 angewandt und ergeben so die Elastizitätskonstanten des orthotropen Materialmodells, beispielhaft für den E-Modul Exx in Druckrichtung, Gl. 1 (alle folgenden Gleichungen aus [9]):

E xx = (1 − ρ1 ) E0

(1)

Die Leerstellendichte ρ1 wird aus den Ellipsenbetrachtungen (horizontale Halbachse a, vertikale Halbachse b, Überlappung δ, Abb. 4) gewonnen, Gl. 2:

ρ1 = 1 −

π ab 2 a ( 2b − δ )

(2)

Für den E-Modul quer zur Druckrichtung in der Druckebene Eyy gilt mit dem empirischen Faktor ξ1, welcher die verringerte chemische Bindung zwischen Strängen ausdrückt, und der Leerstellendichte ρ2 Gl. 3:

H. Völkl et al.

148

Abb. 4  Mesostruktur von Bauteilen gefertigt im FFF-Verfahren, repräsentative Einheitszelle, modelliert als a) Ellipsen und b) Rechtecke mit abgerundeten Ecken

E yy = ξ1 (1 − ρ2 ) E0



(3)

Analog wird Ezz in Tiefenrichtung (normal zum Druckbett) bestimmt, die Schubmoduln leiten sich wiederum aus abgeminderten Ausgangs-Schubmoduln her. Die Querkontraktionszahlen werden dem Ausgangsmaterial entnommen bzw. geschätzt. Das Versagensverhalten wird im Rahmen dieses Beitrags nicht berücksichtigt. Vergleich mit Versuchswerten und im Folgenden verwendete Materialdaten Für die folgende Simulation und Vergleiche wird einerseits ein Materialmodell verwendet, welches wie eben beschrieben aus PLA-Materialdaten nach [12] (verwendete Druckparameter: Düsendurchmesser 0,6 mm, Schichthöhe 0,2 mm) hergeleitet wird. Zum anderen wird beispielhaft das experimentell ermittelte ABS-GF20 aus [13] verwendet. Die gegenübergestellten Daten zeigt Tab. 1.

2.3

Vernetzung und Mapping

Die Übertragung der Richtungen der Infill-Pfade in die FE-Simulation erfolgt durch eine elementweise Ausrichtung der Orientierungen der Hauptachse des orthotropen Materialmodells (vergleiche Abschn. 2.2). Das Vorgehen dazu zeigt Abb. 5: Zunächst wird der G-code aus dem Slicer, hier CURA, exportiert (Abb.  5a). Es folgt die Vernetzung des CAD-Modells, welches auch für die Erstellung der Druckinformationen verwendet wurde. Die Elementkantenlängen entsprechen dabei etwa dem halben Düsendurchmesser

Tab. 1  Verwendete Materialmodelle Exx Eyy Ezz νxy νyz νxz Gxy Gyz Gxz ABS5,7 GPa 2,5 GPa 2,5 GPa 0,3 0,4 0,3 0,962 GPa 0,750 GPa 0,962 GPa GF20 [13] PLA, 3,5 GPa 2,316 GPa 3,360 GPa 0,36 0,36 0,36 0,610 GPa 0,650 GPa 0,884 GPa hergeleitet

149

Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile 2b 2a y z x

α

y z

δ

β

2b-δ

γ 2a-γ

Abb. 5  Modellparameter der Mesostruktur von FFF-Bauteilen nach Li et al. [9] a) GCODE

b) Netzpositionierung

c) Mapping

M

M

A Abb. 6  Detailliertes Vorgehen beim Mapping vom G-code bis zum FE-Modell

des verwendeten FFF-Druckers, um Einzelpfade möglichst genau wiedergeben zu können. Untersuchungen mit gröberem Netz wurden jedoch auch durchgeführt, um das Potenzial für eine Rechenzeiteinsparung einschätzen zu können. Da die Geometriepositionen des G-codes im Druckbettkoordinatensystem und des Netzes im FE-Koordinatensystem in der Regel nicht identisch sind, müssen Netz und G-code zunächst exakt übereinandergelegt werden (Abb. 5b), was durch ein Least-Squares Fitting des Netzes bzw. des G-codes in den Koordinatenachsen geschieht. Detail A in Abb. 5b zeigt zusätzlich, dass das Netz in Dickenrichtung in den genauen Schichtdicken diskretisiert ist  – das Mapping erfolgt schichtweise für jede Schicht einzeln. So können auch Einflüsse von Deckschichten bzw. von in z-Richtung variablen Infills etc. abgedeckt werden. Im letzten Schritt (Abb. 5c) erfolgt das eigentliche Mapping. Hierzu werden zunächst die G-code-Pfade (grüner, großer Pfeil in Abb. 5c unten) in kleine Einzelpfade (graue und rote, kleine Pfeile) gerastert. Die Einzelpfade sind jeweils deutlich kleiner als die Element-

150

H. Völkl et al.

kantenlänge, so dass immer mindestens ein Start- und ein Endpunkt von wenigstens einem Einzelpfad innerhalb eines durchquerten Elements liegt. Mittels eines Suchradius um den Elementmittelpunkt (blauer Kreis) werden dann die im Element liegenden Orientierungen (rote Pfeile) herausgefiltert. Bei kleinen Elementkantenlängen liegt immer nur maximal ein Pfad in einem Element; um auch bei großen Kantenlängen mit mehreren Pfaden noch sinnvolle Ergebnisse zu liefern, wird einem Element immer die G-code-Richtung zugewiesen, die am nächsten zum Elementmittelpunkt liegt. Der sich so ergebende Orientierungsvektor im Element (dicker roter Pfeil) wird dann dem Element zugewiesen. Im FE-Modell geschieht dies durch Ausrichtung des Elementkoordinatensystems eines Solid-­ Elements (SOLID185 bzw. SOLID186 in ANSYS® Academic Research Mechanical, Release 18.1) und Zuweisung des oben angegebenen Materialmodells.

2.4

Abbildung verschiedener Infill-Füllgrade

Bei 100  % Infilldichte ergibt sich in der Theorie für jedes Element eine Orientierung, wenn der Slicer das Bauteilinnere komplett füllen würde. Praktisch weisen jedoch auch Slicing-Ergebnisse mit 100 % Infill-Dichte meistens einige Leerstellen auf, da z. B. aufgrund der Extrusionspfadbreite das Innere nicht komplett gefüllt werden kann. Noch mehr Leerstellen ergeben sich bei Infill-Dichten unter 100  %. Diese werden im Algorithmus ebenfalls berücksichtigt. Enthält ein Element beim in Abschn. 2.3 vorgestellten Mapping keine Einzelpfade, so wird dieses als leeres Element separat gespeichert. Dieses könnte nun aus dem Netz gelöscht werden, was jedoch zu „freischwebenden“ Einzelelementen führen könnte, d. h. zu Elementen mit weniger als drei mit anderen Elementen verknüpften Einzelknoten. Diese können dann entweder rotieren (ein bzw. zwei Verknüpfungsknoten) oder sich vollständig verschieben (kein Verknüpfungsknoten), was zu singulären Steifigkeitsmatrizen führt. In diesem Fall kann die Berechnung nicht mehr durchgeführt werden. Daher werden, ähnlich wie in der Topologieoptimierung im statischen Fall [14], die Leerstellenelemente beibehalten. Diesen wird dann ein sehr nachgiebiges Materialmodell mit verschwindend geringem E-Modul und Dichte nahe Null zugewiesen.

3

Simulation und Auswertung

3.1

Einführung des Demonstratorbauteils

Als Demonstratorbauteil wird eine topologieoptimierte Struktur verwendet. Den verwendeten Bauraum, die zugehörigen Randbedingungen und Lasten zeigt Abb. 7. Die Wahl fiel auf eine solche Struktur, da die Designfreiheiten von AM gerade für strukturoptimierte, materialsparende Bauteile sehr gut ausnutzbar sind [3]. Der verwendete Topologieoptimierungsalgorithmus [15] ist dabei in der Lage, bereits in der Optimierung das spätere Materialmodell zu berücksichtigen. Der vorgegebene Bauraum (Abb. 7a)

Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile b)

c)

70 mm

a)

151

y z

F = 100 N

x 76 mm

Abb. 7  Einführung des Demonstratorbauteils, a) Bauraum mit Randbedingungen und Lasten, b) Optimierte Struktur, c) rückgeführte Struktur

weist drei vorgegebene Bohrungen auf, die linksseitigen dienen hier der Einspannung (oben fixiert bis auf Rotation um die z-Achse, unten Rotation in Bohrungsachse und Verschiebung in y-Richtung zugelassen), die rechtsseitige Bohrung der Lasteinleitung (100 N in negative Y-Richtung). Das Ergebnis der Topologieoptimierung (Abb. 7b, gezeigt sind auch die Materialorientierungen) wurde manuell in ein CAD-Volumenmodell (Abb. 7c) zurückgeführt und anschließend mit der Software CURA für den 3D-Druck vorbereitet. Hierzu wurden drei verschiedene Infill-Muster verwendet: Dreieck, Lines und Concentric.

3.2

Vergleich unterschiedlicher Infill-Muster

Die drei Infill-Muster wurden gezielt ausgewählt: Es konnte gezeigt werden [16], dass unter bestimmten Voraussetzungen die zur betragsmäßig absolut größten Hauptspannung gehörigen Hauptspannungstrajektorien als Materialhauptachsenorientierung für ortho­ trope Materialien steifigkeitsoptimal sind. Diese Trajektorien zeigt Abb.  8 im direkten Vergleich zu den Infill-Mustern. Hier zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung der Trajektorien mit den Extrusionspfaden im Concentric-Muster, was die besten Steifigkeitseigenschaften erwarten lässt. Dagegen sollten das Dreiecks- und das Lines-Infill mit abwechselnden ±45°-Schichten gerade keine Anpassung an die Lastpfade erkennen lassen und schlechtere Ergebnisse liefern. Um dies zu untersuchen, wird der Simulationsansatz aus Abschn. 2 angewandt. Nach dem Mapping ergeben sich dabei für die verschiedenen Infill-Muster bei 100 % Infill-Dichte die in Abb. 9 gezeigten Simulationsmodelle. Das generierte Mapping (rot in Abb. 9) zeigt eine sehr deutliche Übereinstimmung mit dem G-code (blau). Die G-code-Teilsegmente sind aufgrund der Rasterung (Abschn. 2.3) wesentlich kleiner als die Abstände der Elementmittelpunkte und erlauben eine saubere Zuweisung von G-code-Pfadrichtungen an das FE-Netz. Es werden insgesamt 10 Schichten mit je 0,2 mm Höhe generiert und simuliert. Davon sind die oberen und unteren beiden Schichten komplett gefüllte Deckschichten, es verbleiben sechs Infill-Schichten. Gezeigt wird in Abb. 9 jeweils eine Schicht in der Mitte des Bauteils. Es zeigt sich, dass für Con-

H. Völkl et al.

152 Optimierungsergebnis

Lines

Dreieck

Concentric

Abb. 8  Vergleich der steifigkeitsoptimalen Hauptspannungstrajektorien mit den von CURA generierten Infill-­Mustern

a)

b)

c)

Abb. 9  a) G-code (feine Rasterung, blau), abgeleitete Materialorientierungen an Elementmittelpunkten (rot) im FE-Netz für den Concentric-Infill, b) ebenso für Lines-Infill, c) ebenso für Dreiecks-Infill Tab. 2  Durchsenkung an der Lasteinleitung bei verschiedenen Infill-Mustern Infill-Muster Verformung (ABS-GF20) └Dehnenergie⋅Masse Verformung (PLA) └Dehnenergie⋅Masse

Dreieck 1,10 mm 141,3 N⋅mm⋅g 1,69 mm 204,8 N⋅mm⋅g

Lines 0,95 mm 131,5 N⋅mm⋅g 1,45 mm 189,4 N⋅mm⋅g

Concentric 0,87 mm 121,2 N⋅mm⋅g 1,37 mm 178,8 N⋅mm⋅g

centric- und Lines-Infill (Abb. 9a, b) der Infill tatsächlich fast den gesamten Innenraum füllt, während eine 100  %-Infill-Dichte beim Dreiecksmuster noch Leerstellen lässt (Abb.  9c). Wird die Simulation mit den in Abschn.  2.2 vorgestellten Materialmodellen durchgeführt und die Durchsenkung an der Lasteinleitungsbohrung als Qualitätskriterium angenommen, so ergeben sich die in Tab. 2 aufgeführten Verformungen. Wie erwartet zeigt das lastpfadnahe Concentric-Infill-Muster die besten Steifigkeitsergebnisse, was sich in den geringeren Produkten aus Dehnenergie und Masse des Concentric-­ Infills gegenüber den beiden anderen Infill-Mustern widerspiegelt – für beide Materialmo-

Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile

153

delle. Die Vergleichsmaßzahl ist angelehnt an das Effizienzkriterium nach Rozvany et al. [17], Dehnenergie multipliziert mit Volumen (hier mit der Masse, proportional über die Dichte) – je kleiner, desto besser ist die Ausschöpfung des Leichtbaupotenzials durch ein Design. Da die Massen des Lines- und Concentric-Modells nahezu gleich sind (3,2165 g bzw. 3,2166 g), wird hier der positive Einfluss eines lastpfadgerechten Infills auf die Steifigkeit deutlich. Im Vergleich zum Dreieck-Infill zu beachten ist jedoch, dass durch die Leerstellen bei „Dreieck“ kein reiner Vergleich zwischen den Infill-Mustern erfolgt. Stattdessen entsteht eine Abweichung von der optimierten Geometrie aus der Topologieoptimierung, so dass das schlechtere Effizienzkriterium beim Dreieck-Modell sowohl aus dem weniger lastpfadgerechten Infill als auch aus der Abweichung von der optimalen Geometrie resultieren kann. Ein höherer Orthotropiegrad, wie bei ABS-GF20, führt zu insgesamt höheren Steifigkeitsgewinnen, wenn der optimale Lastpfad genauer im 3D-Druck nachgebildet wird. Dies zeigt sich am größeren Steifigkeitszugewinn bei ABS-GF20 (Orthotropiegrad 2,3) zwischen Concentric und Lines (+8 %) im Gegensatz zu PLA (Orthotropiegrad 1,5, Steifigkeitsgewinn +6 %).

3.3

Vergleich unterschiedlicher Infill-Füllgrade

Nach Mapping analog zu Abschn. 3.2 für 100 %-Infill-Dichten, ergeben sich für die geringen Infill-Füllgrade die in Abb. 10 gezeigten Simulationsmodelle. Diese wurden nur mehr für das Concentric-Infill erzeugt. Die Lücken werden im FE-Modell sichtbar (im realen Modell sind diese vorhanden mit der in Abschn. 2.4 vorgestellten „Pseudodichte“). Die Durchführung der Simulation liefert die in Tab. 3 gezeigten Steifigkeitsergebnisse.

a)

b)

Infill-Dichte 20 %

c)

40 %

d)

60 %

80 %

Abb. 10  a) G-code (blau, feine Rasterung), abgeleitete Materialorientierungen (rot) im FE-Netz (schwarz) für den Concentric-Infill mit 20 % Infill-Dichte, b) 40 % Infill-Dichte, c) 60 %, d) 80 %

154

H. Völkl et al.

Tab. 3  Durchsenkung an der Lasteinleitung bei verschiedenen Infill-Dichten Infill-Dichte Verformung (ABS-GF20) └Dehnenergie⋅ Masse Verformung (PLA) └Dehnenergie⋅ Masse

20 % 1,41 mm

40 % 1,26 mm

60 % 1,18 mm

80 % 1,01 mm

100 % 0,87 mm

136,8 N⋅mm⋅g 135,4 N⋅mm⋅g

137,3 N⋅mm⋅g 130,5 N⋅mm⋅g 121,2 N⋅mm⋅g

2,19 mm

1,83 mm

1,96 mm

199,1 N⋅mm⋅g 197,0 N⋅mm⋅g

1,58 mm

1,37 mm

199,6 N⋅mm⋅g 191,1 N⋅mm⋅g 178,8 N⋅mm⋅g

Wie erwartet bedeutet weniger Material auch weniger Steifigkeit, was sich an der steigenden Durchsenkung mit abnehmender Infill-Dichte zeigt. Wird als Optimierungsbenchmark das Effizienzkriterium aus Abschn. 3.2 herangezogen, so zeigt sich, dass der 100  %-Infill bei beiden Materialmodellen den geringsten und damit besten Wert zeigt. Da das Demonstrator-Bauteil bereits topologieoptimiert ist, ist dies zu erwarten, da eine geringere Infill-Dichte die optimierte Geometrie wieder modifiziert (oder umgekehrt, bei dem dadurch geringeren Volumen ergäbe sich wiederum ein anderes globales Ergebnis aus der Topologieoptimierung).

3.4

 ffizientere Berechnung: Einfluss eines gröberen Netzes auf E die Ergebnisse

Die vorgestellte Simulationsmethode erfordert ein feines Netz, um Infill-Strukturen präzise abbilden zu können. Um kürzere Rechenzeiten zu ermöglichen, wäre ein gröberes Netz wünschenswert. Mit gröberem Netz werden jedoch Leerstellen schlechter abgebildet, da zu wenig oder zu viel Volumen (je nach lokaler Nähe des Elementmittelpunkts zum G-code-Pfad) modelliert wird. Zudem wird auch die Materialorientierung örtlich gröber aufgelöst. Im Folgenden wird untersucht, wieweit sich eine Netzvergröberung auf das ­Simulationsergebnis auswirkt – und ob diese in gewissen Grenzen zur Effizienzsteigerung des Ansatzes beitragen kann. Abb.  11 zeigt zunächst visuell den Einfluss zunehmender Netzgrobheit auf das Simulationsmodell anhand einer Schicht aus der Bauteilmitte. Die Durchsenkung und weitere Ergebnisse nach der Simulation ergeben sich zu (Tabelle 4): Zunehmende Elementkantenlängen im Netz (Abb. 11a, b, c, d, Elementkantenlängen von halbem bis dreifachen Durchmesser der Extrusionsdüse) bilden erwartungsgemäß die Extrusionspfade des G-codes zunehmend schlechter ab. Gemessen am genauesten Simulationsdurchgang mit halbem Düsendurchmesser als Elementkantenlänge beträgt die Abweichung der Verformung bei einfachem Düsendurchmesser als Kantenlänge bereits −10  %, was vorrangig am zunehmenden Volumen im Inneren des Bauteils liegt, vgl. Abb.11b und Tab. 4. Die Ursache für nur 24,1 % Leerstellen bei halbem Düsendurchmes-

Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile

155

a)

Elementkantenlänge ≈ 0,5 ∙ Düsendurchmesser (hier 0,5 ∙ 0,6 mm = 0,3 mm)

b)

1 ∙ Düsendurchmesser = 0,6 mm

c)

2 ∙ Düsendurchmesser = 1,2 mm

d)

3 ∙ Düsendurchmesser = 1,8 mm

Abb. 11  Simulationsmodell bei zunehmender Netzgrobheit Tab. 4  Durchsenkung an der Lasteinleitung bei verschiedenen Elementgrößen Elementgröße (Düsendurchmesser) Verformung (ABS-GF20) Elemente Simulationszeit „Leere“ Elemente im Bauteilinneren

0,5 1,26 mm 140470 4 min 32 s 24,1 %

1 1,13 mm 38140 1 min 47 s 17,1 %

2 0,88 mm 8892 1 min 6 s 1,0 %

3 0,86 mm 4590 30 s 0,9 %

ser liegt darin, dass bereits der verwendete G-code aus CURA mit zwei 100  %-Deckschichten bei einer Infill-Dichte von 40 % nur 24,3 % Leerstellen aufweist (gemessen am verwendeten Filament gegenüber kompletter Füllung) und zudem kleine Ungenauigkeiten durch die Netzdiskretisierung auftreten. Bei weiter zunehmend großen Kantenlängen bestehen nahezu keine Leerstellen in der Simulation mehr, vgl. Tab. 4. Zwar reduziert sich die Rechenzeit mit gröberem Netz deutlich (Tab. 4), jedoch werden dadurch die Ergebnisse stark verfälscht, so dass diese Maßnahme nicht zu einer sinnvollen Effizienzsteigerung führt.

4

Zusammenfassung und Ausblick

Der vorgestellte Ansatz ermöglicht es dem Produktentwickler, bereits vor dem eigentlichen Druck eine Einschätzung des Infill-Einflusses auf die Bauteileigenschaften vorzunehmen. Dabei können verschiedene Materialmodelle, Infill-Muster und Infill-Dichten ausgehend von einem einheitlichen CAD-Modell für Vernetzung und G-code simuliert

156

H. Völkl et al.

werden. Der Ansatz berücksichtigt dabei Schichthöhen in der Vernetzung und Extrusionspfadrichtungen durch elementweise Ausrichtung der Materialhauptachsen. Leerstellen im G-code werden ähnlich der „Null-Dichte-Elemente“ in der Topologieoptimierung simuliert. Die Auswirkungen verschiedener Infill-Muster und  – Dichten auf mechanische Eigenschaften wurden untersucht. Hierbei zeigt sich ein Steifigkeitsgewinn bei Wahl des adäquaten Infill-Musters, welches im Beispiel dieses Beitrags für geringe Verformung möglichst nah an den maximalen Hauptnormalspannungstrajektorien liegen sollte. Durch einfache Umstellung in der Slicer-Software könnte so ein besseres Bauteil im FFF-­ Verfahren gedruckt werden. Um zukünftig Anwendung zu finden, ist eine Validierung der Ergebnisse nötig. Deren Resultate sollen auch zeigen, inwiefern das noch sehr einfache, gewählte Materialmodell die Eigenschaften des sehr komplizierten und prozessabhängigen [18] realen FFF-­ Materials adäquat abbildet und wieweit Erweiterungen erforderlich sind. Zudem werden im FFF-Verfahren bei größeren Bauteilen Stützstrukturen eingesetzt [19], die künftig im Ansatz noch berücksichtigt werden können.

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Strukturmechanische Simulation additiv im FFF-Verfahren gefertigter Bauteile

157

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Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall Tobias Grabe, Jana Budde, Fabian Kranert, Andreas Wienke, Jörg Neumann, Dietmar Kracht und Roland Lachmayer

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung und Zielsetzung  2  Stand der Technik  3  Thermische Effekte in Nd:YAG-Laserkristallen  4  Entwurf des Kühlkörpers  5  Thermomechanische Simulation  6  Vergleich der Kühlkörper  7  Der Einfluss des Wärmedurchgangskoeffizienten  8  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

 160  161  164  165  167  170  172  173  174

T. Grabe (*) Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected] J. Budde · F. Kranert · A. Wienke · J. Neumann · D. Kracht Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected] R. Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_11

159

160

T. Grabe et al.

Zusammenfassung

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.

Schlüsselwörter

Additive Fertigung · Lasertechnik · Laserkühlsystem · Simulation · Kühlkörperkonzept

1

Einleitung und Zielsetzung

Additive Herstellungsverfahren sind automatisierte Prozesse, bei denen Werkstücke elementoder schichtweise aufgebaut werden [1]. Diese Verfahren werden im industriellen Kontext für eine Vielzahl von Anwendungen, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Prototypen und Werkzeugen, eingesetzt. Darüber hinaus gewinnt die Herstellung von additiv gefertigten Bauteilen für Endprodukte zunehmend an Bedeutung [2]. Für die Herstellung von Produkten rückt, bedingt durch die guten mechanischen Bauteileigenschaften und aufgrund der rasanten Material- und Fertigungsprozessentwicklung der vorgegangenen Jahre, das Laser Powder Bed Fusion – Verfahren (LPBF) von metallischen Pulvern stärker in den Fokus [3]. In der konventionellen Fertigung steigen im Allgemeinen bei wachsender Bauteilkompliziertheit die Herstellungskosten stark an, bis die Grenze der Herstellbarkeit erreicht ist. Durch die additive Fertigung wird eine hohe Gestaltungsfreiheit ermöglicht, die insbesondere bei komplizierten Bauteilen keine signifikant erhöhten Fertigungskosten aufweist. Dies führt dazu, dass die additiven Fertigungsverfahren bei komplizierten Bauteilgeome­ trien, wie zum Beispiel integrierten Kanalverläufen sowohl technisch, als auch wirtschaftlich sinnvoll zur Anwendung gebracht werden können (Abb. 1).

Herstellungskosten

Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall Konventionelle Fertigung

Additive Fertigung

mittel

Konventionell nicht herstellbar

161

Break-even point

gering

Konventionelle Gestaltung

hoch

Bauteilkompliziertheit

Gestaltung für additive Fertigung

Abb. 1  Einfluss der Bauteilkompliziertheit auf die Herstellungskosten [3]

Im Rahmen des EFRE-finanzierten Innovationsverbundes „Generative Fertigung von optischen, thermalen und strukturellen Komponenten“ (GROTESK) wird u. a. die Verbindung zwischen einem metallischen Werkstoff und einem Neodym dotierten Yttrium-­ Aluminium-­Granat-Kristalls (Nd:YAG) durch einen thermischen Auftragsprozess erforscht [4]. In dieser Arbeit werden die thermomechanischen Eigenschaften und Anforderungen einer derartigen Verbindung auf Basis eines 1,1 % dot. Nd:YAG in Verbindung mit einem aus AlSi10Mg im LPBF-Verfahren additiv gefertigten Kühlkörper anhand von Simulationen erschlossen. Darüber hinaus wird der thermomechanische Einfluss einer modifizierten, den Fähigkeiten der additiven Fertigung angepassten Kühlkanalgeometrie evaluiert.

2

Stand der Technik

2.1

Laserkühlsysteme

Zur Minimierung und zur Steuerung der thermischen Effekte in Laserkristallen stehen eine Vielzahl von Technologien zur Verfügung. Zu den Wichtigsten zählen: • • • •

Konvektionskühlung Kühlung mittels Heat-Pipe Thermoelektrische Kühlung Wasserkühlung

Diese Technologien werden anwendungsspezifisch eingesetzt, um wie in Abb. 2 dargestellt, Kühlleistungen von wenigen Watt bis hin zu mehreren Kilowatt zu realisieren. Die Konvektionskühlung basiert auf der passiven oder aktiven Konvektion von Gas entlang der Kühlkörperoberfläche. Die Konvektionskühlung ist die kostengünstigste

162

T. Grabe et al.

Konvektionskühlung Heat-Pipe Thermoelektrische Kühlung Wasserkühlung 1

10

100 Typische Kühlleistung in W

1000

10000

Abb. 2  Typische Kühlleistungen von Laserkühlsystemen [5]

­ ühlmethode. Bei dieser sind die Kühlleistung und die Regelbarkeit jedoch stark limitiert. K Heat-Pipes sind Wärmeübertrager aus Metall die ein gekapseltes Volumen enthalten und durch Verdampfung eines Arbeitsmediums eine hohe Wärmestromdichte erzielen. Dadurch können große Wärmemengen bei einer kleinen Querschnittsfläche übertragen werden. Der Transport des Arbeitsmediums vom Verdampfer, an dem Wärme zugeführt wird, zur Kühlzone erfolgt passiv [5]. Heat-Pipes sind preiswert und bringen keine kinetische Energie in das Lasersystem ein. Jedoch ist in der Regel die Leistung des Wärmetransportes auf einen definierten Betriebspunkt eingeschränkt und auf weniger als 25 W begrenzt [5]. Die thermoelektrische Kühlung basiert in der Regel auf einem Halbleitermaterial, das einen Temperaturgradienten entlang des Kühlelementes erzeugt. Thermoelektrische Kühl­ elemente können auf der Oberfläche eines zu kühlenden Mediums montiert und mithilfe einer elektrischen Ansteuerung betrieben werden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass auf der kühlenden Seite des Kühlelementes sehr niedrige Temperaturen erzeugt und geregelt werden können. Nachteilig sind jedoch der vergleichsweise niedrige Wirkungsgrad und die herausfordernde Kühlung der erwärmten Elementseite [5]. Wasserkühler sind Kühlsysteme, bei denen primär Wasser als Wärmetransportmedium verwendet wird. In der Lasertechnik werden Wasserkühler v.a. bei Hochleistungslasern zum Einsatz gebracht. Aufgrund der im Vergleich zum Konvektionskühler besseren Wärmeübertragung zwischen dem Kühlkörpermaterial und dem Kühlmedium können Wasserkühler bei gleicher Kühlleistung kompakter gebaut und höhere Kühlleistungen erzielt werden [6]. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Potenzial der additiven Fertigung auf Basis eines mit 100 W optischer Leistung gepumpten Nd:YAG-Kristalls evaluiert werden. Für diesen Fall ist nach dem Diagramm in Abb. 2 eine Wasserkühlung geeignet.

2.2

Wasserkühler für Lasersysteme

Die wasserführenden Systeme zur Kühlung von Lasern können, wie in Abb. 3 dargestellt, in drei Hauptklassen eingeteilt werden. Diese sind die Durchfluss-Kühlsysteme, die Wärmetauscher mit geschlossenem Regelkreis und die Kühler mit geschlossenem Wasserkreislauf.

Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall

163

Abb. 3  a) Durchfluss-Kühlsystem b) Kühler mit geschlossenen Wasserkreislauf c) Wärmetauscher mit geschossenem Wasserkreislauf

In einem Durchfluss-Kühlsystem passiert das Kühlwasser einmalig den Laserkristall und fließt anschließend in einen Abfluss (Bild 3a). Durchfluss-Systeme sind kostengünstig in der Herstellung und einfach zu handhaben. Für den Betrieb sind jedoch erhebliche Mengen an Wasser erforderlich. Kühler mit geschlossenem Wasserkreislauf sind ähnlich aufgebaut wie die Wärmetauscher mit geschlossenen Wasserkreislauf (Bild 3c). Bei dieser Bauart wird ebenfalls ein unveränderliches Wasservolumen, am Laserkristall vorbeigeführt. Jedoch wird hier keine externe Wasserkühlung benötigt, da die Wärme konvektiv an die Umgebung abgeführt wird. Wärmetauscher mit geschlossenem Wasserkreislauf basieren auf einem konstant zirkulierenden, unveränderlichen Wasservolumen, das mehrfach am Laserkristall vorbeigeführt wird (Bild 3b). Im Wärmetauscher wird die Wärme des geschlossenen Wasserkreislaufes an eine externe Wasserkühlung überführt. Wärmetauscher mit geschlossenem Wasserkreislauf bieten die Möglichkeit, die Durchflussrate, die Temperatur und den Druck des Kühlmediums zu überwachen und präzise zu steuern [6].

2.3

Nd:YAG-Laser

Nd:YAG wird häufig als aktives Lasermedium in Festkörperlasern eingesetzt. Nd:YAG-­ Laser zeichnen sich durch hohen Verstärkungsfaktor und durch ihre hohe Strahlqualität aus. Bei dem in der Praxis am häufigsten verwendeten Laserübergang wird Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert. Nd:YAG-Laser können sowohl im gepulsten als auch kontinuierlich betrieben werden. Neben den in der Vergangenheit verwendeten Blitzlampen findet die Anregung heutzutage in der Regel mittels Diodenlaser statt, da diese ein schmales Emissionsspektrum bei einer Wellenlänge von 808 nm aufweisen und auf die Absorptionslinien des Lasermediums abgestimmt werden können. [7]. Nd:YAG-Laser werden unter anderem in der Fertigungstechnik zum Bohren, Schweißen und Schneiden von metallischen Werkstoffen, sowie in der Medizintechnik eingesetzt. Die technischen Eigenschaften von 1,1  % Neodym dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat sind in Tab.  1 aufgelistet [8–10].

T. Grabe et al.

164

Tab. 1  Eigenschaften von 1,1 % Neodym dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat [8–10] Material Nd:YAG (1,1 % dot.)

Parameter Max. zul. Spannung E-Modul Schubmodul Thermischer Ausdehnungskoeffizient

Symbol σmax, YAG EYAG GYAG αYAG

Thermische Leitfähigkeit

kYAG

Spezifische Wärmekapazität

3

Wert 280 MPa 317 GPa 0,25 8,2 ×  10 −6 10,5 

W mK

0,59 

J kg K

cp, YAG

Thermoschockbeständigkeit

RYAG; R'YAG

Absorptionskoeffizient (λ = 808 nm)

I(z)Nd : YAG

Schmelztemperatur

ϑYAG, m

1 K

81 K; 0,85 

kW m

1 m 2273 °C 7,1 

Thermische Effekte in Nd:YAG-Laserkristallen

Im Bereich der Lasertechnik stellt das thermische Management der aktiven Lasermedien eine besondere Herausforderung dar. Bei der optischen Anregung eines Laserkristalls findet eine für den Laserprozess notwendige Besetzungsinversion statt. Hierbei wird ein Anteil der optischen Pumpleistung in Wärme umgewandelt. Die hierbei erzeugte Wärme wird im Wesentlichen durch den Quantendefekt zwischen der absorbierten Pumpwellenlänge und der Laserwellenlänge, sowie durch die Quanteneffizienz bestimmt. Weiterhin wird der Wärmeeintrag in den Laserkristall durch nicht-strahlende Prozesse wie Quenching und die Excited-State-Absorption erhöht. Das Temperaturprofil im Laserkristall wird durch die räumliche und spektrale Pumplichtverteilung, durch die räumliche Verteilung der Laserstrahlung im Kristall, durch die thermische Leitfähigkeit und durch die Kühlung beeinflusst. Diese thermischen Verlustleistungen haben im Laserkristall die Ausbildung eines Temperaturgradienten zur Folge. Dieser verursacht Volumenänderungen und innerkristalline Spannungen im Lasermaterial, welche zu einer Schädigung des Laserkristalls führen können. Ein weiterer Effekt ist eine Verringerung des Absorptionsquerschnitts und spektrale Verschiebung des Absorptionsprofils zu größeren Wellenlängen [11]. Darüber hinaus kann eine inhomogene Temperaturverteilung im Lasermedium zu einem räumlich variierenden Brechungsindexprofil, sowie zu einer thermischen bedingten Krümmung der Kristallenden führen [12, 13]. Für die Bewertung der thermischen Verluste in Laserkristallen können die Pumpeffizienz, der Extraktionswirkungsgrad und der optisch-optische Wirkungsgrad herangezogen

Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall

165

Elektrische Leistung des Pumplasers

Lichtleistung

Verlustwärmeleistung

Absorbierte Leistung im Laser

Verlustwärme in der Pumpoptik

Strahlleistung des Lasers

Verlustwärme im Laser

Abb. 4  Leistungsbilanz diodengepumpter Systeme [7]

werden. Diese Kennwerte können wie folgt beschrieben werden: Die Pumpeffizienz beschreibt das Verhältnis aus absorbierter Leistung zur Leistung am Ausgang des Laserkristalls. Der optisch-optische Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis der Laserausgangsleistung zur absorbierten Pumpleistung im Laserkristall. Dieser Wirkungsgrad ist durch den Quantendefekt begrenzt. Im Falle eines mit 808  mn gepumpten Nd:YAG-­ Laserkristalls mit einer Emissionswellenlänge von 1064 nm beträgt der maximal mögliche 808 nm optisch-optische Wirkungsgrad basierend auf der Stokes-Effizienz = 76 %. Der 1064 nm hieraus resultierende Energieverlust von 24 % der Pumpleistung wird im Form von Wärme an den Laserkristall abgegeben [14] (Abb. 4).

4

Entwurf des Kühlkörpers

Der in dieser Arbeit betrachtete Nd:YAG-Kristall weist einen rechteckigen Querschnitt auf und hat die Maße 3 × 3 × 5 mm. Der Kristall weist die Materialeigenschaften nach Tab. 1 auf und wird Einseitig mit einer Pumpquelle mit einer Wellenlänge von 808 nm, mit einem Top-Hat-Profil mit einem Strahlquerschnitt von 660 μm und mit einer Leistung von 100 W angeregt. Von dieser Leistung werden basierend auf dem Quantendefekt 24 W in Wärmeenergie im Kristall umgewandelt. Zur Kühlung wird als Basis für den Entwurf des additiv hergestellten Kühlkörpers ein konventionell hergestellter Durchflusswasserkühler herangezogen (Abb. 5). Dieser ist in Abb. 6 dargestellt und wird den Anforderungen entsprechend unter Berücksichtigung der Fertigungsrestriktionen des LPBF-Prozesses modifiziert [3]. Das Design der Kühlkanäle wird an die Fertigungsmöglichkeiten und die Materialverbindungen an die im Rahmen der additiven Fertigung verwendeten Materialien angepasst. Die Kanalgeometrie des konventionell hergestellten Kühlkörpers ist durch eine Kombination aus Bohrungen erzeugt worden. Diese Fertigungsmethode ermöglicht lediglich die Herstellung von geradlinigen Kanalverläufen.

166

T. Grabe et al.

Ø = 660 µm Y Z X Abb. 5  Nd:YAG-Kristall mit den Abmessungen 3 × 3 × 5 mm mit einem Pumpstrahldurchmesser von 660 μm

Abb. 6  Konstruktion eines konventionell hergestellten Kühlkörpers aus Kupfer

Durch die Anwendung des LPBF-Verfahrens können, wie in Abb. 7 dargestellt, kompliziertere Kanalgeometrien umgesetzt werden. Hier werden mehrere funktionale Elemente in den Kühlkanalverlauf integriert. Ein Turbulator zur Erzeugung einer erhöhten Turbulenz im Kühlwasserstrom zur Steigerung des Wärmeüberganges zwischen dem Kühlwasser und

Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall

Wassereinlass

Montage -vorrichtung

Nd:YAG-Kristall

167

Wasser -auslass

Abb. 7  Design des additiv gefertigten Kühlkörperdemonstrators

Turbulator

Staukammern

Wärmeübertragungsflächen Abb. 8  Gestaltung der Kühlkanalgeometrie

der Kühlkanalwand, vergrößerte Wärmeübertragungsflächen entlang des Kristalls und Elemente, die die Kühlwassergeschwindigkeit beeinflussen, wurden in den Kühlkanal inte­ griert. Der Kanalverlauf ist in Abb. 8 dargestellt. Der Einfluss der modifizierten Kanalgeometrie soll nun im Folgenden betrachtet werden.

5

Thermomechanische Simulation

5.1

Modellansatz

Im Rahmen der thermomechanischen Betrachtung werden im Anschluss an die Modellierung der CAD-Modelle sequenziell gekoppelte Computational Fluid Dynamics (CFD)Finite-Element (FEM) Multiphysik-Simulation durchgeführt. Hierbei werden zunächst die Materialparameter und die Randbedingung definiert. Anschließend erfolgen die

168

T. Grabe et al.

Vernetzung und die CFD-Simulation des Kühlwasserflusses und die Berechnung des stationären thermischen Systemzustandes. Danach wird auf Basis des thermischen Sys­ temzustandes eine FEM-Simulation zur Berechnung der von-Mises-Spannungen im Nd:YAG-Kristall bestimmt. Die Spannungen resultieren primär aus den mechanischen Randbedingungen und der lokalen thermischen Ausdehnung der Systemkomponenten.

5.2

Materialparameter

Für die Herstellung der konventionellen und additiv hergestellten Kühlkörpermodelle werden, wie in Abb. 9 dargestellt, die folgenden Materialien eingesetzt: • • • • •

Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) Kupfer AlSi10Mg Indium Destilliertes Wasser

Beim konventionell hergestellten Kühlkörper wird der Nd:YAG-Kristall mit einer 125 μm starken Indiumfolie ummantelt und anschließend in einem Kühlkörper aus Kupfer eingesetzt. Dieser wird anschließend von dem Kühlwasser durchströmt. Bei dem additiv gefertigten Kühlkörper wird angenommen, dass der Nd:YAG-Kristall stoffschlüssig mit dem umgebenden Material, hier AlSi10Mg, verbunden ist. Diese Verbindung zwischen einem metallischen Werkstoff und dem Nd:YAG-Kristall wird durch den thermischen Auftragsprozess im Rahmen des laserbasierten Aufschmelzens von Metallen ermöglicht und im Rahmen des Innovationsverbundes GROTESK erforscht. Dieser AlSi10Mg-­Körper wird anschließend von Kühlwasser durchströmt. W Die Indiumfolie hat einen Wärmeleitkoeffizient von kIn  =  81,6  und weist eine mK Stärke von d  =  125  μm auf. Für den Wärmedurchgangswiderstand zwischen dem Nd:YAG-Kristall, der Indiumfolie und dem Kupferkühlkörper wird ein WärmedurchWärmefluss

Nd:YAG Indium Kupfer Wasser

Konventionelle Materialpaarungen

Wärmefluss

Nd:YAG AlSi10Mg Wasser

Materialpaarungen bei der additiven Fertigung

Abb. 9  Materialpaarungen eines konventionell gefertigten Kühlkörpers und eines additiv gefertigten Kühlkörpers im Vergleich

Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall

169

W angenommen [15]. Nach Gl.  1 kann der Wärmem² K W durchgangskoeffizient mit h = 1497  ² angenommen werden [16]. mK

gangswiderstand von α  =  1500 

h=

1 1 kIn 1 (1) + + h d h

Für die Materialverbindung zwischen dem Nd:YAG-Kristall und dem additiv gefertigten AlSi10Mg-Kühlkörper wird im Rahmen dieser Arbeit für den Fall einer stoffschlüssigen Verbindung der Wärmedurchgang als ideal (h = ∞) angenommen. In Tab. 2 sind die Materialeigenschaften für thermisch behandeltes im LPBF-Verfahren prozessiertes ­AlSi10Mg und von Kupfer aufgelistet [17–19]. Die Materialdaten für den Nd:YAG-Kristall können aus Tab. 1 entnommen werden.

5.3

Wärmeerzeugungsrate im Lasermaterial

Im Rahmen dieser Analyse wird für den stationären Laserbetrieb die Wärmeerzeugung im Nd:YAG über die im Kristall absorbierte Pumpleistung angenähert [19]. Hierbei wird unter Vernachlässigung der nichtlinearen Wechselwirkungen, wie z. B. dem Quenching und der Excited-State-Absorption, im Laserkristall angenommen, dass die Absorption der Pumpleistung proportional zur lokalen Pumpleistungsintensität auftritt. Ein mit 1,1 % dot. Nd:YAG weist nach Tab. 1 für eine Wellenlänge von 808 nm einen 1 Absorptionskoeffizenten von α = 7,1  auf. Die Intensität der im Kristall absorbierten m Pumpleistung im Nd:YAG-Kristall kann im Anhängigkeit zur Absorptionslänge entlang der z-Achse (siehe Abb. 2) nach Gl. 2 bestimmt werden. (2) Q ( z ) =ˆ 0, 24 P ( z ) = 0, 24 ⋅ P0 ⋅ e −∝• z Tab. 2  Materialparameter von Kupfer und additiv hergestelltem AlSi10Mg [17–19] Parameter E-Modul Schubmodul Thermischer Ausdehnungskoeffizient Thermische Leitfähigkeit Spezifische Wärmekapazität

AlSi10Mg 65 GPa EAl 0,33 GAl αAl 1 21 ×  10 −6 K kAl W 173  mK cp, Al J 890  kg K

Kupfer ECu GCu αCu kCu

120 GPa 0,38 17,7 × 10 −6 400 

W mK

385 

J kg K

cp, Cu

1 K

Normierte Pumleistung im Nd:YAG

170

T. Grabe et al. 1 0,8 0,6 0,4 0,2

0

0

0,1

0,2 0,3 Absorp
onslänge im Nd:YAG in mm

0,4

0,5

Abb. 10  Normierter Wärmeeintrag im Nd:YAG in z-Richtung

Hierbei entspricht P(z) der lokalen absorbierten Pumpleistung im Nd:YAG, P0 der Pumpleistung und z der Absorptionslänge entlang der z-Achse im Nd:YAG-Kristall. Die normierte Wärmeleistung entlang der z-Achse des Nd:YAG-Kristalls ist im Diagramm der Abb. 10 dargestellt. Bei einer Absorptionslänge von 0,5 cm und einer Pumpleistung von 100 W beträgt der gesamte Wärmeeintrag im Laserkristall 23,3 W. Beginnend bei einem Maximalwert bei Z = 0 fällt die Wärmeleistung wie im Diagramm dargestellt über eine Querschnittsfläche von 660 μm entlang der z-Achse exponentiell ab.

5.4

Randbedingungen

Die Umgebungstemperatur des Kühlkörpers beträgt 20 °C und dessen thermisch mit der Umgebung wechselwirkenden äußeren Oberflächen werden mit der Randbedingung der passiven Konvektion berechnet. Da der rechteckige Nd:YAG-Kristall über die Mantelfläche gekühlt wird, kann die Konvektionskühlung an den Kristallenden vernachlässigt werden [20]. Das Kühlwasser durchströmt den Kühlkörper mit einem Druck von 1 bar und weist eine Eingangstemperatur von 20 °C auf. Der Kühlkörper wird an dessen Unterseite mit einer Festlagerung versehen.

6

Vergleich der Kühlkörper

Betrachtet werden wird ein konventionell hergestellter Kühlkörper nach Abb. 6, ein additiv gefertigter Kühlkörper nach konventionellem Design und der neu gestaltete additiv gefertigte Kühlkörper mit dem in Abb. 8 dargestellten Kühlkanalverlauf. Für einen Vergleich dieser Modelle werden die Temperaturverteilung, die Verteilung der von-­Mises-­ Spannung und die Deformation des Nd:YAG-Kristalls betrachtet. Hierbei wird angenommen, dass bei der konventionellen Fertigung der Nd:YAG mit Indium-Folie ummantelt und in den konventionell hergestellten Kupferkühlkörper kraftschlüssig eingesetzt wird. Weiterhin wird angenommen, dass mit der additiven Fertigung eine stoffschlüssige

Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall

171

Verbindung zwischen dem Nd:YAG und dem AlSi10Mg-Material hergestellt werden kann. Der Nd:YAG wird einseitig mit einer absorbierten Leistung von 100 W auf einem Querschnitt von 660  μm gepumpt von denen 24  W nach dem in Abb.  10 dargestellten Profil im Kristall in Wärmeleistung umgewandelt werden. Der Nd:YAG-Kristall im konventionell hergestellten Kühlkörper weist eine maximale Temperatur von 547 °C, der im additiv gefertigten Kühlkörper nach dem konventionellen Design eine maximale Temperatur von 305 °C und der im neu gestalteten additiv gefertigte Kühlkörper eine maximale Temperatur von 309 °C auf. Wie in Abb. 11 zu sehen ist, führt die stoffschlüssige Materialverbindung in b) und c) zu einer signifikanten Verminderung der Temperatur des Nd:YAG-Kristalls, wohingegen die modifizierte Form des Kühlkanalverlaufs nur einen geringen Einfluss auf die Temperatur und deren Verteilung im Laserkristall hat. Der Kristall im konventionell hergestellten Kühlkörper weist eine maximale von-­Mises-­ Spannung von 6,7 × 108 Pa, der im additiv gefertigten Kühlkörper nach dem konventionellen Design eine maximale von-Mises-Spannung von 2,0 × 108 Pa, und der im neu gestalteten additiv gefertigten Kühlkörper eine maximale von-Mises-Spannung von 2,2 × 108 Pa auf. Wie in Abb. 12 zu sehen ist, führt die stoffschlüssige Materialverbindung in b) und c) ebenfalls zu einer signifikanten Verminderung der thermisch induzierten von-Mises-Spannungen im Nd:YAG-Kristall, wohingegen die modifizierte Form des Kühlkanalverlaufs nur einen geringen Einfluss auf die Höhe der Spannungen im Laserkristall hat. Der Laserkristall im konventionell hergestellten Kühlkörper weist eine maximale Deformation von 6,7 μm, der additiv im gefertigten Kühlkörper nach dem konventionellen Design eine maximale Deformation von 2,0 μm, und der im neu gestalteten additiv gefertigten Kühlkörper eine maximale Deformation von 2,4 μm auf. Wie in Abb. 13 dargestellt, führt die stoffschlüssige Materialverbindung in b) und c) auch bei der Deformation zu einer signifikanten Verminderung der thermisch induzierten Verformung im Nd:YAG-­ Kristall. Hier kann ebenfalls durch die Modifizierung der Form des Kühlkanalverlaufs nur ein geringer Einfluss auf die Höhe Deformationen festgestellt werden.

Abb. 11  Vergleich der von Temperaturverteilungen im Kristallquerschnitt a) Konventionell hergestellter Kühlkörper, b) Additiv gefertigter Kühlkörper mit konventionellem Design, c) Additiv gefertigter Kühlkörper mit modifiziertem Kühlkanalverlauf

172

T. Grabe et al.

Abb. 12  Vergleich der von-Mises-Spannnungen im Kristallquerschnitt a) Konventionell hergestellter Kühlkörper, b) Additiv gefertigter Kühlkörper mit konventionellem Design, c) Additiv gefertigter Kühlkörper mit modifiziertem Kühlkanalverlauf

Abb. 13  Vergleich der Deformationsprofileprofile im Kristallquerschnitt a) Konventionell hergestellter Kühlkörper, b) Additiv gefertigter Kühlkörper mit konventionellem Design, c) Additiv gefertigter Kühlkörper mit modifiziertem Kühlkanalverlauf

Im Rahmen dieser Analyse kann gezeigt werden, dass durch die Herstellung einer Materialverbindung zwischen Nd:YAG und AlSi10Mg eine Reduzierung der maximal auftretenden Temperatur um 55,8 %, der thermisch bedingten Deformation um 68,4 % und der Spannungen um 71,7 % im Nd:YAG-Kristall erzielt werden können. Da der Wärmedurchgang zwischen Nd:YAG und AlSi10Mg durch den realen Fertigungsprozess von der idealen Annahme abweichen kann, wird dessen Einfluss im Folgenden näher betrachtet.

7

Der Einfluss des Wärmedurchgangskoeffizienten

Da der Wärmedurchgang zwischen dem Nd:YAG-Kristall und dem umgebenden Kühlkörpermaterial auch bei einer stoffschlüssigen Verbindung der Grenzschicht aufgrund von Gaseinschlüssen und prozessbedingten Grenzschichtablösungen einen verminderten Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen kann, ist die Annahme eines idealen Wärmeüberganges (h = ∞) an dieser Grenzschicht in der Praxis nicht zutreffend. Um den Einfluss

173

Kühlkörper-Designansatz für einen in AlSi10Mg eingebetteten YAG-Laserkristall

Von Mises Spannung in Pa

3000 ,

2000

1,00E+09 σ

2500 1500 1000

,

500

Max. Temperatur in °C

3500

1,00E+10

0

1,00E+08 0

2000 4000 6000 8000 10000 Wärmedurchgangskoeffizient in W/m²K

0

2000 4000 6000 8000 10000 Wärmedurchgangskoeffizient in W/m²K

Abb. 14  Maximale von-Mises-Spannungen und maximale Temperaturen im Nd:YAG-Kristall bei Variation des Wärmedurchgangskoeffizienten

dieses Parameters aufzuzeigen und Anforderungen an diesen festzulegen, wird der Wärmedurchgangskoeffizient h anhand der in Abb. 9 erläuterten Materialpaarung von Nd:YAG und AlSi10Mg im Rahmen einer Paramerterstudie näher betrachtet. Hierbei wird der WärW medurchgangskoeffizient h in einem Bereich von 0–10000  ² auf Basis des additiv mK gefertigten Kühlkörpers nach konventionellen Design berechnet. Die von-Mises-­ Spannungen und die maximalen Temperaturen, die im Nd:YAG-Kristall hierbei auftreten, sowie die dazugehörigen maximal zulässigen Materialkennwerte (siehe Tab.  1) sind in Abb. 14 dargestellt. Dem Diagramm kann entnommen werden, dass die maximal zulässigen von-­Mises-­ W Spannungen im Nd:YAG bereits bei einem Wert von unter 4300  ² überschritten wermK den, wohingegen die maximal zulässige Temperatur bei einem WärmedurchgangskoeffiziW ent von unter 100 ² auftritt. Basierend auf den in dieser Arbeit betrachteten Fall ist für mK einen nicht-idealen Wärmedurchgang zwischen dem Nd:YAG-Kristall und dem umgebenden AlSi10Mg-Kühlkörpermaterial ein Wärmedurchgangskoeffizient von mindestens W 4300  ² zu erzielen, damit ein schädigungsfreier Betrieb des Nd:YAG-Lasers gewährmK leistet werden kann.

8

Zusammenfassung und Ausblick

Durch die Annahme einer stoffschlüssigen Materialverbindung zwischen Nd:YAG und AlSi10Mg konnte eine Reduzierung der maximal auftretenden Temperaturen um 55,8 %, der thermisch bedingten Deformation um 68,4  % und der Spannungen um 71,7  % im Nd:YAG-Kristall gegenüber des klassisch hergestellten Kühlkörpers aus Kupfer erzielt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine optimierte Kühlkanalgeometrie nur

174

T. Grabe et al.

einen geringen Einfluss auf die Temperatur- und Spannungsverteilung im Nd:YAG-­ Kristall hat. Hierzu sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig, um das Potenzial der additiven Fertigung weiter zu evaluieren. Darüber hinaus wurde im Rahmen einer Para­ meterstudie der Einfluss des Wärmedurchgangskoeffizienten auf die maximal im Nd:YAG-Kristall auftretenden von-Mises-Spannungen analysiert. Für den Wärmedurchgang einer nicht-idealen Verbindung zwischen dem Nd:YAG-Kristall und dem umgebenden AlSi10Mg-Kühlkörpermaterial ist in dem hier analysierten Fall ein WärmedurchW gangskoeffizient von mindestens 4300  ² erforderlich, um eine Schädigung des mK Laserkristalls zu vermeiden. Die Validierung der im Rahmen dieser Arbeit erzielten Simulationsergebnisse wird in zukünftigen Arbeiten durchgeführt werden. Anmerkung  Diese Arbeit wurde im Rahmen des EFRE – NBank geförderten Projektes „GROTESK – Generative Fertigung optischer, thermaler und struktureller Komponenten“ durch die Teilprojekte oGROTESK (ZW6-85018307) und sGROTESK (ZW6-85017815) durchgeführt.

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Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven Fertigung Tobias Ehlers, Johanna Wurst und Roland Lachmayer

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Bewertungsansätze  3  Nachhaltigkeit im Kontext der Additiven Fertigung  4  Aufbau einer Bewertungsmöglichkeit für die Additive Fertigung  5  Potenzialabschätzung nachhaltiger Organisationen  6  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

  178   179   182  186  193  196  196

Zusammenfassung

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.

T. Ehlers (*) · J. Wurst · R. Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]­hannover.de © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_12

177

178

T. Ehlers et al.

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.

Schlüsselwörter

Nachhaltigkeit · Selektives Laserstrahlschmelzen · Ganzheitliche Prozessbilanzierung · Öko-Bilanzierung · CO2-Bilanzierung

1

Einleitung

Um in zunehmend heterogenen Märkten, wie sie sich im Maschinen- und Anlagenbau entwickeln, einen Wettbewerbsvorteil ausbilden zu können, reicht eine reine kostenorientierte Unternehmensführung nicht mehr aus. Zum einen existiert ein ungebrochener Trend zu Individualisierung und maßgeschneiderten Problemlösungen, auch unter Einbezug produktbegleitender Dienstleistungen, die sowohl im Investitionsgüter- als auch im Endkundensegment zu neuen Geschäftsmodellen führen [1]. Seit einigen Jahren etabliert sich zusätzlich ein lauterwerdender Ruf nach mehr Nachhaltigkeit, der sich aus der Besorgnis über Umweltzerstörung, einem steigenden Wohlstandsgefälle und der sozialen Verantwortung profitorientierter Unternehmen speist [2]. Die ökologische Ebene von Nachhaltigkeit wird auf der einen Seite durch internationale Umweltstandards adressiert, auf der anderen Seite bieten Normen, wie die ISO 14001, Anleitung bei der Definition von unternehmenseigenen Umweltzielen [3]. In Bezug zu einzelnen Typen von Geschäftsmodellen, wie sie beispielsweise unter dem Dach der kundenindividuellen Massenfertigung (mass customization) subsummiert werden, existieren darüber hinaus Gestaltungsrichtlinien und Metriken. Diese erlauben eine Operationalisierung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit mit einem starken Fokus auf die Lebenszyklusphasen Produktion und Distribution [4]. Diese gehen dabei über den häufig zitierten CO2-Fussabdruck (oder genereller Emissionen) hinaus und richten die Produktion auf eine effektive und effiziente Abbildung der geforderten Produktvarianz aus [5]. In diesem Umfeld bietet die Additive Fertigung weitere Potenziale, eine höhere, auch gestalterische Individualisierung entkoppelt von Produktionskostensteigerungen zu realisieren, da die Verfahren in der Regel werkzeuglos sind und keine Energie in Späne umgesetzt wird. Während dieses beispielsweise bei Consumer-Produkten für individuell gestaltete Zierelemente oder Blenden genutzt wird [Potenzial zur Individualisierung], steht bei maschinenbaulichen Erzeugnissen die Erhöhung der Funktionsintegration oder die Eigenschaftsoptimierung im Fokus [6]. Jedoch wird hierbei häufig aus dem Auge verloren, dass Additive Fertigung in der Regel immer eine Prozesskette umfasst und ebenso eine

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

179

­ erstellung von Halbzeugen erfordert, was im Fall von metallverarbeitenden PulverbettverH fahren wie dem Selektiven Laserstrahlschmelzen einen hohen Energiebedarf aufweist [7]. Ziel dieses Beitrags ist es daher, ein ganzheitliches Bewertungsmodell zu entwickeln, welches ebendiese Lücke beispielhaft für die Prozesskette des Selektiven Laserstrahlschmelzens schließt und auf bewährten Metriken zur Bewertung von Nachhaltigkeit aufbaut. Im folgenden Abschn. 2 werden diese Ansätze zunächst vorgestellt. Abschn. 3 diskutiert anschließend die Nachhaltigkeit im Kontext der Additiven Fertigung. In Abschn. 4 wird das Bewertungssystem MIPS (Material-Input pro Serviceeinheit) auf die Additive Fertigung angewendet und an einem Beispiel diskutiert. Eine Aufweitung des Feldes hinsichtlich einer ganzheitlichen Nachhaltigkeitsbetrachtung folgt in Abschn. 5. Zudem wird begleitend eine exemplarische Bewertung anhand eines Fertigungsdienstleisters vorgestellt. Der Beitrag endet mit einem Fazit und einem Ausblick in Abschn. 6.

2

Bewertungsansätze

In diesem Kapitel gilt es eine Vorstellung vielseitiger Bewertungsmöglichkeiten mit den Zielen dieses Beitrages zu verknüpfen, eine Möglichkeit der individuellen Definition und Bewertung von Nachhaltigkeit im Unternehmen zu bilden und Visionen zu bündeln. Um eine prozess- und produktübergreifende Beurteilung zu ermöglichen, gilt es verschiedene bereits vorhandene Mittel zur Bewertung miteinander zu kombinieren und daraus ein ganzheitliches Modell zu entwickeln. Vier der bis dato verfolgten Modellansätze sind zum einen eine auf CO2-Emissionen ausgelegte Öko-Bilanzierung, zum anderen das „Top-­ Down“-Modell sowie der Ansatz der „MIPS“ und „COPS“, die im Folgenden kurz erläutert werden.

2.1

Öko-Bilanzierung:

Der betrachtete Ansatz einer Öko-Bilanzierung fokussiert sich auf die Bewertung von Nachhaltigkeit unter anderem als „die Auswirkungen einer Prozesskette auf die Benutzung […] von Ressourcen“ [8] und die damit verbundene Bilanzierung von In- und Outputströmen [9]. Für die Bewertung der Ressourcennutzung müssen die für ein Produkt identifizierten Prozessschritte bezüglich der dort verbrauchten Ressourcen in Form von Zeit, Kosten und Materialien analysiert werden. Diese Mengen werden in CO2-­Emissionen wiedergegeben und über statistisch ermittelte Verrechnungssätze zu mehrdimensionalen Gesamtverbräuchen aufsummiert. Über eine Gegenüberstellung der CO2-Emissionen der Additiven und der konventionellen Fertigung gilt es einen Break-Even-Punkt zu ermitteln, ab dem eine konventionelle Fertigung aus ökologischer Sicht nicht mehr wirtschaftlich ist. Trotz der Möglichkeit qualitative Berechnungen durchführen zu können, kann eine derartige Art der Bilanzierung nicht die gesamte Vielfalt der Nachhaltigkeit innerhalb des Produktionslebenszyklus mit aufnehmen. Zudem ist eine Verrechnung von Kosten in

180

T. Ehlers et al.

CO2-Emissionen eine subjektive Empfindung des jeweiligen Unternehmens. Lediglich rein ökologische Aspekte sollten in dieser Bilanzierung zulässig sein.

2.2

Top-Down-Modell:

In diesem Ansatz wird die rein ökologische Betrachtung um eine energetische sowie eine ökonomische Dimension erweitert. Die betrachteten Einheiten setzen sich somit wie folgt zusammen [10]: • Kosten in € (Ökonomisch) • CO2-Emissionen in t (Ökologisch) • Energieverbräuche in kWh (Ökologisch) Anhand dieser Bewertungsmaßstäbe lassen sich die verschiedenen Dimensionen betrachten und bewerten. Die grundsätzliche Annahme dieses Modells bezieht sich auf absolute und relative Änderungen im Vergleich mit einem konventionellen Prozess. Eine Berechnung setzt zuvor ermittelte Produktintensitäten pro Einheit des Bruttoinlandsproduktes (BIP) als auch Emissions- oder Kostenintensitäten über langfristige Trends (vgl. bspw. McKinsey) voraus. In einem weiteren Schritt müssen die errechneten Änderungen in Abhängigkeit ihrer Güte in verschiedene Skalen sortiert werden, welche die Produktpotenziale am Markt abhängig von der Prozessintensität wiedergeben. Ausgehend von diesen Werten können verschiedene Break-Even-Points gebildet werden, die anzeigen, ab welcher Produktanzahl die konventionelle Fertigung im Vergleich zur Additiven Fertigung (AF) ökologisch oder ökonomisch nachteilig ist [10, 11]. Zudem lassen sich anhand dieses Verfahrens Aussagen darüber treffen, wo sich Vorteile einer verkürzten Produktionskette zeigen oder wie sich Verfahrensänderungen direkt sowie langfristig auswirken.

2.3

MIPS/COPS

Der Ansatz der „MIPS“ (Material-Input pro Serviceeinheit) bzw. „COPS“ (Cost-Input pro Serviceeinheit) nach Friedrich Schmidt-Bleek untersucht den Verlauf aller zur Produktion eingesetzten Ressourcen und derer Bewegungen innerhalb der Wertschöpfung bzw. des gesamten Produktlebenszyklus in Form von Stoffströmen [12–14]. Ziel dieser Vorgehensweise ist die Wiedergabe des „Naturverbrauchs“ eines Produktes. Ein solcher Verbrauch kann nur über eine Verminderung der Stoffströme und/oder einer Optimierung des Gebrauchswerts minimiert werden [12]. Analog zu den bisher betrachteten Modellen handelt es sich auch bei MIPS/COPS um eine dreidimensionale Betrachtung (s. Abb. 1). Ähnlich zu dem Ansatz des Top-Down-Modells bzw. der Öko-Bilanzierung wird bei dem MIPS/COPS durch einen ständigen Vergleich zu einem Referenzprodukt konventioneller Art potenzielle Verbesserungen aufgezeigt.

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

181

ÖKONOMIE

Öko-Effizienz

ÖKOLOGIE

Soziale Verantwortung Ziel: Vermeidung von Risiken!

Umweltnutzungsalternaven

SOZIALES

Abb. 1  Ziele und Schnittstellen der dreidimensionalen Nachhaltigkeitsbetrachtung

Da sich die gesamte Bewertung des MIPS auf die Materialintensität des Produktes bezieht, bedarf es zu Beginn der Betrachtung einer umfassenden Materialintensitätsanalyse. Ausgehend dieser systemweiten Analyse kann der Gesamtinput inklusive der Inbetriebnahme der produzierenden Maschinen berechnet werden. Dabei gehen alle Primärmaterialien sowie Abfälle bzw. Verschnitt in den Materialinput mit ein [12]. Lediglich die recycelten Komponenten werden nicht mit verrechnet, um Dopplungen zu vermeiden. In diesem Zusammenhang kann die Frage nach dem in der Literatur häufig angesprochenen „ökologischen Rucksack“ beantwortet werden, denn im Sinne des MIPS ergibt sich dieser aus dem errechneten Materialinput abzüglich des Produkteigengewichts [13]. Das COPS-Verfahren wird in diesem Zusammenhang nicht weiterverfolgt, da es nur dann zielführend ist, wenn eine Produktion von der Planung an auf dieses Bewertungssystem ausgelegt wird. Eine Implementierung in eine vorhandene Produktion ist aufgrund der mangelnden Möglichkeiten zur Erfassung umfangreicher Daten sehr fehlerbehaftet.

2.4

Wert- und Zielsystem nach Fauth [14]:

Im Gegensatz zu den vorherigen Ansätzen trifft Fauth die Annahme, dass erst nach vollständiger Definition von Zielen und der Prozesse innerhalb des Lebenszyklus eines Produktes eine Bewertung vorgenommen werden kann [15]. Das Bewertungsmodell nach Fauth ist zweigeiteilt und beinhaltet sowohl ein Zielsystem und als auch ein Wertsystem (vgl. Abb. 2). Durch eine Abgrenzung dieser beiden Bereiche bietet sich die Möglichkeit einer Zieldefinition unabhängig des zugrunde liegenden Wertsystems.

182

T. Ehlers et al.

Abb. 2 Bewertungsansatz nach Fauth [16]

ZIELSYSTEM

WERTSYSTEM

1. Oberziele 2. Unterziele 3. Zielkriterien 4. Indikatoren

Untergeordnete Merkmale

1. Bewertungsskalen 2. Ergebnisse 3. Nutzwerte 4. Gewichtung

Das Zielsystem umfasst die übergeordneten Ziele des Produktes bzw. des Prozesses, die durch Ursache-Wirkungs-Beziehungen und ergänzende Zielkriterien validiert werden. Im Anschluss kann mittels verschiedener Indikatoren in Form von messbaren Ersatzgrößen, bspw. Serviceeinheiten, der Sachverhalt wertfrei dargestellt werden [16]. Anhand dieser Informationen ist es möglich eine Zustands- bzw. Beziehungsmatrix zu entwickeln, die in diesem Fall die Kriterien eines nachhaltigen Prozesses oder Produktes mit den dafür notwendigen Zustandsmerkmalen kombiniert. Das Wertsystem kann über die Einordnung in Skalen eine Verbesserung im Vergleich zu den konventionellen Prozessen oder Produkten sichtbar machen. Diese Skalen müssen je nach Ausprägung des funktionalen Zusammenhangs quantitativ oder qualitativ ausgelegt werden. Über die Ausarbeitung von Verhältnissen zwischen den Kriterien bzw. Ausprägung ist eine abschließende Gewichtung zulässig. Das Modell nach Fauth beinhaltet sowohl im Ziel- als auch im Wertbereich Komponenten aller drei Dimensionen. Aus ökonomischer Sicht liegt der Fokus auf den anfallenden Kosten in Kombination mit der erreichten Funktionalität. Die ökologische Dimension hingegen legt eine Betrachtung der Ressourcenhaushaltung im gesamten Produktionsprozess nahe. Darüber hinaus führt die soziale Dimension zu weiteren Möglichkeiten wie beispielsweise die Arbeitsbedingungen mit in die Bewertung zu integrieren. Aufgrund dieser Ganzheitlichkeit wird die Form des Bewertungskataloges mit in die folgenden Betrachtungen des Produktionsprozesses aufgenommen.

3

Nachhaltigkeit im Kontext der Additiven Fertigung

An die im vorherigen Kapitel aufgezeigten Bewertungsansätze wird im folgenden Kapitel angeknüpft. Darauf aufbauend wird das breite Feld des Nachhaltigkeitsbegriffs auf den betrachteten Bereich der Additiven Fertigung beschränkt. In der Vergangenheit wurde bereits eine Möglichkeit entwickelt, basierend auf einer CO2-orientierten Bilanzierung der einzelnen Prozessschritte eine Vergleichbarkeit zwischen der konventionellen und der Additiven Fertigung herzustellen [8]. Fraglich ist, ob und inwieweit die additiv gefertigten Produkte nachhaltiger sind. Denn unabhängig von den qualitativen Werten handelt es sich um eine einseitige Art der Bewertung, die nicht den gesamten Umfang des Nachhaltigkeitsgedankens aufgreifen kann. Durch die Ent-

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

183

wicklung einer individuellen Definitionsbildung (vgl. Abschn. 5) kann diese Einseitigkeit aufgehoben und eine unternehmensspezifische Gewichtung des Nachhaltigkeitsbegriffes gewonnen werden.

3.1

Effizienz – Ein Definitionsansatz

Branchenübergreifend wird im Zuge einer Nachhaltigkeitsbetrachtung die Effizienz mit der Nachhaltigkeit in Verbindung gebracht. Der verbreiteten Annahme, dass es sich bei Effizienz und Nachhaltigkeit um ähnliche Ansätze handelt [17], ist zunächst zu widersprechen. Zwar kann, je nach betrachteter Dimension, ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen effizienten und nachhaltigen Entwicklungen innerhalb einer Organisation festgestellt werden [18], doch ist die Effizienz dadurch als Indikator und nicht als Äquivalent der Nachhaltigkeit qualifiziert (vgl. Abb. 3). In diesem Zusammenhang ist eine Abgrenzung zwischen den Begriffen der „Organisation“ und des „Unternehmens“ vorzunehmen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist eine Organisation formal eine Summe verschiedener Regeln, die der gemeinsamen Zielerreichung mehrerer Personen dienen [19]. Demnach sind Unternehmen aufgrund ihrer internen Strukturen als Organisation anzusehen, jedoch ist eine Organisation nicht zwingend ein Unternehmen. Grundsätzlich lässt sich die Effizienz von Produkten oder Prozessen mehrdimensional bewerten [17–20]. Es bedarf einer Betrachtung der ökonomischen sowie der ökologischen Komponente [17, 20]. Problematisch zeigt sich die Mess- und Vergleichbarkeit, da weder die ökologische noch die ökonomischen Komponenten eines Prozesses eindeutig über bspw. CO2-Emissionen oder Kostenaspekte hinsichtlich der Effizienz bewertet werden können.

Abb. 3 Mehrdimensionaler Zusammenhang der Effizienz und der Nachhaltigkeit

NACHHALTIGKEIT

SOZIAL

ÖKOLOGISCH

ÖKONOMISCH

EFFIZIENZ

184

3.2

T. Ehlers et al.

Ganzheitlicher Produktionsprozess der Additiven Fertigung

Da eine Potenzialabschätzung bezüglich der Nachhaltigkeit innerhalb eines Unternehmens oder einer Organisation einen ganzheitlichen Charakter besitzen soll, bedarf es einer grundsätzlichen Eingrenzung des Bewertungsrahmens des Modells. Der Kernindikator für den Umfang dieser Bewertung bildet die Prozesskette der Additiven Fertigung (s. Abb. 4). In der zentralen Prozesskette der Additiven Fertigung nimmt die tatsächliche Fertigung nur einen kleinen Teil während des In-Processes ein. Diesem In-Process sind der Pre-­ Process sowie die Produkteentwicklung vorgelagert. Nachgelagert ist sowohl der Post-­ Process als auch das abschließende Finishing. Aufbauend auf diesem Ansatz kann eine Erweiterung des Modells fokussiert werden. Wie in Abb. 4 dargestellt, sind der zentralen Prozesskette weitere Schritte vor- bzw. nachgelagert, die sich sowohl über mehrere Branchen als auch über verschiedene Zeitpunkte erstrecken. Eine Vollständigkeit der innerhalb der Produktion vorhandenen Prozesse ist nicht angestrebt, vielmehr handelt es sich in Abb. 4 um eine exemplarische Darstellung der Prozesse einer aluminium- und stahlverarbeitenden SLM-Anlage. Dieser Betrachtungsrahmen überschreitet die innerbetrieblichen Grenzen des Unternehmens [12]. Daher gilt es sämtliche vorgelagerten Schritte der für die Produktion notwendigen Ressourcen in einen übergeordneten Kontext einzusortieren [21]. Die variablen Aufwände in Form von Strom, Schutzgas, Druckluft und Transport- bzw. Logistikaufwänden werden den jeweiligen Prozessschritten zusätzlich zugeführt und gelistet. Demnach

Abb. 4  Ansatz einer beispielhaften Prozesskette einer aluminium- und stahlverarbeitenden Anlage

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

185

beginnt der ganzheitliche Produktionsprozess eines aus beispielsweise Aluminium gefertigten Bauteils nicht im Unternehmen, sondern bereits während der Bauxitgewinnung (vgl. Abb. 4). Um einen derartigen Umfang an Informationen verarbeiten zu können, muss auf Datenbanken zurückgegriffen werden, in denen festgelegt ist, wie diese vorgelagerten Prozessschritte zu bewerten sind [12, 13]. Um auch den ökonomischen Aspekt in Form eines Geschäftsmodells mit in die Betrachtung aufnehmen zu können, wurden durch Schröder et al. verschiedene Faktoren definiert [19, 22]. Diese gliedern sich wie folgt auf: • • • •

Berücksichtigung von recyceltem und verlorenem Material Berücksichtigung des Supports inklusive eines Modells zur Abschätzung dieser Voraussage der Fertigungsdauer der Maschine Approximation der wirtschaftlichsten Anordnung von ein oder mehreren Bauteilen im Bauraum sowie der maximalen Menge an Bauteilen im Bauraum • Bewertung der Komplexität des Bauteils • Dauer der Nachbearbeitung • Integration einer modernen Qualitätssicherung Eine Kombination dieser Aspekte mit einer ganzheitlichen Prozessanalyse lässt Aussagen hinsichtlich der Nachhaltigkeit eines Produktes zu.

3.3

Prozessschritte der Additiven Fertigung

Während des gesamten Produktionsablaufs lassen sich nach Schröder innerhalb eines Produktionsprozesses additiv gefertigter Produkte, sieben elementare Produktionsschritte identifizieren [22]. Beginnend mit der Planung und dem Design eines CAD-Modells des zu fertigenden Produktes wird zunächst die Komplexität des Bauteils ermittelt. Diese Komplexität, beispielsweise in Form der notwendigen Stützstrukturen, wird im weiteren Verlauf ein wichtiger Indikator für sowohl die Bauzeit als auch den Umfang der Nachbearbeitungen [23, 24]. Zur tatsächlichen Fertigung des Bauteils gilt es im Vorfeld das Material über sogenannte Pulveraufbereitungsanlagen bereitzustellen [7]. Diese Form des Materialumgangs ist ein hoher Faktor im Bereich des Ressourcenschutzes sowie des innerbetrieblichen Recyclings (vgl. Abschn. 5). Das Befüllen der SLM-Anlage sowie das Aufheizen der Bauplattform, das Fluten des Bauraums mit Schutzgas, wie mit z. B. Argon oder Stickstoff, und dem Laden der Daten in die Maschine fällt in den vorbereitenden Prozessschritt des Maschinensetups. Auf die anschließende Fertigung mittels des SLM-Verfahrens folgen weitere Nachbearbeitungsbzw. „Post“-Schritte, wie eine erneute Aufbereitung des überschüssigen Pulvers oder das Entfernen der für die Fertigung notwendiger Stützstrukturen. Trotz der Tatsache, dass es sich zu diesem Zeitpunkt um ein fertiges Produkt handelt, kommen innerhalb der Organisation noch weitere Schritte und Abteilungen mit diesem Produkt in Berüh-

186

T. Ehlers et al.

rung. So bilden die Verwaltung und der Vertrieb des Produktes sowie eine abschließende Qualitätssicherung das Ende des innerbetrieblichen Produktionsprozesses [22, 25].

4

 ufbau einer Bewertungsmöglichkeit für die A Additive Fertigung

Die in Abschn. 2 vorgestellten Bewertungsansätze werden im folgenden Kapitel auf die Additive Fertigung angewendet. Nach einer Schwerpunktlegung der Bewertung in Abschn. 4.1 kann darauf aufbauend in den Abschn. 4.2 und 4.3 die Struktur sowie das Schema des Bewertungsablaufes vorgestellt und erläutert werden. Um eine Aussage bezüglich der Nachhaltigkeit eines additiv gefertigten Produktes treffen zu können, gilt es bestehende Bilanzierungssysteme dahingehend zu erweitern oder zu ändern, sodass eine qualitative Bewertung möglich ist. Die Basis für das Vorgehen ist das bereits beschriebene MIPS-­ Verfahren nach Schmidt-Bleek, welches Zusammenhänge zwischen der Materialintensität und den „überlebten“ Serviceeinheiten eines Produktes darstellt, ohne die verschiedenen vor- und nachgelagerten Phasen der Produktion zu vernachlässigen [12, 13]. Um einen nachvollziehbaren Kontext zu schaffen, wird der gesamte Aufbau der Bewertung am Beispiel eines hypothetischen Fertigungsdienstleisters angewandt. Das Unternehmens- und Leistungsprofil eines Fertigungsdienstleisters im Bereich der Additiven Fertigung reicht von der Identifizierung der herzustellenden Produkte über die reine Fertigung und anschließende Nachbearbeitung des Bauteils bis hin zur Qualitätssicherung. Alle Prozesse sind dabei individuell an den Kunden angepasst und reichen von der Prototypenherstellung bis hin zur Kleinserienfertigung. MIPS Der Ansatz einer reinen MIPS-Analyse (s. Abb. 5) kommt im Zuge der Additiven Fertigung schnell an seine Grenzen. Trotz des weitsichtigen Ziels alle Komponenten „von der Wiege bis zur Bahre“ [13] in ein Modell aufzunehmen, ist diese Art der Bewertung für einen Prozess zielführend, jedoch für ein einzelnes Produkt schwer zu realisieren. Problematisch stellen sich in diesem Zusammenhang die für das Produkt anteiligen Verrechnungen dar, für die es schwer Informationen zu sammeln gibt. Um ein in der Praxis umsetzbares Modell zu entwickeln, gilt es das MIPS mit dem Ansatz von Schmidt-Bleek mit dem von Fauth im Folgenden zu kombinieren.

Schritt 1: Definition von Zielen, Objekt und Serviceeinheit

Schritt 2: Darstellung der Prozesskette

Schritt 3: Datenerhebung

Schritt 4: Berechnung MI von der „Wiege bis zum Produkt“

Schritt 5: Berechnung MI von der „Wiege bis zur Bahre“

Abb. 5  Anlehnung an klassische MIPS nach [13] (Seite 17)

Schritt 6: Weg von der MI zur MIPS

Schritt 7: Interpretation der Ergebnisse

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

4.1

187

Fokus der Bewertung

Zu Beginn der Modellentwicklung gilt es die Fragen bezüglich der Ausgangsdaten, der Ziele sowie der Bewertungsgrundlage zu beantworten. Im Fall der Additiven Fertigung sind sämtliche vor- und nachgelagerten Prozessschritte bekannt, die in Kombination mit den dort angreifenden Potenzialen und Hebeln den Grundstein der Bewertung legen (vgl. Abschn. 3). In diesem Zusammenhang sind Eigenschaften des Produktionsverfahrens sowie des Produktes mit Potenzialen gleichzusetzen und die Ursachen dieser als Hebel anzusehen. Sowohl diese Potenziale als auch die Hebel sind als Einflussgrößen der Eigenschaften des betrachteten Prozesses bzw. Produktes anzusehen (s. Abschn. 5). Darauf aufbauend ist es das grundsätzliche Ziel dieser rein qualitativen Bewertung, eine Aussage bezüglich der Nachhaltigkeit auf Basis der Vergleichbarkeit zweier Fertigungsverfahren treffen zu können. Eine Widergabe der Ergebnisse muss in dimensionslose Skalen einsortiert werden, um das Ziel der Ganzheitlichkeit erreichen zu können.

4.2

Struktur für die Additive Fertigung

Der Ansatz für die additive Fertigung verhält sich lokal und ist somit als eine Vereinfachung der betrachteten globalen Zusammenhänge zu sehen. Dieser bezieht sich lediglich auf für das Beispiel relevante Potenziale und Hebel, die es im Folgenden bezüglich ihrer Relevanz und Bedeutung im übergeordneten Kontext der Nachhaltigkeit zu erläutern gilt. In gelisteter Form sind elf primäre Potenziale und Hebel von Relevanz. Diese können als reines Potenzial oder reiner Hebel auftreten. Wenn sich je nach Blickwinkel eine Funktion sowohl als Hebel als auch als Potenzial ergibt, sind diese mit einem gestrichelten Pfeil gekennzeichnet (Abb. 6). Im weiteren Verlauf können lediglich die Potenziale/Hebel der Materialeffizienz, der EOL-Maßnahmen, der präventiven sowie korrekten Instandhaltung und der Logistik näher beleuchtet werden, um den Umfang dieses Beitrages nicht zu überschreiten. Diese Potenziale/Hebel sollen mit besonderem Blick auf das Beispiel eines Fertigungsdienstleisters Aufschluss hinsichtlich der Bewertungsform geben. Materialeffizienz Als eines der wichtigsten Potenziale der Additiven Fertigung gilt die Steigerung der Materialeffizienz (ME) im Zuge der gesamten Öko- und Ressourceneffizienzerhöhung [18, 26]. Innerhalb jeder produzierenden Organisation gibt es Stoffströme, die sich über die Grenzen der einzelnen Prozessschritte hinausgehend bewegen und die Materialverbräuche widerspiegeln. Die ME ist als relative Größe zwischen der Produktivität und der Effizienz eines Unternehmens anzusehen, welche eine direkte Auswirkung auf die Umwelt haben kann, aber nicht haben muss [27]. Als Mittel zur Qualifizierung verschiedener Bewertungskategorien, kann die Materialeffizienz als eine Art Messgröße für die Umweltbelastungen pro erbrachte Leistung angesehen werden [28].

188

T. Ehlers et al. Kategorie

Hebel/ Potenziale

1.

Additive Fertigung

CO2-Emissionen reduzieren

2.

Lean Production

Ressourceneinsatz verringern

3.

Innovationen

(Ultra-)Leichtbau

4.

Modellimplementierungen

„EOL“-Maßnahmen „LCA“

5.

Kostenreduzierungen

Logistik

6.

Managementmaßnahmen (innen)

Präventive und korrekte Instandhaltung

7.

Managementmaßnahmen (außen)

Nachhaltiges Image durch hohe Qualität

8.

Effizienzsteigerungen

Materialeffizienz

9. a) b)

Nachhaltigkeit und Unternehmensvision Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit

Unternehmensproduktivität erhöhen Geschlossenen Wirtschaftskreislauf

Reine Hebel

Reine Potenziale

Hebel/ Potenzial

Abb. 6  Potenziale/Hebel der Additiven Fertigung

Im Bereich der Additiven Fertigung zeigt sich ein hohes Potenziale in den klassischen Branchen des Maschinenbaus sowie der Medizintechnik, da dort eine individuelle Bauteilproduktion von höchster Priorität ist [18, 28]. Eine zielführende Bewertung der Materialeffizienz kann nur unter der Prämisse einer lebenszyklusweiten Betrachtung generiert werden [18]. Auf dieser Basis wurde das gesamte MIPS-Prinzip ausgelegt, wodurch in diesem Bewertungssystem die Materialeffizienz als Gegenspieler des Materialinputs (MI) gilt [12, 13]. Der Materialinput umfasst sämtliche bewegten und eingesetzten Materialien und Ressourcen, die zur Produktherstellung benötigt werden [12]. Im Falle des Fertigungsdienstleisters bilden sowohl die Metallpulver aus verschiedenen Aluminium- und Stahllegierungen als auch sämtliche für den Betrieb notwendigen Rohstoffe (bspw. Schutzgase) den primären MI [8]. Geschlossener Wirtschaftskreislauf Um diesen MI und die damit in den Produktionskreislauf eingebrachten Ressourcen zu erhalten, fokussiert sich ein weiteres ökologisches und ökonomisches Potenzial auf die Konsistenz und auf die Reduktion etwaiger Abfallprodukte [27]. In diesem Zusammenhang sind sämtliche Innovationen entlang der Wertschöpfung auf eine Vergrößerung der wirtschaftlichen Kreisläufe ausgelegt. Die Grenzen dieser Kreisläufe gehen über den eigentlichen Produktlebenszyklus hinaus, um die Werte des Produktes langfristig zu wahren [28]. Innerhalb dieser Kreisläufe kann der Materialbedarf über zwei Bedarfsarten bewertet werden. Zum einen gilt es den Primär- und zum anderen den Sekundärmaterialbedarf zu

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

189

reduzieren [18]. Unabhängig der Bedarfsart müssen in einer Analyse in verschiedene Inputkategorien unterschieden werden (Rohmaterial, Wasser, Luft, etc.) [18]. EOL-Maßnahmen Das Prinzip der „End-of-Life“-Betrachtung gilt als Möglichkeit hinter den Grenzen der Produktions- und Nutzungszeit ein Produkt bilanzieren zu können [27]. Somit wird über die eigentliche Wertschöpfung hinausgehend versucht, die Nachhaltigkeit des Produktes einzuordnen [28] bzw. die „zielgerichtete Gestaltung, Lenkung und Entwicklung aller produktbezogenen Aktivitäten des Nachgebrauchs“ [21]. Aktuell zeigt sich ein steigendes Interesse für ein erfolgreiches EOL-System aufgrund der zunehmend teurer werdenden Preise für Primärressourcen [21]. Ausgehend der Annahmen nach Porter Supply Chain (vgl. Abb. 7) hat eine ganzheitliche „EOL“-Maßnahme verschiedene Bestandteile. Beginnend mit der Produktrücknahme werden im Zuge der Ressourcenrückführung die Phase der Entsorgung, der Herstellung bis hin zu erneuten Nutzung durchlaufen [28]. Weiterführend entsteht nach den VDI-­Richtlinien 2343 bzw. 4431 eine Verantwortung seitens der Unternehmen ­Recyclingstrukturen im Unternehmen herzustellen [29, 30]. Einerseits ist der Einsatz von Sekundärrohstoffen sowie die mehrfache Verwendung ganzer Baugruppen wünschenswert [21]. In Bezug auf die Additive Fertigung bedeutet das, beispielsweise durch das Auffangen und Rückführen von überschüssigem Pulver den Primärverbrauch der Maschinen zu senken und/oder durch den vermehrten Einsatz von Maßnahmen des „Additive Repair“ die Produktlebenszeit zu erhöhen. Zudem kann eine direkte Wiederverwendung am Ende des Produktlebens über eine dauerhafte Instandhaltung angestrebt werden (vgl. „Präventive und korrekte Instandhaltung“). In diesem Zusammenhang müssen in einer Bilanzierung zusätzliche Aufwendungen im Falle einer Komponententrennung von Materialmixen ebenfalls beachtet und aufsummiert werden [21]. Sämtliche Aufbereitungsschritte umfassen, wie im Folgenden dargelegt, die Verfahrensaufwendungen in Form von Energie und Abfällen [21].

Verkauf

Herstellung

Induktion

Nutzung

Rückgabe

Beschaffung

Rücknahme

Entsorgung Recycling Energetische Verwertung

Beseitigung Deponierung

Abb. 7  „EOL“-Einordnung nach Porter (vgl. [28] Abb. 6107)

Thermische Beseitigung

190

T. Ehlers et al.

Präventive und korrekte Instandhaltung In Anlehnung an die Ziele des EOL kann mittels einer intelligenten Instandhaltung zum einen die Lebensdauer des Produktes und zum anderen die Wahrscheinlichkeit einer direkten Wiederverwendbarkeit einzelner Bauteile bzw. ganzer Baugruppen erhöht werden. Aufgrund des zunehmenden Versuchs die Funktionsintegration der Produkte zu erhöhen, bildet sich das Potenzial der Reduktion von Instandhaltungs- sowie Qualitätssicherungskosten [31]. Die Ursache liegt in der geringeren Anzahl verschleißanfälliger Bauteile hinsichtlich des unternehmerischen Strebens nach Effizienz [31]. Als Ziel gilt es zudem ­Instandhaltungsmaßnahmen zu fördern ohne im selben Zuge die Erwerbstätigkeit zu ­verringern [32]. Hinsichtlich der folgenden erweiterten Analyse können diese Maßnahmen die Anzahl der möglichen Serviceeinheiten erhöhen bzw. der Materialinput des Produktes verringern [18]. Für die Additive Fertigung bzw. den exemplarischen Fertigungsdienstleister bedeutet eine Erhöhung der Serviceeinheiten eines Bauteils in letzter Konsequenz, dass die zeitlichen Abstände der notwendigen Instandhaltungsmaßnahmen sich erhöhen und der Aufwand für die Bauteile bzw. die gesamte Serie sinkt. Trotz erhöhter Kompliziertheit von funktionsintegrierten Bauteilen, verringert sich die Summe der Bauteile sowie die der wartungsanfälligen Schnittstellen [33]. Logistik (Kosten/CO2) Alle logistischen Aufwendungen werden sowohl durch den Hebel des (Ultra-)Leichtbaus [31] als auch durch interne Innovationen entlang der Wertschöpfung [28] beeinflusst. So kann durch eine wertschöpfungsorientierte Logistik die ökologische sowie die ökonomische Effizienz erhöht werden [18, 28]. Für die Additive Fertigung ergeben sich analog zu der konventionellen Fertigung verschiedene Schnittstellen der Mengen von der Adminis­ tration über die Fertigung, der Montage und Beschriftung bis hin zum fertigen Produkt. Diese Phasen werden durch Mengen- und Stoffströme charakterisiert, die wiederum Aussagen bezüglich der logistischen Aufwendungen des gesamten Produktes zulassen [27]. Eine Bewertung der Logistik kann sowohl auf Basis von Kosten als auch CO2-Emissionen vorgenommen werden. In Anlehnung an die DIN EN 16258 zeigt sich, dass eine Bilanzierung auf Basis von Datenbanken, individueller Messwerte und gemittelter Kennwerte möglich ist [34]. Am Ende eines Produktlebenszyklus können die errechneten Werte der einzelnen Phasen in Skalen einsortiert werden, um tatsächliche Aussagen über die Effizienz der Produkte treffen zu können.

4.3

Aufbau eines Bewertungsschemas: Ziel- und Wertsystem

Ausgehend der in Abschn. 4.2 definierten Potenziale und Hebel, die in der Additiven Fertigung von erhöhter Relevanz sind, lässt sich zunächst ein an Fauth [16] angelehntes Zielsystem entwickeln. Innerhalb dieses Zielsystem (vgl. Abb. 8) können die Potenziale und Hebel als Unterziele des übergeordneten Ziels der Nachhaltigkeitserhöhung ausgemacht

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

Additive Fertigung

Zielsystem Oberziel(e) Nr. Unterziel(e) T. Verbesserung der 1 Erhöhung der (a) Nachhaltigkeit Materialeffizienz gegenüber der (b) Konventionellen Fertigung (c)

Zielkriterien Effizienz steigern Verbesserung vorgelagerter Prozessschritte Aufwand der Produktion minimieren

(d) Vor- und Nachbearbeitungsschritte min.

Indikatoren Quotient aus Gesamtinput zu Gesamtoutput steigern MI senken; minimalem Wert annähern Input für den Maschinenbetrieb senken (in CO2, €, kWh) Prozessschritte kürzen

191

Prozessschritt(e) Produktion Vorbereitung

Produktion

Vorbereitung, Nachbereitung

Anmerkungen * Vergleichsgröße zu der konventionellen Fertigung

** Externe Berechnung notwendig

Abb. 8  Zielsystem für die Potenziale der Additiven Fertigung Wertsystem

Additive Fertigung

Nr. T.

Indikatoren

Ausgangseinheit

Skalenwert (Start) V.-Art Verrechnungsschritt in SE Ergebnis

1 (a) Quotient aus Gesamtinput zu Gesamtoutput Dimensionslos (R) steigern (b) MI senken; minimalem Wert annähern (c) Input für den Maschinenbetrieb senken

(d) Prozessschritte kürzen

Anmerkungen Dimensionslos (R) Rel. Vergleichswert zur konventionellen Fertigung Dimensionslos (A) Abs. Verrgleichswert zur konventionellen

Dimensionslos (A) CO2 kWh € Dimensionslos (A)

Prozessschritt(e)

B

Produktion

A C D E A

Vorbereitung Produktion Vorbereitung, Nachbereitung

Verrechnungsschritte in SE Ausgangseinheit V.-Art Faktor [Starteinheit/ SE] Dimensionslos (A) A Dimensionslos (R) B CO2 C kWh D € E kg F Zeiteinheiten G

Abb. 9  Wertsystem für die Potenziale der Additiven Fertigung

werden. Jedes dieser Unterziele besitzt verschiedene Zielkriterien und Indikatoren. Im Falle des Unterziels der Erhöhung der Materialeffizienz (1) ist ein Zielkriterium die Minimierung des allgemeinen Produktionsaufwandes (c), den es mittels des Indikators eines geringeren Inputs in Form von CO2, Kosten und Energiezuflüssen zu erreichen gilt. In der letzten Spalte werden zudem die Prozessschritte aufgeführt, in denen das Unterziel erreicht werden muss. Analog zu diesem Zielsystem kann ein Wertsystem entwickelt werden (vgl. Abb. 9). Dieses umfasst sowohl die Kennungen des Zielsystems zur Orientierung als auch die erreichten Werte der Indikatoren. Zudem können die Ausgangseinheiten und die sich daraus ergebenden Verrechnungsarten entnommen werden. Alle Verrechnungsarten besitzen als Input die jeweilige Ausgangseinheit und als Output die dimensionslose Serviceeinheit. Der Ablauf der gesamten Bewertung wird im Folgenden kurz dargestellt. Exemplarisch für die Funktion dieses Wertsystems kann das Beispiel des Zielsystems aufgegriffen werden. Für die Reduktion des Inputs im Maschinenbetrieb über die Größen der CO2-, Kosten- und Energieaufwände werden innerhalb der Produktion jeweils über die zugehörigen

192 Kompatible Materialien für eine SLM-Anlage Zusammensetzung Anteil [kg] Faktor (Infill) Aliminiumlegierungen AlSi10Mg AlSi7Mg0,6 AlSi9Cu3

T. Ehlers et al.

MI-Faktoren [pro kg] 18,98 18,98 18,98

Verrechnung Komplexität

Dimensionslose SE 0

0

Abb. 10  Anteilige Verrechnung der Materialzusammensetzung

Verrechnungsarten C, D bzw. E Werte in Serviceeinheiten verrechnet. Über diese Art der Berechnung ist eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Indikatoren unabhängig der unterschiedlichen Einheiten möglich. Dadurch ist es einem Dienstleister beispielsweise möglich auftragsspezifische Aussagen hinsichtlich der Aufwände zu treffen und neue Ziele daraus abzuleiten. Berechnungsblatt Ausgehend der im Zielsystem hinterlegten Einflussgrößen werden während der Berechnung in einem Berechnungsblatt zusammengeführt und können so abschließend bilanziert werden. Zunächst gilt es einen gesamten Input für die Fertigung zu definieren, in Abhängigkeit der individuellen Bauteilbeschaffenheit. Diese werden auftragsspezifisch zu Beginn über die Jobhöhe (in mm), die Komplexität (in %), das Gesamtgewicht (in g) und die angestrebte Schichtdicke (in mm) abgefragt. Bezüglich der Materialzusammensetzung sind sämtliche mit der Maschine kompatiblen Materialien hinterlegt, die mit den jeweiligen MI-Faktoren [35] verrechnet und in eine dimensionslose Serviceeinheit umgewandelt werden (s. Abb. 10). Analog zu den in Abb. 10 aufgeführten Aluminiumlegierungen werden für sämtliche mit der Maschine kompatiblen Materialien anteilige Verrechnungen durchgeführt. Wie bereits zu Beginn erwähnt kann ein Vergleich zu der konventionellen Fertigung zu jedem Zeitpunkt der Bewertung erfolgen, da das Bewertungssystem individuell und somit nicht an das Produktionsverfahren gebunden ist. Somit muss eine Anpassung an die Prozesse erfolgen sowie an die für das Unternehmen relevante Kategorien. Dieser Schritt der Verrechnung ist maßgeblich für die Berechnung, da die MI-Faktoren sämtliche vorgelagerten Aufwendungen komprimiert zusammenfassen. Die weiteren Prozessinputs in Form von Kosten und energetischen Aufwänden ergeben sich sowohl aus einer Kostenanalyse auf Basis von Verbrauchswerten, variablen und fixen Kosten-sätzen und dem individuellen Betrieb der Maschine. In diesem Zusammenhang können die sozialen Aspekte der Mitarbeiter sowie die aktuelle Inflationsrate mit in die Kalkulation aufgenommen werden. Aufsummiert werden diese gelistet und in das Berechnungsblatt übernommen. Aufbauend auf diese Annahmen werden für die verschiedenen Potenziale die jeweils relevanten Indikatoren in dimensionsloser Form bilanziert und im Verrechnungsblatt mit der konventionellen Fertigung in einen Kontext gesetzt [36]. Das Berechnungsverfahren der konventionellen Fertigung ist analog zu dem der exemplarischen additiven Fertigung anzupassen und umzusetzen.

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

5

193

Potenzialabschätzung nachhaltiger Organisationen

Anhand produkt- bzw. prozessspezifischer Abläufe kann, wie in Abschn. 4 gezeigt, ein individuelles Ziel- bzw. Wertsystem entwickelt werden. Doch um eine Aussage hinsichtlich der Nachhaltigkeit einer ganzen Organisation treffen zu können, muss ein weitreichenderer Ansatz verfolgt werden. Am Beispiel des exemplarischen Fertigungsdienstleisters kann der Leitfaden des Unternehmens ökonomisch geprägt sein und die ökologischen Komponenten, wie Aspekte des „Lean Managements“, stehen im Hintergrund. Derartige Auslegungen der Unternehmenspolitik können und dürfen nicht verallgemeinert in eine einheitliche Definition einer nachhaltigen Unternehmung gedrängt werden, sondern benötigen ein auf die Unternehmensbelange angepassten „Framework“-Ansatz, wie es im Folgenden aufgebaut ist. In diesem Kapitel wird der im Vorfeld entwickelte Bewertungsablauf in einen weiteren Betrachtungsrahmen gefasst. Denn über die Grenzen der Additiven Fertigung hinausgehend, bietet die Kombinatorik aus Hebeln und Potenzialen der Nachhaltigkeit viele Möglichkeiten, um die inner- und außerbetrieblichen Strukturen auf nachhaltige Prozesse und Produkte hin zu untersuchen. Als Resultat einer umfassenden Literaturrecherche hinsichtlich der Abhängigkeiten von Potenzialen und Hebeln innerhalb einer Organisation, die über die Grenzen der Additiven Fertigung hinausgehen, ergab sich ein großer Pool an Definitionsansätzen, Potenzialen und Hebel bezüglich nachhaltiger Unternehmungen und Produkte verschiedener Branchen und Größe. In einer anschließenden Analyse galt es diese Informationen in die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit, ökologisch, ökonomisch sowie sozial, als auch in Kategorien einzuordnen. Diese Kategorien können zunächst als Hilfsmittel zur Übersichtlichkeit durch Zusammenführen von Potenzialen/Hebeln aufgrund von Ähnlichkeiten gebildet werden. Im weiteren Verlauf dienen diese Kategorien mehr noch zur Orientierung innerhalb der gesamten Betrachtung als Cluster für eine schlüssige Struktur (s. Abb. 11). Kategorien wie „Gesellschaftspolitik“ in der sozialen Dimension oder „Effizienzsteigerungen“ als Schnittmenge der ökonomischen und ökologischen Dimension (vgl. Abschn. 3) lassen eine vielseitige Einordnung der Potenziale zu, die über die Grenzen der Abteilungen einer Organisation hinausgehen. Zudem zeigt sich in Abb. 11 inwieweit die in Abschn. 4 aufgezeigten Zusammenhänge der Potenziale/Hebel dimensionsübergreifend aufgebaut sind. Durch diese Betrachtung ist es möglich, branchen- sowie produktübergreifend, eine individuelle Definition von Nachhaltigkeit zu entwickeln, ohne dabei wichtige Wechselwirkungen zu vernachlässigen. Eine solche Definitionsentwicklung ist das Resultat subjektiven Strebens einer jeden Organisation nach Zielen in Form von Potenzialen. Schließlich ist es nicht nur das Ziel eine ganzheitliche Betrachtung zu generieren, sondern einen auf das Organisationsziel ausgerichteten Nachhaltigkeitsgedanken innerbetrieblich zu festigen. In den folgenden Kapiteln wird zunächst ein Modell entwickelt, das der Einteilung von Einflussgrößen in Potenziale und Hebel zugrunde liegt und im weiteren Verlauf hinsichtlich der Additiven Fertigung angepasst wird.

ÖKOLOGISCH

194

T. Ehlers et al.

LEAN PRODUCTION AM EFFIZIENZSTEIGERUNGEN

ÖKONOMISCH

ANREIZE KOSTENREDUKTION MODELLIMPLEME N-TIERUNGEN

WIRTSCHAFTLICHK EIT

INNOVATIONEN

WIRTSCHAFTLICHE GESCHÄFTSBEZIEHUNGEN

MANAGEMENTMAßNAHMEN (EXTERN)

SOZIAL

FORDERMAßNAHMEN

PRODUKTIVKAPITAL

UNTERNEHMENSVISIONEN

VERBRAUCHER PERSONALPOLITIK

MANAGEMENTMAßNAHMEN (INTERN) GESUNDHEITSMANAGEMENT

VISION 2050

GESELLSCHAFTSPOLITIK

Name der Kategorie

Für die AF relevant (vgl. Kap. 4)

Dimensionsübergang

Abb. 11  Ermittelte Kategorien der Potenzialabschätzung

Annahmen zu Einflussgrößen Die Problematik in der ganzheitlichen Betrachtung der Zusammenhänge innerhalb eines Prozesses liegt in der Erstellung einer allgemeingültigen Bewertungsbasis. Diese Basis einer Hebel/Potenzial Betrachtung folgt dem Versuch gewisse Eigenschaften mit möglichen Ursachen direkt zu verknüpfen [31]. Alle identifizierten Potenziale und Hebel, somit Einflussgrößen, sind das Resultat verschiedener Ansätze, die sich mit der Ursache-­Wirkungsbeziehung befassen. Daher ist es möglich verschiedene Wechselwirkungen zwischen den Potenzialen und Hebeln durch verschiedene Literaturnachweise qualitativ zu postulieren sowie validieren. Wichtig ist in diesem Kontext zu erwähnen, dass sämtliche Hebel auch als Potenziale anderer Hebel angesehen werden können. Die tatsächliche Bezeichnung ist somit sehr situationsspezifisch und individuell an den Kontext anzupassen. Potenzial-/Hebel-Beziehung Das Ergebnis der Potenzialbetrachtung ist eine Sammlung aller dimensionsübergreifenden Beziehungen. Diese sind in einer hinterlegten Matrix entschlüsselt, die zusätzliche Informationen bezüglich der Wechselwirkungen enthält. Diese sind wiederum an Erläuterungen geknüpft und in einer externen Liste mit den Nummern der Verbindungslinien verknüpft. Die Relevanz der Verknüpfungen aus Hebeln und Potenzialen wird am Beispiel des Fertigungsdienstleisters ersichtlich. Aus ökonomischer Sicht, wie in Abb. 12 dargestellt, ist eine hohe Kundenbindung erstrebenswert, um den langfristigen Bestand des Unternehmens sicherzustellen [37]. Aus diesem Potenzial ergibt sich einerseits der Hebel der ge-

Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit in der Additiven …

195

VERBRAUCHER

„Community Acceptance“ schaffen Kundenbindung erhöhen 22

GESELLSCHAFTSPOLITIK Ethik, Transparenz, Humanrecht als Basis Interne Wahrnehmung fesgen Verantwortung Gerechgkeit implemeneren; 28 Umweltnutzung Gesellschaliches Produkvkapital erhalten

22

Kommunikaon zu Unternehmen ausbauen

UN-Nachhalgkeitsziele verfolgen

Soziale Akzeptanz stärken (Zivilbevölkerung)

Abb. 12  Exemplarische Verknüpfung von Hebeln und Potenzialen am Beispiel eines Fertigungsdienstleisters

sellschaftspolitischen Verantwortung und andererseits aus Verbrauchersicht das Potenzial eines Ausbaus der interorganisatorischen Kommunikation. Denn ein transparenter Umgang zwischen Verbraucher und Dienstleister birgt für beide Parteien ein vertrauensvolles Verhältnis [38]. In den letzten Jahren lässt sich zudem ein wachsendes Interesse seitens der Zivilbevölkerung bezüglich der additiven Fertigungsmöglichkeiten nachweisen. Diese soziale und gesellschaftliche Akzeptanz stärkt besonders die Branche der Dienstleister und Produzenten, um über die Grenzen des Prototypenbaus hinweg additive Lösungen vertreiben zu können [39–41]. Zudem hilft der Zuspruch von außen den Unternehmen, um die meist noch jungen internen Strukturen zu festigen und die Unternehmensziele langfristig an die gesellschaftliche Diskussion zu knüpfen [42, 43]. Über eine Sichtung dieser Wechselwirkungen kann aus einer übergeordneten und globalen Sichtweise ein weites Netz verschiedener Zusammenhänge aufgespannt werden. All diese weisen eine in sich konsistente Logik auf, die als Pfad betrachtet eine Vielzahl an Komponenten des scheinbar klaren Nachhaltigkeitsbegriffes. Aufgrund dieser komplexen Verzweigungen ist eine Betrachtung mittels Kennzahlen ein aufwändiges Verfahren, das sowohl valide Werte als auch eine konsequente Umsetzung innerhalb des Unternehmens erfordert [44]. Doch kann ein individuelles Aufspannen des Netzes aus Potenzialen und Hebeln ein unternehmensspezifisches Bewusstsein für die tatsächliche Relevanz von Nachhaltigkeit schaffen.

196

6

T. Ehlers et al.

Zusammenfassung und Ausblick

Ausgehend einer allgemeinen Vorstellung verschiedener Bewertungsansätze (Abschn. 2) über die Schwerpunktsetzung auf die Additive Fertigung und die damit einhergehende Definition eines angepassten Nachhaltigkeitsbegriffes (Abschn. 3) konnte in Abschn. 4 eine Möglichkeit vorgestellt werden, der es erlaubt, eine qualitative Bewertung vorzunehmen. Dieses Schema kann in Abschn. 4.3 in Form eines Ziel- und Wertsystems hinsichtlich tatsächlicher Werte validiert werden. Eine abschließende Begriffserweiterung der Nachhaltigkeit für eine globale Prozess- und Produktbetrachtung erfolgt in Abschn. 5. Durch die Einführung einer dimensionslosen Serviceeinheit können am Ende der Berechnung qualitative Werte generiert werden, die im Kontext der mehrdimensionalen Betrachtung einen Rückschluss auf die verschiedenen Potenziale der Nachhaltigkeit zulassen. Dadurch kann ausgehend dieses Modells dort eingegriffen werden, wo Defizite identifiziert werden können. Aufgrund der kleinschrittigen Vorüberlegungen und Entwicklung eines Ziel- und Wertsystems können Prozesslücken nahezu ausgeschlossen werden. Zudem handelt es sich um eine Prozessbetrachtung der Additiven Fertigung von der „Wiege bis zur Bahre“ [12], wodurch auch sämtliche vorgelagerten Emissionen, Kosten sowie andere Aufwände mit verrechnet und auf das individuelle Bauteil umgeschrieben werden. Dieser Aspekt kann durch die exemplarische Betrachtung eines Fertigungsdienstleisters als Vorteil identifiziert werden. Um eine derartige Bewertung ganzheitlich in einer Organisation implementieren zu können, bedarf es zunächst einer vollständigen Aufarbeitung der vorgelagerten Prozesse. Diese beinhaltet eine lückenlose Dokumentation sowohl der Materialproduktion und Bereitstellung als auch des Betriebs der produzierenden Maschine und aller logistischer Aufwände, die in diesem Zusammenhang für die Organisation entstehen [34]. In der Additiven sowie der konventionellen Fertigung können die ökologischen sowie die ökonomischen Komponenten auf valide Daten gestützt werden. Wünschenswert ist zudem eine Aussage hinsichtlich der sozialen Dimension, doch zeigen sich die geringen verwertbaren Datenmengen der Unternehmen, die nicht in der reinen Prototypenfertigung agieren, problematisch [36, 45]. Daher ist eine Implementierung in eine laufende Prozesskette in der Praxis, ohne einen vergleichsweise hohen Vorbereitungsaufwand, schwer zu realisieren.

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Teil IV Spezifikationen, Potentiale und Lösungsfindung

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens Christian Schmid

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung  2  Was ist WAAM – „Wire and Arc Additive Manufacturing“?  3  WAAM – gerechtes Planen und Konstruieren  4  Zusammenfassung und Ausblick  Literatur 

   204    204    206  220  221

Zusammenfassung

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. C. Schmid (*) DST Dr Schmid Technologies UG, Langenhagen, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_13

203

204

C. Schmid

Schlüsselwörter

WAAM · Wire and Arc Additive Manufacturing · Draht-Lichtbogen-3D-Druck · Konstruktionshilfe für WAAM · Randbedingungen

1

Einleitung

Guidelines für die Anwendung von Konstruktions-, Planungs- und Fertigungsmethoden werden in vielen Bereichen eingesetzt und basieren auf unterschiedlichen Einflüssen. Neben erfahrungsbasierten Methoden werden Datenbank basierte Designhilfen mit Designvorschlägen sowie Simulationen angewendet [1]. All diese Methoden haben ihre Berechtigung und eröffnen es dem Anwender das entsprechende Verfahren in der Planung seines Produktes zu berücksichtigen, optimierte Lösungen herauszuarbeiten und Fehler zu vermeiden. In diesem Beitrag werden Ergebnisse aus eigenen Erfahrungen sowie ein kurzer Einblick in die Literatur basierten Erkenntnisse gegeben. Wie bei allen Richtlinien, Konstruktionshilfen und Guidelines ist die Anwendung immer an das Gesamtpaket gebunden, welches die Aspekte Bauteilgeometrie, Anwendungsprofil, Werkstoff, Fertigungsanlage sowie die zur Anwendung zu bringende Prüftechnik berücksichtigen sollte.

2

Was ist WAAM – „Wire and Arc Additive Manufacturing“?

2.1

Definition und Eigenschaften

Das WAAM-Verfahren basiert auf einem millionenfach bewährten Fertigungsverfahren – dem Lichtbogenschweißen. Mit Hilfe einer Führungsmaschine und einem Schweißgerät, das einen zugeführten Draht im Lichtbogen aufschmilzt und die Schmelze Lage für Lage übereinander ablegt, entstehen metallische Bauteile mit einer hohen Aufbaugeschwindigkeit und je nach Werkstoff mit Depositionsraten von mehreren Kilogramm pro Stunde. Allerdings weist das Verfahren auch Fertigungstoleranzen größer als einige Zehntel-Millimeter auf, die je nach Anspruch an das Teil durch eine anschließende spanende Bearbeitung gefinisht werden müssen. Treiber der Anwendung der WAAM-Technologie sind vielfältig aber einfach zusammenzufassen – Kosten und Zeit [2]. Folgende Gründe sprechen für den Einsatz des Verfahrens bei geeigneten Anwendungen (Abb. 1). Zeit getrieben: • Reduzierung der Durchlaufzeiten, • Dezentrale Fertigung.

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

205

Abb. 1  Funktionsschema des Wire and Arc Manufacturing WAAM-Verfahrens

Kosten getrieben: • Reduzierung der Fertigungskosten, • Reduzierung des Abfalls, insbesondere bei hochpreisigen Werkstoffen ein wesentlicher Faktor. Getrieben durch bessere Bauteileigenschaften: • Reduzierung von Designeinschränkungen, • Möglichkeit der Herstellung hoch integrierter Bauteile, • Verbesserung der Design Flexibilität bei Einsatz von Dreh-Schwenktischen zur Variation der Aufbauorientierung, • Verbesserung der Bauteileigenschaften hinsichtlich Funktion, Haltbarkeit, Masse etc., • Praktisch kaum Restriktionen hinsichtlich der Bauteilgröße, • Einsetzbarkeit für Reparatur und Teilersatz. Die Vorteile des Verfahrens sind vielfältig [2, 3]: 1. WAAM eignet sich durch seine hohen Depositionsraten von bis zu einigen kg pro Stunde hervorragend für die Herstellung großformatiger Metallbauteile, die nur durch die Reichweite der Führungsmaschine begrenzt ist und durch größere Verfahrwege einfach zu vergrößern ist. Auf diesem Wege sind auch Bauteillängen von 10 m und mehr möglich. Im Vergleich zu Pulver basierten Methoden sind die Auflösungen allerdings geringer. 2. Die Werkstoffkosten beim WAAM sind durch die Vielzahl von kommerziell auch in anderen Bereichen angewendeten Drähten relativ gering. Insbesondere kommt dies im

206

C. Schmid

Vergleich mit Pulver-Anwendungen zum Tragen, da die beim WAAM direkt verwendeten Drähte die Basis für die Pulverherstellung darstellen. 3. Abfall wird minimiert, dadurch das das Bauteil Lage für Lage entsteht, anstatt aus einem Block herausgespant zu werden. Dies ist insbesondere im Bereich des Leichtbaus wichtig, da hier zum Teil nur noch 5 bis 20 % des Ausgangsblockes als dünnwandiges Bauteil übrigbleiben. 4. Die erzielbaren Auflösungen liegen, je nach Schichthöhe der einzelnen aufgebrachten Layer, im Bereich zwischen 1,5 und 3 Millimetern. Die resultierende spanende Bearbeitung dient also lediglich dem Finish und nicht mehr der groben Herausarbeitung der Kontur. 5. Das Verfahren eignet sich sehr gut, um bestehende, aber durch Verschleiß oder Beschädigung unbrauchbare Teile zur reparieren oder zu rekonstruieren. Ein Prozess, bei dem der unbeschädigte Bereich des Bauteils größtenteils erhalten bleibt, aber beschädigte Teile auf dem Altteil neu aufgebaut werden. Dies ist sowohl im Sinne ökonomischer Aspekte sinnvoll, es erlaubt aber vor allem bei schlecht verfügbaren Bauteilen die Lieferzeit drastisch zu reduzieren. 6. Gradierungen und Layer unterschiedlicher Werkstoffe zeigen ein hohes Potenzial für Multimaterial-Strukturen zur Verbesserung von Festigkeiten sowie lokaler Gebrauchseigenschaften [4]. 7. Die Anlagentechnik lässt sich aus handelsüblichen Anlagenteilen wie bspw. einer Schweißstromquelle, einem Schweißroboter sowie einem Schweißtisch oder einer Dreh-Schwenkvorrichtung zusammenstellen und erlaubt weitreichende Freiheiten in Bezug auf Größe und Möglichkeiten des Verfahrens. Eine Untersuchung der Cranfield Universität hat einige der für die Prozessverifizierung maßgeblichen Faktoren im Vergleich zu anderen Verfahren bewertet [3]. Neben den im Vergleich zu pulverbasierten Verfahren hohen Aufbauraten mit korrelierenden gröberen Auflösungen und Rauheiten bei unterschiedlichen Schichthöhen zeigt die Untersuchung, dass das WAAM-Verfahren ein absolutes Optimum bei ca. 1,5 bis 2 mm Schichthöhe in Bezug auf die relativen Bauteilkosten aufweist (Abb. 2). Und dies auch im Vergleich mit konventioneller Fertigung. Hieraus ergeben sich klare Präferenzen für die Anwendung der unterschiedlichen Verfahren (Abb. 3):

3

WAAM – gerechtes Planen und Konstruieren

3.1

Herstellbarkeit – Schweißbarkeit

WAAM 3D-Druck ist Schweißen in seiner reinsten Form. Dies gilt es von Anfang an in der Konzeptionierung des Bauteils zu berücksichtigen. Wesentliche Randbedingung ist demnach die Schweißbarkeit.

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

207

Abb. 2  Schichthöhe bezogene Kennwerte des WAAM-Verfahrens im Vergleich [3]

Abb. 3  Eigenschaften des WAAM-Verfahrens im Vergleich

In der Fertigungstechnik wird Schweißbarkeit nach drei wesentlichen Kriterien bewertet, die alle einen entscheidenden Einfluss auf das zu fertigende Bauteil haben. Angelehnt an die Defintion der Schweißbarkeit nach DIN 8528-1 lassen sich die Kriterien der Bewertung auf das WAAM-Verfahren übertragen:

208

C. Schmid

Schweißeignung – Werkstoff/Zusatzwerkstoff • Mechanisch technologische Eigenschaften, • Oberflächeneigenschaften. Schweißmöglichkeit – Fertigung • • • •

Anlagentechnik, Schweißmaschine, Spanntechnik, Prüftechnik-Überwachung.

Schweißsicherheit – Konstruktion • Gestaltung, • Art und Höhe der Belastungen, • Umgebungseinflüsse (z. B. Abrasion, Korrosion, …). Die zentrale Rolle bei der Planung des Bauteils liegt beim Konstrukteur, der neben den gestalterischen Möglichkeiten auch die verfahrenstechnischen Restriktionen berücksichtigen muss, um ein erstens herstellbares und zweitens dann auch noch in seinen Gebrauchseigenschaften nutzbares Bauteil mit sicheren Eigenschaften zu konstruieren.

3.2

Schweißeignung – Werkstoffauswahl

Die Werkstoffauswahl bestimmt die Schweißeignung und ebenso die mechanisch technologischen Eigenschaften des resultierenden Bauteils. Für die Auswahl gelten folgende Kriterien: • Verfügbarkeit als Schweißdraht am Markt, • Eigenschaften nach dem Verschweißen, • notwendige Wärme- und mechanische Nachbehandlungen nach dem Schweißen zur Vermeidung von Verzug und/oder Eigenspannungen bzw. zur Verbesserung der Eigenschaften, • Überprüfung der Verfügbarkeit des zum Aufbau notwendigen Schweißprozesses in eigener oder fremder Fertigung. Bei der Anwendung des WAAM-Verfahrens wird das Bauteil Lage für Lage aus reinem Schweißgut aufgebaut. Der Werkstoff erfährt drastische Temperatur-Zeit-­Zyklen, die Lage für Lage Auswirkungen auf Mikrostruktur des Bauteils sowie auf Spannungszustände haben. Es ist deshalb bei der Auswahl ebenfalls das Verhalten des Werkstoffes hinsichtlich mehrfachem Überschweißen zu überprüfen und ggf. ein unkritischerer Werkstoff auszuwählen.

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

209

Gefüge Bei einigen Werkstoffen kommt es beim Aufbau des Bauteils zu einem Festigkeitsverlust durch Kornwachstum infolge des mehrfachen Überschweißens und der damit einhergehenden Temperatur-Zeitzyklen, die zu Diffusionsprozessen sowie teilweise zu Rekristallisations- und Kornwachstumsvorgängen führen können. Nach Hall-­Petch [5] und Arm­ strong [6] ist für die Erzielung hoher Festigkeiten sowie eines günstigen elastisch-plastischen Verformungs- und Versagensverhaltens ein möglichst kleines Korn vorteilhaft, da die resultierende Korngrenzenfläche als Versetzungsbehinderung zur Festigkeit beiträgt, andererseits eine Vielzahl von unterschiedlichen, hinsichtlich ihrer Gleitebenen ausgerichteten, Körner ein günstigeres Verformungspotenzial aufweisen. Hier sind geeignete Strategien zur Simulation des Schweißprozesses unter Berücksichtigung der Metallurgie oder die thermische Messung des Prozesses und auftretender Temperatur-Zeit-Verläufe sowie von Temperaturgradienten mit nachfolgender Neuplanung der Schweißnahtfolge einer jeden Lage sinnvoll. Die Streckenenergie ist hierbei ein wichtiger Parameter [2]. Mechanische Zwischenbehandlungsschritte können dazu beitragen das Ergebnis zu verbessern. Bei einigen Stahlwerkstoffen (Abb. 4) führt die mehrfache Überschweißung allerdings auch zu der Ausbildung von feinerem Gefüge, während die obersten Lagen ein grobes Gussgefüge aufweisen [7]. Prozessbedingt treten ausgelöst durch Temperatur bezogene Effekte lokale Aus­ dehnungen und Schrumpfungen sowie Abkühlgradienten auf, die bei entsprechenden

Abb. 4  Lagenabhängiges Schweißnahtgefüge einer Wand aus G3Si [7]

210

C. Schmid

Werkstoffsystemen zu Phasenumwandlungen und damit Volumenänderungen führen können. All diese Effekte führen zu einem Ungleichgewicht der Eigenspannungen und bei fehlender Bewegungsbehinderung zu Verzügen oder sogar Rissen. Ein folgende Fräsbehandlung kann außerdem Eigenspannungen freisetzen und zu gleichartigen Effekten führen. Gleichzeitig kann das mehrfache Überschweißen und die daraus folgenden Zeit-Temperatur-Zyklen. Untersuchungen der Cranfield Universität, der Otto-von Guericke- Universität sowie der Leibniz-Universität Hannover und weiterer geben für unterschiedliche Werkstoffe nähere Hinweise [1, 2, 7, 8]. Möglichkeiten der Einflussnahme Die Einflussnahme auf die Gefügeausbildung ist über verschiedene Hebel möglich, die an unterschiedlichen Stellen ansetzen. Eine wesentliche Beeinflussung des Gefüges findet über den Eingriff in das Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten durch zeitliche und Verlaufssteuerung der Schweißnahtfolge statt. Eingriff über Schweißnahtfolge 1. Vorherige Ablaufsimulation und Planung der Schweißnahtfolge, 2. Lagenweise Temperaturfeldmessung und Abgleich mit Schweiß-ZTU-Schaubildern mit anschließender flexibler Neuplanung der Schweißnahtfolge DST-WASP [13], 3. Begleitende Temperaturmessung und vergleichend Simulation sowie Anpassung der Schweißnahtfolge – iLaP [14] etc.. Druckeigenspannungen, mechanische Erzeugung von Keimen für die Feinkornbildung Mechanische Nachbehandlung durch Shot-Peening, Walzen, DST-HCB, etc. erzeugen im Zusammenhang mit nachfolgendem Überschweißen ein feineres Gefüge und somit höhere Festigkeiten und bessere Verformungseigenschaften (Abb. 5) Legierungs- und Feinkornbildung Spezialdrähte oder zusätzlich eingebrachte Legierungsbestandteile bspw. über eine Drahtbeschichtung [14] können zu Mischkristallbildungen sowie zu kornfeinenden Effekten führen, die die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Gefüges positive beeinflussen (Abb. 6).

3.3

Schweißmöglichkeit – Fertigung

Im Planungs- und Konstruktionsprozess ist es hilfreich die für die Herstellung des Bauteils zu nutzende Anlagentechnik hinsichtlich ihrer Möglichkeiten sowie begrenzender Randbedingungen zu kennen. WAAM lässt sich mit sehr unterschiedlichen Schweißprozessen ausführen, die zwar prinzipiell alle mit einem aufschmelzendem Zusatzwerkstoff und ei-

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

Control

50 kN

75 kN

211

Plasche Umformung Erzeugung von keimen Druckeigenspannungen

1 mm

Roller fork

Single axis manipulator

y z

Kornfeinung bei anschliebende Uberschweiben

Deposion direcon

TIG torch

x Wall

Wire feeder Roller

DST-HCB Reinigrn und Verdichten

Quelle: Cranfield

Abb. 5  Einflussnahme auf Werkstoffeigenschaften durch mechanische Behandlung

Abb. 6  Gefügebeeinflussung durch Schweißdraht-Beschichtungen

nem als Wärmequelle dienenden Lichtbogen arbeiten, aber aufgrund Ihrer spezifischen Wirkweisen sehr unterschiedliche Eigenschaften mitbringen. Anlagenkonzepte (Abb. 7) Linearsysteme-Gantries 3- bis 6- oder 7-achsige Verfahreinheiten bei denen Brenner und Bauteil simultan bewegt werden können. Meist ist die Steuerung kartesisch ausgeführt. Stabile Systeme erlauben eine anschließende Fräsbearbeitung.

212

C. Schmid

Abb. 7  Anlagenkonzepte: Knickarmroboter (oben links) [9], Deltaroboter (oben rechts) [10], Gantry (unten) [11]

Roboter a) Knickarm-Kinematiken Systeme mit aneinandergereihten Armsegmenten, deren Bewegung sich als Summe der Einzelbewegungen darstellt. Durch lange Hebelarme sind sie für eine anschließende Fräsbearbeitung nicht geeignet. b) Parallele Kinematiken: Tri- und Hexapoden, Deltaroboter Systeme mit 3 oder 6 Armen, die zugleich an dem Werkzeughalter adaptiert sind und durch Schwenk und Schubbewegungen das Werkzeug translatorisch winkelbezogen bewegen können. Diese Art der Roboter weist im Vergleich zum Knickarmroboter eine hohe Steifigkeit auf und ist in einem begrenzten Maße für eine Fräsbearbeitung einsetzbar. Zusatzachsen Neben den Achsen, die das Werkzeug manipulieren sind zusätzliche Achsen für die Bewegung des Bauteils einsetzbar. Drehs-Schwenktische sind Stand der Technik und erlauben es überwiegend in Wannenlage zu schweißen, was für die Ausführung von Schrägen und horizontalen Bauteilbereichen einen erheblichen Vorteil bietet (Abb. 8).

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

213

Abb. 8  Zusätzliche Dreh-Schwenk-Achsen ermöglichen mehr Freiheitsgrade

Abb. 9  Verschiedene Bearbeitungsköpfe für WAAM li.o./li. u. MIG-Brenner, re. o. Kopf m. Brenner u. Drahtspeicher, re. u. Kopf m. Drahtspeicher u. Walze

Bearbeitungsköpfe Die Gestaltung des Bearbeitungskopfes nimmt entscheidenden Einfluss auf verschiedene Parameter des Gesamtprozesses und -systems (Abb. 9): • • • • •

Störkontur, Zugänglichkeiten, Dynamik, Genauigkeit, Prozessregelung.

214

C. Schmid

Schweißprozesse Beim WAAM werden unterschiedliche Schweißverfahren eingesetzt [2, 3, 8]: Metall-Schutzgas-Schweißen MSG-Schweißen (MIG-Metall-Inert-Gas-Schweißen und Metall-Aktiv-Gas-Schweißen) Charakteristisch ist hier, dass der Draht als kontinuierliche abschmelzende Elektrode in einem Lichtbogen aufgeschmolzen wird und je nach Werkstoff unterschiedliche inerte oder aktive Gase sowie Mischkonfigurationen eingesetzt werden können. Durch die Anwendung unterschiedlicher Einstellungen sind verschiedene Arten des Lichtbogens sowie der Materialdeposition möglich. Gerne werden aufgrund der niedrigen resultierenden Streckenenergie sogenannte Kurzlichtbogenprozesse verwendet. Eine Sonderform des Kurzlichtbogenschweißens ist das CMT-­Verfahren, bei dem eine weitere Reduzierung der Streckenenergie durch eine mechanische Oszillation des Drahtendes provoziert wird [12]. Plasma und WIG Neben dem MSG-Schweißen werden auch WIG oder Plasma-Prozesse mit seitlicher, kontinuierlicher Drahtzufuhr eingesetzt. Der Vorteil der beiden Verfahren, aber besonders des Plasma-Prozesses, liegt in der höheren Energiedichte im Wirkpunkt, da der Lichtbogen von einer innenliegenden Wolframelektrode durch eine Gasdüse auf das Werkstück fokussiert wird. Ein Nachteil liegt in der seitlichen Drahtzufuhr, die eine weitere Achse notwendig macht, um die Zufuhrrichtung auch bei Änderung der Nahtorientierung konstant halten zu können. Sensorik Temperatur-Zeitverläufe und Zwischenlagentemperaturen sind für die Ausgestaltung der Mikrostruktur essenzielle Randbedingungen, die in der Prozessführung berücksichtigt werden müssen. Drei Wege sind für eine sichere Gestaltung der Zeit-Temperaturverläufe möglich: • messen und regeln bzw. planen der Nahtfolgen in Abhängigkeit der gemessenen Werte, • Simulation des Ablaufes und der aus der Geometrie und dem zeitlichen Verlauf resultierenden zeitabhängigen Temperaturfeld, • empirische Ermittlung von optimierten Abläufen. Alle diese Wege werden gegangen und sind in einem bestimmten Kontext mehr oder weniger zielführend. Eigene Erfahrungen aus Vergleichsuntersuchungen zeigen jedoch, dass insbesondere bei der Herstellung nur eines Teiles eine prozessbegleitende Messung der ortaufgelösten Temperatur und deren zeitlicher Verlauf die besten Ergebnisse hinsichtlich der erzielbaren Gefügeeigenschaften erzielen.

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

3.4

215

Bauteilsicherheit – Konstruktion

Die Einsatzmöglichkeiten des WAAM-Verfahrens sind vielfältig und Werkstoff übergreifend. Neben großen Anwendungsfeldern im Werkzeug- und Formenbau sind Anwendungen aus dem Schiffs- Anlagen- und Maschinenbau sowie der Luft- und Raumfahrt bekannt. Die Erfüllung von Funktion und Gewährleistung einer definierten Lebensdauer sind essenzielle Forderungen an ein Bauteil. Sie sind abhängig von beanspruchungs- und verfahrensgerechter – also auch schweißgerechter Gestaltung durch den Konstrukteur. Worin liegt die Motivation für die Anwendung dieser Technologie und wo lassen sich diese technisch und wirtschaftlich optimal einsetzen? Eine einfache Abschätzung zeigt weshalb die additive Herstellung bestimmter Bauteile aus definierten Werkstoffen sinnvoll ist: Der BTF -Buy-to-Fly Ratio, ein Index, der das Verhältnis der Masse zwischen Rohmaterial und dem fertigen Bauteil beschreibt, liegt im Bereich der Luft und Raumfahrt bei spanender Fertigung in vielen Bereichen bei 10 oder sogar 20. Anders ausgedrückt bleiben nach einem ­Zerspanprozess vom ursprünglichen Rohteil noch 5 bis 10 % übrig, die meist als dünnwandige Strukturen aus dem spanenden Fertigungsprozess hervorgehen. Bei leicht zu spanenden und kostengünstigen Werkstoffen mag diese Rechnung aufgehen, aber schon im Bereich von höherfesten Aluminiumlegierungen führen Beschaffungs- Maschinen- und Werkzeugkosten des spanenden Prozesses zu höheren Kosten als der WAAM-Generierungsprozess mit anschließendem spanendem Finish. Hier liegen typische BTF bei 1,5 bis maximal 2. Bei Werkstoffen mit höheren Preisen und größerer Beanspruchung der Bearbeitungswerkzeuge wie bspw. Titan- oder Nickellegierungen verschiebt sich der Kostenvorteil weiter in Richtung WAAM [2, 3, 8]. Vorteile des Verfahrens nutzen [3, 8] • • • •

günstigere Anlagentechnik, einfache Handhabung, hohe Abschmelzleistung bis zu mehreren 10 Kg/h, geringer Materialverlust im Vergleich zu Pulver.

Welche Geometrien bieten sich für das Verfahren an? Aufgrund des sehr hohen Depositions-Raten von einige kg/h und im Vergleich zu anderen Prozessen sehr groben Verfahren mit großem Schwerkrafteinfluss und hohen Toleranzen bieten sich vor allem große, weniger detaillierte Strukturen mit geringen Hinterschnitten und Wandstärken ab ca. 1,5 mm an (Abb. 10): • • • •

großvolumige Bauteile, große Wandstärken, weniger komplexe Strukturen, Formen und Werkzeuge.

216

C. Schmid

Abb. 10  Anwendungsbeispiel des WAAM-Verfahrens

Auslegung von Bauteilen Bei der Auslegung und Dimensionierung von Bauteilen und Wandstärken sind die Werkstoffkennwerte des mehrlagig geschweißten Materials über den Hersteller oder Versuchsschweißungen an Probekörpern zur mechanisch technologischen Werkstoffprüfung zu verifizieren, da infolge der Verarbeitung andere Festigkeiten – zumeist niedrigere, als angegeben – erreicht werden. Es empfiehlt sich deshalb niedrigere Festigkeiten für die Berechnung anzusetzen. Beim Aufbau von Bauteilen mittels des WAAM-Verfahrens sollte dem Designer und Konstrukteur immer bewusst sein, dass das Fertigungsverfahren ein Schweißverfahren mit entsprechendem Impact auf Mikro- und Makrostruktur ist sowie die mechanisch technologischen Eigenschaften damit untrennbar verbunden sind. Im Vergleich zur hinreichend erforschten Verbindungsschweißtechnik ist die Anwendung des WAAM noch ein großes Forschungsgebiet. Komplexe Vorgänge mit entsprechenden Wechselwirkungen durch verfahrensimmanente wiederkehrende Wärmebehandlungen und sich geometriebedingt ändernden Abkühlbedingungen erfordern in der Anwendung eine konstruktive sowie verfahrenstechnische Berücksichtigung einiger wichtiger Randbedingungen. Das Verhältnis Oberfläche zu Volumen Für die Wärmeleitung und damit für die Abkühlung und die daraus resultierende Mikrostruktur ist insbesondere die wirksame „innere Oberfläche“, also die Fläche, an der die Wärme abgeleitet wird, maßgebend. Ist diese Fläche groß und der Wärmegradient ebenso, erfolgt eine schnelle Abkühlung. Sollte die Fläche klein sein, besteht die Gefahr der verringerten Wärmeabfuhr, die wiederum mehrere Effekte provozieren kann. Erstens: Bei nachfolgendem Auftrag ohne Temperaturerfassung oder vorheriger Simulation ist die Zwischenlagentemperatur zu hoch und die nächste Lage wird flacher und breiter als gewünscht. Zweitens: Die resultierenden Werte für die Größen Eigenspannungen, Verzug sowie mechanisch-­technologische Werte weisen im Vergleich zum Umfeld zumindest

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

217

abweichende, meist ungünstigere Werte auf. Drittens: Das Auftreten von Poren bzw. die Größe der Poren wird durch die Höhe der Zwischenlagentemperatur beeinflusst [2]. Je nach Werkstoff sind geeignete Zwischenlagentemperaturen auszuwählen und einzuhalten. Abweichungen in beide Richtungen können zu unerwünschten Eigenschaften bis hin zu Rissen oder anderen Imperfektionen führen. Verzüge und Eigenspannungen – Bauteilgenauigkeit Verzüge und/oder Eigenspannungen treten wie bereits dargestellt infolge von Wärmedehnungen und Phasenumwandlungen auf und sind nur teilweise kompensierbar. Sie führen zu einem ungünstigem Versagensverhalten sowie dem Auftreten von Geometrieabweichungen. Konstruktive Gestaltungsprinzipien helfen diese zu vermindern. Symmetrie Symmetrien in der Bauteilstruktur helfen das Ergebnis hinsichtlich der Maßhaltigkeit zu verbessern und bieten sich bei vielen Geometrien an, wobei nach unterschiedlichen Symmetrien unterschieden werden kann. Das Grundprinzip basiert auf der Kompensation von Spannungen, die eine Geometrieänderung hervorrufen. Symmetrien helfen diese zu minimieren bzw. ermöglichen eine einfache konstruktive oder prozesstechnische Kompensation. Auch wenn die Geometrien nicht zu 100 % übereinstimmen, helfen gestalterische Maßnahmen zur Erzeugung ähnlicher Volumina und Oberflächen, um Verzugsaspekte besser in den Griff zu bekommen und diese kompensieren zu können (Abb. 11). Da die Wärme vornehmlich durch Wärmeleitung in Richtung des Bauteils abgeleitet wird, ist es sinnvoll, dass Wärmestaus durch Einschnürungen vermieden werden. Hier gilt

Abb. 11  Zur Verminderung von Verzügen und Eigenspannungen günstige Symmetrien

218

C. Schmid

Abb. 12  Möglichkeiten der Lage der Aufbau- oder Basisplatte [1]

der Grundsatz den Aufbau mit größer Grundfläche zu beginnen und dann ggf. kleiner zu werden. Ebenso sind drastische Querschnittsübergänge von klein zu groß zu vermeiden. Auswahl der Lage und Orientierung der Basisplatte Es gibt meist viele Möglichkeiten die Basisplatte in das Bauteil zu integrieren (Abb. 12). Eine Bewertung der für das Bauteil besten Lage kann durch ein Bewertungsschema bestehend aus 5 Kriterien durchgeführt werden [14]. • Abfallmenge Basisplatte, • Aufbauwerkstoff, • Anzahl unterschiedlicher Auftragsoperationen, ist abhängig von den Freiheitsgraden der Maschine, • Komplexität, • Symmetrie. Die Gewichtung der Kriterien hängt wieder stark von den verfügbaren Freiheitsgraden der Anlagentechnik ab. Nahtfolge Eine für das Verfahren angepasste Gestaltung des Bauteils ist in Abb. 13 dargestellt. Hier werden sowohl funktionsbedingte, eigenschaftsbedingte und verfahrensberücksichtigende Anforderungen beachtet und angewendet. Scharfe Ecken sollten weitestgehend vermieden werden, wenn es die Funktion nicht unbedingt vorschreibt (Abb.  13, rechts oben). Hierdurch sind gleichmäßig verlaufende Steggeometrien erzielbar. Schnelle Umorientierungen der Maschine, mit all ihren Nachteilen, sowie Unregelmäßigkeiten der Geometrie durch Anfangs- und Endpunkte des Auftragsschweißprozesses werden vermieden. Kurze parallele Verläufe von Stegen zur Bildung eines langen Steges sind vorteilhaft, wenn ein sanfter Geometrieübergang von breit zu schmal realisiert werden soll (Abb. 13 oben links).

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

219

Abb. 13  Beispiele für eine WAAM angepasste Nahtfolge

Im Falle langer und gleichmäßig breiter, aber nicht durch eine Naht darstellbare, Stege ist es sinnvoll diese mit langen parallelen Nähten auszuführen, um die Anzahl von Nahtanfängen und -enden zu reduzieren, da hier vermehrt Imperfektionen auftreten können (Abb. 13 links unten). Scharfwinklige Ecken lassen sich vorteilhaft durch Versatz der Nahtausläufe darstellen (Abb. 13 rechts unten). Dabei wird das Nahtende nicht an den Stoßpunkt der beiden aufeinandertreffenden Stege gelegt, sondern in der Verlängerung des Nahtverlaufes, einige Millimeter dahinter. Hierdurch wird erzielt, dass das Prozessende, das zu einer ungleichmäßigen Geometrie führt, außerhalb der Bauteilkontur liegt und einfach entfernt werden kann. Der Eckstoß wird hierdurch deutlich gleichförmiger. Stöße Stöße, das heißt Bauteilbereiche in denen mehrere Stege aufeinander treffen, führen zu Ungleichmäßigkeiten der Höhe und Breite der Struktur (Abb. 14). Insbesondere T-förmige Stöße unter 90° führen zu einer Erhöhung der Nahtkontur im Stoßbereich. Abhilfe lässt sich durch eine Anpassung der Schweißparameter oder durch eine zwischen dem Lagenaufbau stattfindende mechanische Bearbeitung. Konstruktiv ist es sinnvoll diese möglichst in spitzem Winkel an die anzuschließende Wand anzubinden. Gestaltungsfreiheiten durch Innenliegende und bionische Strukturen Das Verfahren erlaubt es, innenliegende Hohlstrukturen oder gradierte Bauteilbereiche darzustellen (Abb. 15). Zudem ist eine Integration von Funktionen, die vormals mehrere Bauteile notwendig gemacht haben, in einem integrierten Bauteil möglich. Das Verfahren bietet zudem gegenüber dem kontinuierlichen Schweißprozess die Möglichkeit bionische Strukturen sowie sehr schlanke, im Raum frei geformte, leichte Strukturen herzustellen (Abb.  16). Durch das Aufeinandersetzen von einzelnen gepulsten

220

C. Schmid

Abb. 14 Stöße

Abb. 15  Innenliegende Strukturen, die konventionell nicht ehrstellbar sind

Schweißpunkten, die diskret erstarren, bevor ein weitere Schweißpunkt angefügt wird. Diese lassen sich bspw. auf bestehende kontinuierlich gefertigte Strukturen aufsetzen und erlauben neue Möglichkeiten der Gestaltung sowie die Gestaltung von Stützstrukturen.

4

Zusammenfassung und Ausblick

Das WAAM-Verfahren ist gerade in der industriellen Umsetzung begriffen. Zur erfolgreichen Umsetzung der Technologie ist es notwendig, Konstrukteure und Planer in die Lage zu versetzen alle Aspekte dieser neuen Technologie berücksichtigen zu können. Eine erfolgreiche Nutzung des Potenzials, das WAAM auch wirtschaftlich bietet, ist eng an die Berücksichtigung des Fertigungsprozesses sowie des Werkstoffes geknüpft und setzt eine weiter intensive Forschung und Entwicklung in diesen Bereichen voraus. Dieser Veröffentlichung soll einen kleinen Beitrag zur klareren Sicht auf das komplexe Feld der verfahrensgerechten Konstruktion für das WAAM-Verfahren liefern. Das der Grundgedanke des

Konstruktive Randbedingungen bei Anwendung des WAAM-Verfahrens

221

Abb. 16  Neue Möglichkeiten der Darstellung von bionischen Strukturen durch punktweises Lichtbogenschweißen [8]

Verfahrens viele positive Aspekte wie geringeres Abfallaufkommen, schnellere Herstellung sowie die Möglichkeit optimierter Reparaturen aufgreift und auf einem langjährig bewährten Schweißverfahren basiert, sollte eine schnelle und weite Verbreitung fördern.

Literatur 1. Lockett, H., Ding, J., Williams, S., Martina, F.: Design for wire + arc additive manufacture: design rules and build orientation selection (August 2017). J. Eng. Design. https://www.researchgate.net/publication/319215130 (2017). Zugegriffen am 21.10.2019 2. Stützer, J., Schlosser, B. , Zinke, M., Jüttner, S.: Gerneativer Schweißen mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff, Fachseminar MDZWP, Magdeburg. http://www.mdz.ovgu.de/mdz_media/Download/2018_Stuetzer_Generatives_Schwei%C3%9Fen.pdf (2018). Zugegriffen am 13.03.2018 3. Williams, S. et al.: Wire based additive manufacture at Cranfield University, Cranfield University (Mai 2018). https://waammat.com/documents/waam-state-of-the-art-and-future-prospects (2018). Zugegriffen am 21.10.2019 4. Treutler, K., Kamper, S., Leicher, M., Bick, T., Wesling, V.: Multi-material design in welding arc additive manufacturing. Metals. 9(7), 809 (2019). https://doi.org/10.3390/met9070809 5. Hall, E.O.: The deformation and ageing of mild steel: III discussion and results. Proc. Phys. Soc. 64, 747–753 (1951) 6. Armstrong, R., Codd, I., Douthwaite, R.M., Petch, N.J.: The plastic deformation of polycrystalline aggregates. Philos. Mag. 7(73), 45–58 (1962) 7. Denkena, B., Grove, Th., Stamm, S., Vogel, N.: Verzug Additiver Bauteile, Konstruktion Online, 2019, Ausgabe. 3. https://www.konstruktion-online.de/2019/Ausgabe-03/Fachteil-Ingenieur-Werkstoffe/Verzug-additiver-Bauteile (2019). Zugegriffen am 21.10.2019 8. Bergmann, J.P., Ali, Y., Günther, K.: Stand und Potenziale der Lichtbogen-Technik für die additive Fertigung, Illmenau 04.11.2015. https://www.tu-ilmenau.de/fileadmin/public/fertigungstechnik/Symposium/2ISS_05_IFT.pdf (2015). Zugegriffen am 21.10.2019 9. https://de.industryarena.com/wiki/Datei:Kuka_knickarmroboter_2.jpg. Zugegriffen am 21.10.2019

222

C. Schmid

10. https://www.h-l-t.asia/customer/files/88/3-D-Manufacturing_Technical_Presentation-2019.pdf. Zugegriffen am 21.10.2019 11. https://www.gefertec.de/3dmp-maschinen/. Zugegriffen am 21.10.2019 12. https://www.fronius.com/de/schweisstechnik/kompetenzen/schweissprozesse/cmt. Zugegriffen am 21.10.2019 13. Torsten Petrat, T.: Stephan Mönchinger: Intelligente Laser und Lichtbogensysteme mit Inte­ griertem Prozesswissen und intuitiver Bedienung (iLaP), Verbund 2: Software zur Prozess- und Datenanalyse für die vernetzte Produktion,Teilvorhaben 2.2: Methoden zur virtuellen Pro­ zessauslegung für die Laserbasierte additive Fertigung, Abschlussbericht 03WKP51B2, 01.06.2016–31.05.2018. Fraunhofer IPK, Berlin (2018) 14. Schmid, C.: Large scale and serial 3D-manufacturing with closed loop quality control for wire and arc additive manufacturing. Proceedings AERODEF 2018, Long Beach (2018)

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver Fertigungsverfahren Daniel Fuchs, Sebastian Kuschmitz, Kevin Kühlke und Thomas Vietor

Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung     224 2  Design for Additive Manufacturing aus aktueller Sicht     225 3  Zielkonflikte bei der Kombination von AM-Potenzialen     227 4  Konfliktentstehung zwischen AM-Potenzialanwendung und Funktionsgewährleistung   234 5  Diskussion   240 6  Schlussfolgerungen und Ausblick   242 Literatur   242

Zusammenfassung

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. Für diesen Zweck werden in der Literatur Methoden und Hilfsmittel zur Potenzialanwendung vorgestellt, welche erste Adaptionen des Produktentwicklungsprozesses vorschlagen. Des Weiteren erscheint die Kombination D. Fuchs (*) · K. Kühlke Volkswagen AG, Wolfsburg, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] S. Kuschmitz · T. Vietor Institut für Konstruktionstechnik, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Deutschland E-Mail: [email protected]; [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4_14

223

224

D. Fuchs et al.

e­ inzelner 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 kon­ struktive 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. Schlüsselwörter

Design for Additive Manufacturing (DfAM) · Konstruktionsmethodik · Konstruktive Freiheiten · Nutzenversprechen · Zielkonfliktidentifikation · Design for Mass Customization (DfMC)

1

Einleitung

Trotz der sich schon seit den 90er-Jahren aus dem Rapid Prototyping (RP) heraus entwickelnden additiven Fertigungstechnologien, erfährt die Branche eine dynamische Entwicklung innerhalb des letzten Jahrzehnts (vgl. Gartner-Hype-Cycle nach [1]). Obwohl ein Marktwachstum von über 20 % in 2017 und 17 % in 2018 im Bereich der Endbauteilfertigung verzeichnet wird, wird nach Seidel unter den bisher additiv gefertigten Bauteilen der Anteil an mittelfristig wirtschaftlich umsetzbaren Anwendungen kleiner 5 % eingeschätzt [2]. Unter anderem wird hieraus deutlich, dass der zielgerichtete Einsatz Additiver Fertigung (AM) noch nicht ausgeschöpft bzw. vollständig erschlossen ist. Wie im folgenden Kapitel näher aufgezeigt, motiviert sich hieraus das Forschungsfeld des „Design for Additive Manufacturing“ (DfAM). Wie das Forschungsfeld DfAM verfolgt auch dieser Beitrag das Ziel sowohl Facetten der Gestaltungs- und Produktionsfreiheiten als auch Grenzen additiver Fertigungsverfahren nachzuvollziehen und entsprechende Hilfsmittel zur Wissensbereitstellung und -anwendung zu entwickeln. In Abb. 1 sind die Kontextebenen dieses Beitrags aufgezeigt. Nach einer Einführung in das Forschungsfeld DfAM in Abschn. 2 werden in Abschn. 3 die Wechselwirkungen der Potenziale additiver Fertigungsverfahren untereinander beleuchtet. Daraufhin werden in Abschn. 4 Konflikte zwischen AM-Potenzialen und allgemeinen Produktanforderungen sowie -funktionen verdeutlicht.

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

1a 4

Wechselwirkungenim Produktentwicklungsumfeld

1a 2

Design for Additive Manufacturing (DfAM) 1a 3

Legende 1

AM interne Zielkonflikte H1

-

+ +

H2

+

N1

+

-

N2

+

225

Ax Ay

Fx Fy

Kapitel

H

konstruktiverHebel

N

Nutzenversprechen

A

Anforderung

F

Funktion Zielkonflikt

+ Unterstützung

- Hinderung

Abb. 1  Inhaltlicher Aufbau des Beitrags

2

Design for Additive Manufacturing aus aktueller Sicht

In diesem Kapitel wird ein Einblick in die Motivation des Forschungsfeldes DfAM verschafft. Zusätzlich wird auf Inhalte und Ergebnisse des Forschungsfeldes verwiesen. Ziel ist es hierbei die Grundlage für die durchgeführten Forschungsarbeiten zu verdeutlichen. Die facettenreichen Potenziale additiver Fertigungsverfahren stellen Ingenieure bei ihrer Anwendung vor besondere Herausforderungen, sodass sich schon zahlreiche wissenschaftliche Beiträge mit diesen Herausforderungen beschäftigen. Bei zunehmender Anwendung von AM, wird der Bedarf nach einem neuen Konstruktionsverständnis deutlich. Im Forschungsfeld „Design for Additive Manufacturing“ wird dieser Bedarf mit unterschiedlichen Erkenntnissen, Methoden und Hilfsmitteln sowie der Wissensbereitstellung über zu beachtende Aspekte und neue Forschungsbedarfe adressiert [3]. Hier wird zunehmend erkannt, dass, um die Fertigungsfreiheiten additiver Fertigungsverfahren in Gänze auszuschöpfen, ein Umdenken in der frühen Konzeptions- und Konstruktionsphase der Produktentwicklung notwendig ist [4, 5]. Nach Gibson werden die AM bedingten Fertigungsfreiheiten, wie in Tab. 1 links dargestellt, in fünf Kategorien gegliedert [5]: Dem geforderten Umdenken zugrunde liegen dabei zum einen traditionsbehaftete Konstruktionsmuster, welche auf die Fertigbarkeit von Baugruppen hinsichtlich konventioneller Verfahren beruhen [5, 7]. Zum anderen kommt hier die Hypothese auf, dass nicht nur Fertigungsrestriktionen konventioneller Verfahren der Ursprung für suboptimale Bauteilkonstruktion und -auslegung sind, sondern zusätzlich eine Kombination aus Vorstellungsvermögen des Ingenieurs, dessen Befähigung durch ihm zur Verfügung stehenden Konzeptions- und Konstruktionshilfsmitteln sowie zeitliche Kapazitäten. Die Erkenntnisse und Methoden des DfAM sollen gerade hier unterstützen. Somit beschäftigt sich das Forschungsfeld DfAM mit der Entwicklung methodischer Hilfsmittel unter anderem zur Lösungsraumerweiterung [3, 8].

D. Fuchs et al.

226 Tab. 1  Möglichkeiten und Herausforderungen Additiver Fertigungsverfahren AM-Fertigungsfreiheiten [5] Komplexe Geometrien Integrierte Baugruppen Individualisierte Geometrien Multifunktionale Designs Aufhebung konventioneller Fertigungsrestriktionen

AM-Herausforderungen [6] Personenbezogene Fertigung gg. Großserienfertigung Skalierung des Fertigungsprozesses gg. Schichtauflösung Heterogene Materialeigenschaften und mechanische Verlässlichkeit Standardisierung von AM und geistiges Eigentum

Zusätzlich zum Aspekt, dass neue Gestaltungsmöglichkeiten und konstruktive Freiheiten im DfAM motiviert werden, berücksichtigt das Forschungsfeld zunehmend die mit additiven Fertigungsverfahren verbundenen Verfahrensrestriktionen [3, 6, 9, 10]. Angefangen bei konstruktiven Einschränkungen, wie z. B. die Notwendigkeit Stützstrukturen zu berücksichtigen, über die erzielbaren Materialeigenschaften und Oberflächengenauigkeit bis hin zur Produktivität, Nachbearbeitungsaufwände und somit zur Prozesswirtschaftlichkeit, beleuchtet DfAM umfangreiche verfahrensspezifische Einschränkungen. In Gao et al. werden verallgemeinerte verfahrensübergreifende Restriktionen und zukünftige Herausforderungen additiver Fertigungsverfahren durch die Zusammenhänge in Tab. 1 rechts zum Ausdruck gebracht [6]. Aus dem Forschungsfeld resultieren u. a. Konstruktionsrichtlinien, -kataloge, -werkzeuge sowie Bauteilidentifikationsmethoden. Im Kontext des DfAM wird somit deutlich, dass es zum einen gilt den durch konstruktive Freiheiten und flexible Fertigungsprozesse neu erworbenen Lösungsraum für Produktgestaltung und daraus resultierende neuartige Geschäftsmodelle auszuschöpfen. Zum anderen gilt es zugleich die AM spezifischen prozessualen Grenzen und Verfahrensrestriktionen zu verdeutlichen. Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass der Einsatz additiver Fertigungsverfahren nicht zu einer Befreiung von Fertigungsrestriktionen und somit auch nicht zu kostenunabhängigen Produktkomplexitätssteigerungen führt. Stattdessen werden zunehmend eine Restriktionsveränderung und Komplexitätsverschiebung in die frühe Phase des Produktentwicklungsprozesses im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren wahrgenommen. Tab. 2 zeigt eine Auflistung von Publikationen, die unterschiedliche Themenfelder der additiven Fertigungsverfahren adressieren und so verdeutlichen, dass im Bereich des DfAM viele Beiträge zu Konstruktionsregeln, Anwendung von AM Potenzialen und ­Kombinationsmöglichkeiten von AM und anderen Fertigungsverfahren existieren. Wie in Kumke beschrieben, können die Beiträge unterschiedlichen Phasen des Produktentwicklungsprozesses zugeordnet werden [11]. Dabei ist zu erkennen, dass eine Vielzahl der Beiträge mit den späten Phasen des Produktentwicklungsprozesses in Verbindung gebracht werden. Im Rahmen dieses Beitrags sollen die vorgestellten Zusammenhänge möglichst früh Anwendung im Produktentwicklungsprozess finden. Es sind verschiedene Beiträge, die ebenfalls die frühe Problemdefinitions- und Konzeptphase adressieren, bekannt (siehe bspw. [4, 12–15]). Abgrenzend zu den Beiträgen in der Übersicht konzentriert sich dieser Beitrag auf die Konflikte in der Potenzialanwendung.

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

227

Tab. 2  DfAM im Produktentwicklungsprozess in Anlehnung an [11]

AM Konstruktionsregeln

Ausschöpfung von AM-Potenzialen

Kombinierte Ansätze und Methodiken

Phase Thomas (2009) Seepersad et al. (2014) Adam und Zimmer (2014) Hochschule Bremen (2008) Bin Maidin (2012) Watschke et al. (2019) Schumacher et al. (2019) Kumke et al. (2017) Kuschmitz et al. (2019) Becker et al. (2005) Doubrovski (2012) Ponche et al. (2014) Emmelmann et al. (2011) Rosen (2007) Leary et al. (2014)

3

Klärung und Definition Konzeptphase Entwurfsphase Detaillierungsphase des Problems I II III IV X X X X X X X X (X) X (X) (X) (X) (X) (X)

X X X X X X

(X)

X X X (X) X

X

X X X

(X)

Zielkonflikte bei der Kombination von AM-Potenzialen

In diesem Kapitel wird ein systematisches Vorgehen vorgestellt, welches zur Wissensbereitstellung von notwendigen Konstruktionshinweisen und Informationen beiträgt. Mit Hilfe dieses Vorgehens kann der Produktentwickler somit notwendige Informationen zur zielgerichteten Konstruktion mithilfe von Potenzialen der additiven Fertigungsverfahren erhalten. Infolgedessen wird die Nutzung von AM-Potenzialen auch Novizen im Themenfeld des DfAM eröffnet.

3.1

Die Potenzialsystematik nach Kumke

Als Grundlage für die Untersuchungen dient die Potenzialsystematik nach Kumke [10], die im Folgenden kurz erläutert wird. Abb. 2 zeigt ein Ausschnitt der Potenzialsystematik mit unterschiedlichen Hebeln und Nutzenversprechen, die ein weitreichendes und komplexes Netzwerk innerhalb der AM-Potenziale ausbildet. Ein Hebel beschreibt konstruktive Freiheiten, die in Kombination mit dem Nutzenversprechen ein Potenzial ausbilden. Ein Nutzenversprechen hingegen kennzeichnet primär Kostenreduktionen, Nachhaltigkeitsverbesserungen oder steigenden Produktnutzen. Dabei werden Hebel und Nutzenversprechen insgesamt in sieben unterschiedliche Cluster aufgeteilt. Die Hebel gliedern sich in

228

D. Fuchs et al.

Abb. 2  Beispielhafter Ausschnitt der AM-Potenzialsystematik nach Kumke [10]

„Formkomplexität“, „Hierarchische Komplexität“, „Materialkomplexität“ und „Funktionale Komplexität“. Die Nutzenversprechen gliedern sich in „Indirekte Nutzenversprechen“, „Höherer/zusätzlicher Produktnutzen“ und „Kostenreduktion“. Die Hebel, welche definierte Komplexitäten bedingen, stellen Maßnahmen für die Konstruktion, bzw. für das Bauteil dar, wobei die Nutzen primär ein Produktnutzen oder Produktionsnutzen erzielen. Insgesamt kann mithilfe der Potenzialsystematik u. a. schnell aufgezeigt werden, mit welchen Hebeln welche Produktnutzen unter Anwendung additiver Fertigungsverfahren erzielt werden können. Die Potenzialsystematik stellt eine Vielzahl von Hebeln bereit, die unterschiedliche AM-Potenziale ermöglichen und somit Nutzenversprechen generieren. Der Produktentwickler kann auf diese Weise relativ schnell Zugang zu dem Wissenssystem erlangen und somit ein definiertes Konstruktionsproblem lösen. Der Zugriff gelingt hierbei zum einen über die bereits vorgestellten Cluster, wie bspw. Formkomplexität. Zum anderen kann der Zugriff jedoch auch über die gewünschten Nutzenversprechen erfolgen. Eine Mehrfachnutzung der Potenziale ist auf Grund dessen möglich und bedingt somit auch mehrere Nutzenversprechen. Die Potenzialsystematik beschreibt ausschließlich Potenziale und gibt nicht wieder, dass ein Hebel auch einen negativen Einfluss auf andere Nutzenversprechen ausbilden kann.

3.2

Zielkonflikte in der Potenzialnutzung

Die zielgerichtete Nutzung von AM-Potenzialen führt zu einer gewünschten Optimierung einer oder mehrerer definierter Produkteigenschaften. Das kann beispielsweise die Reduktion von Gewicht, eine Wärmeübertragungsverbesserung o. ä. sein. In Abhängigkeit der

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

H

1

H

N1

1

H

229

N1

H

2

2

N

N

2

H3

N3

H

Konstruktionshebel

2

H3

N3

N

erzielter Nutzen

Abb. 3  Identifikation von Zielkonflikten mithilfe von Konstruktionshebeln und Nutzenversprechen

Anwendung müssen Entwicklungsingenieure von Einzelbauteilen einer Baugruppe unterschiedliche Anforderungen berücksichtigen und erfüllen. Aus diesem Grund wird oftmals angestrebt mehrere Produktnutzen simultan zu optimieren. Wie in der Potenzialsystematik nach Kumke in Abschn. 3.1 aufgezeigt, können die mit den zu optimierenden Produktnutzen verbundenen Konstruktionshebel identifiziert und angewendet werden. Bei der Kombination von Hebeln kann eine negative Bedingung einer anderweitigen Produkteigenschaft jedoch mithilfe der Potenzialsystematik nicht ausgeschlossen werden. Beispielsweise kann die Verwendung von Gitterstrukturen zu einer signifikanten Gewichtseinsparung führen, resultiert jedoch bei konstantem Bauraum auch zu einer Steifigkeitsreduktion. Bei gleichbleibender Steifigkeit muss zusätzlicher Bauraum für das Bauteil zur Verfügung gestellt werden. Diese sich z. T. negativ beeinflussenden Zusammenhänge bedeuten nicht zwingend, dass die Anwendung des Potenzials nicht zielführend möglich ist, sondern es notwendig ist, dass Entwicklungsingenieure als Anwender additiver Fertigungstechnologien über negative Auswirkungen von AM-Potenzialen informiert werden. Durch das Aufzeigen von Zielkonflikten kann der Produktentwickler positive und negative Eigenschaften abschätzen und priorisieren, ob die Produkteigenschaften anhand der Zusammenhänge und zugrunde liegenden Anforderungen eingehalten werden können. Auf Grund dessen kann festgehalten werden, dass durch die Kombination von mehreren Hebeln Zielkonflikte im Rahmen der Potenzialnutzung entstehen können. Im Rahmen dieses Beitrags wird die Zielkonfliktdefinition nach Eiletz [16] verwendet.

3.3

Die Zielkonfliktmatrix

Wie im Abschn. 3.2 erläutert können Zielkonflikte bei der Produktentwicklung zu unerwünschten Nebeneffekten führen, da unbemerkt bzw. unbewusst spezifische Produkteigenschaften negativ beeinflusst werden können. Um diesen Umstand möglichst zielführend zu minimieren, sollten dem Produktentwickler bei der Potenzialnutzung Informationen bzgl. Zielkonflikten im Hinblick auf die Nutzenversprechen vermittelt werden. Für diesen Zweck wurde im Rahmen dieses Beitrags eine Matrix entwickelt, welche potenziell auftretende Zielkonflikte adressieren soll.

230

D. Fuchs et al.

Identifikation von Zielkonflikten Die Zielkonfliktmatrix ist mit einer Vielzahl von Informationen gefüllt, die im Vorfeld gesammelt wurden. Für die Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von AM-Potenzialen sind unterschiedliche Vorgehensweisen tendenziell möglich. Abb. 3 (links) verdeutlicht eine denkbare Vorgehensweise Zielkonflikte zu identifizieren. Bei dieser Vorgehensweise werden Zielkonflikte durch die Gegenüberstellung einzelner Hebel identifiziert, um so negative Auswirkungen auf die Nutzenversprechen durch die Kombination mehrerer Hebel aufzuzeigen. Beim Identifikationsversuch von Zielkonflikten mit dieser Vorgehensweise konnte festgestellt werden, dass die unterschiedlichen Konstruktionshebel nicht, wie im Vorfeld angenommen, miteinander im direkten Zielkonflikt stehen, sondern selbstständig und unabhängig voneinander formuliert sind. Auf Grund dessen wurde die Vorgehensweise zur Identifikation von Zielkonflikten adaptiert und wie in Abb. 3 (rechts) gezeigt durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass Hebel mit Nutzenversprechen in Beziehung stehen. Das bedeutet, dass die Verwendung eines Hebels einen definierten Produktnutzen bedingt. Ein Hebel kann dabei auch mehrere Nutzenversprechen bedingen. Zur Identifikation von Zielkonflikten wurden den Hebeln positiv beeinflusste Nutzenversprechen zugeordnet und untersucht, ob auf Grund von physikalischen Gesetzmäßigkeiten andere Nutzen negativ bedingt werden. Auf diese Weise konnten potenzielle Zielkonflikte identifiziert werden. Infolgedessen kann mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse festgestellt werden, welche Kombinationen von AM-Potenzialen ausschließlich positive Auswirkungen auf die Produkteigenschaften ausbilden. Der verwendete Vergleichsansatz Multinutzen zu identifizieren und somit Rückschlüsse auf die Konstruktionshebel auszubilden führte dazu, dass durch die gewonnenen Erkenntnisse eine Zielkonfliktmatrix entwickelt wurde. Aufbau der Zielkonfliktmatrix Mithilfe einer Zielkonfliktmatrix sollte möglichst effizient aufgezeigt werden, welche Zielkonflikte bei der Nutzung von AM-Potenzialen auftreten, damit vor allem die entstehenden Zielkonflikte unter den Konstruktionshebeln ersichtlich werden. Für diesen Zweck umfasst die Zielkonfliktmatrix eine Gegenüberstellung aller Produktnutzen der Potenzialsystematik, weil bspw. physikalische Abhängigkeiten vorliegen (siehe auch Abb. 4). Es wird gezeigt, dass in den Zeilen sowie in den Spalten die Nutzenversprechen aus der Kategorie „zusätzlicher Produktnutzen“ aus der Potenzialsystematik nach Kumke entsprechend eines paarweisen Vergleichs aufgetragen werden. Dadurch erfolgt eine Abb. 4  Schematischer Aufbau der Zielkonfliktmatrix

N2B

N3B

...

NnB

N1A N2A ...

NnA

A Zeile B Spalte N Nutzenversprechen n fortlaufende Variable

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

231

Gegenüberstellung der einzelnen Nutzenversprechen. Zwischen den Nutzenversprechen können Zielkonflikte entstehen die aus physikalischer Sicht schnell ersichtlich werden. Dabei wird ein Produktnutzen wie bspw. Bauraumreduktion mit einem weiteren wie bspw. Gewichtsreduktion gegenübergestellt. Die Anwendungsweise der Zielkonfliktmatrix lässt sich wie folgt erschließen. Der Produktentwickler sucht nach dem zu optimierenden Nutzenversprechen (bspw. „1. Bauraumreduktion“ in Tab. 3) und kann anhand der dem Produktnutzen N1 zugeordneten Zeilen, unterschiedliche Informationen erhalten. Unter „Zielkonflikt“ wird ersichtlich mit welchen Nutzenversprechen ein potenzieller Zielkonflikt bestehen kann. Des Weiteren wird der Zielkonflikt erläutert und beteiligte Hebel beider verglichener Nutzen aufgezeigt. Um das oben angeführte Beispiel fortzuführen liegt für den Produktnutzen „Bauraumreduktion“ ein potenzieller Zielkonflikt mit dem Produktnutzen „Gewichtsreduktion“ vor, weil bspw. die Verwendung von Gitterstrukturen dazu führen würde, dass bei gleichbleibendem Bauraum die Steifigkeit des Bauteils herabgesetzt oder im Umkehrschluss bei gleichbleibender Steifigkeit Bauraumeinbußen resultieren. Wenn bspw. die Steifigkeit für das vorliegende Bauteil keinen hohen Stellenwert in der Anforderungsliste für den Entwickler einnimmt, bzw. sich in einem unkritischen Bereich befindet, so ist der Zielkonflikt für diese Anwendung nicht oder nur geringfügig relevant. Sobald das Bauteil durch die Anwendung von sich negativ beeinflussenden Konstruktionshebeln jedoch nicht mehr profitiert und somit die Mindestanforderungen nicht erfüllt, sollten Alternativkombinationen in Betracht gezogen werden. Die Zielkonfliktmatrix stellt für diese Konflikte Lösungsvorschläge bereit. In diesem Fall könnte der Produktentwickler bspw. eine Topologie Optimierung durchführen, eine Kombination von Gitterstrukturen und Wandstärkenvariationen nutzen oder durch Multi-Material Druck sich unterscheidende Materialeigenschaften in einem Bauteil erzielen. Alles in allem ermöglicht die Zielkonfliktmatrix dem Produktentwickler mit geringem Aufwand Informationen bzgl. des angedachten Vorgehens bzw. der gewünschten Kombination von AM-Potenzialen zu gewinnen. Dabei werden sowohl konkrete Zielkonflikte skizziert, die zum einen auf mögliche Probleme hinweisen und zum anderen auch der Sensibilisierung des Anwenders dienen. Darüber hinaus stellt die entwickelte Matrix Lösungsvorschläge bei konkret resultierenden Zielkonflikten bereit, sodass der Anwender ohne tiefgründige AM Kenntnisse bei der Lösung des aufgezeigten Zielkonfliktes nicht auf sich allein gestellt ist. Auf diese Weise können die Potenziale additiver Fertigungsverfahren Nutzergruppen zur Verfügunge gestellt werden, welche keine fundierten Kenntnisse in diesem Bereich vorweisen können.

3.4

Wissensvermittlung mithilfe der erweiterten Potenzialsystematik

Bei der Neu- oder Weiterentwicklung von Bauteilen und Produkten müssen die Produktentwickler unterschiedliche Herausforderungen meistern. Es sind eine Vielzahl von Anforderungen zu erfüllen und ebenso viele Restriktionen dabei zu beachten. Aus diesem

Erläuterungen 2. Gewichtsreduktion = Konflikt 1. Bauraumreduktion Begründung Gitterstruktur führt zur Bauraumzu- und Gewichtsabnahme (sofern keine zus. Ziele adressiert werden, z. B. Akustik, Wärmeübergangsverbesserung, …) Gitterstrukturen, beteiligte Wabenstrukturen, Hebel in unregelmäßige poröse Konflikt mit Strukturen Zeile (Zielkonflikt-) beteiligte Hebel in Konflikt mit Spalte Topologieoptimierung, Alternativen Gitterstrukturen + zur Zielkonflikt-­ Wandstärkekombinationen, entschärfung mehrere Materialien in einem Bauteil

PRODUKT-­NUTZEN

Tab. 3  Ausschnitt aus der Zielkonfliktmatrix

Freiformgeometrien in Hohlräumen/Kanälen, Fügestellenreduktion/ Integralbauweise → Bauraumreduktion

…

…

Gitterstrukturen

Integralbauweise, kleine Abstände zwischen Features, Große Multimaterialbauweise

4. Energieabsorptions-­ verbesserung … … … Bauraumreduktion kann Bauraumreduktion kann die Krümmungsradien Krafteinleitungsfläche verstärken und so zu verkleinern und die Strömungsverlusten Energieabsorption führen verschlechtern

3. Höhere Effizienz bei Energiewandlung und-transport

Mehrere Materialien, Wandstärken-­ kombinationen, Qberflächentexturen

Gitterstrukturen, Wabenstrukturen, unregelmäßige poröse Strukturen

Mesoskopische Strukturen können die Isolation verbessern den Bauraum jedoch vergrößern

12. Isolationsverbesserung

232 D. Fuchs et al.

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

233

Grund müssen dem Produktentwickler möglichst viele der notwendigen Informationen bereitgestellt werden. Bei der zielgerichteten Anwendung von AM-Potenzialen ist es von Vorteil, wenn der Produktentwickler sämtliche Zusammenhänge sich bedingender Produkteigenschaften kennt. Mithilfe der Implementierung der in Abschn. 3.2 und 3.3 identifizierten Zielkonflikte in die Potenzialsystematik werden dem Produktentwickler die zahlreichen Informationen der Zielkonfliktmatrix zu den Zusammenhängen einzelner Hebel sowie deren Auswirkungen auf die zu optimierenden Produktnutzen zugänglich bereitgestellt. In Abb. 5 Abschnitt A und B ist eine Entscheidungssituation angedeutet, die während des Produktentwicklungsprozesses entstehen kann. Der Produktentwickler hat bspw. die Aufgabe eine Änderungskonstruktion eines Bauteils durchzuführen und muss dazu zwei Nutzenversprechen N1 und N2 steigern. Für die Steigerung dieser Nutzenversprechen stehen nach bisheriger unveränderter Potenzialsystematik mehrere Hebel (H1,1, H1,2 und H2,1) zur Verfügung. Bei der Kombination mehrerer Hebel können sie jedoch auch Nutzenversprechen indirekt negativ bedingen. Die entstehenden negativen Auswirkungen stellen nicht zwingend ein Problem bei der Produktentwicklung dar, weil der Produktentwickler zum einen die Möglichkeit hat durch einen anderen Hebel den Zielkonflikt zu neutralisieren (siehe Abb. 5 Abschnitt C). Zum anderen ist die Relevanz eines Zielkonfliktes sehr anwendungsspezifisch, sodass der negative Einfluss eine untergeordnete Rolle spielen kann. Eine weitere Möglichkeit negative Auswirkung bei der Anwendung von AM-Potenzialen zu vermitteln ist in Abb.  5 Abschnitt D dargestellt. Der Produktentwickler möchte Nutzen N1 und N2 steigern und hat mehrere Hebel zur Auswahl. Durch die Bereitstellung von Informationen über Zielkonflikte bei der Nutzung von AM-Potenzialen wird der Anwender der Potenzialsystematik auf die negativen Auswirkungen auf N3 hingewiesen. Möglicherweise stellt dieser Zielkonflikt keine negativen Auswirkungen für das Produkt

A

H

1,1

B N +

1

+ +

N2

N2

1,1

+ +

D

H

N1

N2

H

2,1

H3,1

H C

H1,2

N

1

+

1,2

N + +

H2,1

H

H

3,2

1

H

3,1

H2,3 N

2

H1,1

Zielkonflikt H

Konstruktionshebel

N

Nutzenversprechen

2,2

N3

H1,3

H1,4

Abb. 5  Kombination von AM-Potenzialen zur Steigerung von Nutzenversprechen

234

D. Fuchs et al.

dar, sollte aber dennoch während der Produktentwicklung bekannt sein, um die möglichen negativen Auswirkungen zu evaluieren. Alles in allem kann festgehalten werden, dass der Produktentwickler während des Produktentwicklungsprozesses viele Entscheidungen treffen muss, die große Auswirkungen auf das Endprodukt haben. Damit keine überraschenden Auswirkungen auf die Produkteigenschaften entstehen sollten dem Produktentwickler bei der Entwicklung des Produktes alle notwendigen Informationen zur Verfügung gestellt werden. Mithilfe der identifizierten Zielkonflikte kann der Produktentwickler erkennen, welche möglichen Restriktionen mit der Potenzialanwendung additiver Fertigungsverfahren einhergehen. Auf diese Weise können unerwünschte Produkteigenschaften minimiert und die nutzenbringende Ausschöpfung von AM Fertigungsfreiheiten ermöglicht werden.

4

 onfliktentstehung zwischen AM-Potenzialanwendung K und Funktionsgewährleistung

Aufbauend auf den Beziehungen und Wechselwirkungen von AM-Nutzenversprechen und konstruktiven Hebeln untereinander, werden in diesem Kapitel potenzielle Konflikte und Herausforderungen zwischen der Potenzialausschöpfung additiver Fertigungsverfahren und der gleichzeitigen Einhaltung übergeordneter technischer Produktfunktionen/-anforderungen angesprochen. Als Beispielproduktnutzen dient hierzu die durch AM motivierte Produktindividualisierung. Hierbei wird an einem Anwendungsbeispiel aufgezeigt, dass allgemeine funktionelle Produktanforderungen den Gestaltungsrahmen für die Potenzialanwendung begrenzen und somit vorgeben. Dies führt zu einer weiteren Komplexität, welche im Produktentwicklungsprozess und somit in DfAM-Methoden zu berücksichtigen ist. Durch die Vielzahl an unterschiedlichen Verfahren und dahinterliegende Funktionsprinzipien lassen sich additive Fertigungstechnologien nur erschwert in eine Verfahrensübersicht einordnen. Nach Grote und Feldhusen werden Rapid Prototyping Verfahren unter „Sonderverfahren“ neben u.  a. dem Beschichten eingeordnet [17]. Ein deutliches Unterscheidungsmerkmal zu einigen konventionellen Fertigungsverfahren wie z. B. dem Gießen (Urformen) und dem Tiefziehen (Umformen) ist dabei die Werkzeugunabhängigkeit additiver Fertigungsverfahren. Durch diese ausgeprägte Werkzeugunabhängigkeit in Kombination mit einer meist digitalen Prozesskette wird AM mit einer hohen Fertigungsflexibilität in Zusammenhang gebracht [5]. Wie in Abschn. 3 verdeutlicht lässt sich ein Potenzial als ein Nutzenversprechen, welches durch konstruktive Hebel ermöglicht wird, ausdrücken. Aus einer gesteigerten Fertigungsflexibilität additiver Fertigungsverfahren motivieren sich unterschiedliche Nutzenversprechen. Beispielsweise entfallen bei geometrischen Änderungen am Produkt, im Vergleich zu werkzeugbasierten Fertigungsprozessen, die Werkzeugadaptionskosten, sodass auch eine erhöhte Produktvarianz mit kleinen bis mittleren Stückzahlen u. U. wirtschaftlich abgebildet werden kann. Durch die Ausschöpfung der erhöhten Fertigungsflexi-

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

235

Mass Production

1955 Product Volume per Variant

Mass Customization

1980

Globalization 2000

1913

Personalized Production

Customer Needs

Craft Production 1850

Product Variety

Abb. 6  Die Marktentwicklung hin zur Produktindividualisierung nach [24]

bilität eröffnen sich neue Möglichkeiten hinsichtlich Produktindividualisierung, welche somit als Nutzenversprechen additiver Fertigungsverfahren eingestuft werden. Hier wird eine Schnittmenge zwischen den Forschungsfeldern DfAM und „Design for Mass Customization“ (DfMC) deutlich. In der Literatur lassen sich umfangreiche Beiträge im Kontext des DfMC auffinden, in welchen additive Fertigungsverfahren Erwähnung finden [18–23]. In Zusammenhang mit der von Koren dargestellten Marktentwicklung (siehe Abb. 6) vom Angebot von Massenprodukten hin zu einer zunehmenden Personalisierung dieser [24], bieten sich neue Möglichkeiten und Geschäftsmodelle für individualisierte Produkte in der Großserienfertigung. Dieser Hintergrund motiviert die Entwicklung ­hochindividueller physischer Produkte, welche zwar durch agile Fertigungsprozesse wirtschaftlich produziert werden können, jedoch eine vorgeschaltete Komplexitätssteigerung in der Produktentwicklung bedingen. Diese wird in Abschn. 4.1 näher erläutert.

4.1

Funktionsgewährleistung bei gleichzeitiger Potenzialanwendung

Im Kontext der Kundennutzensteigerung mittels individualisierter additiv gefertigter Produkte wird in diesem Unterkapitel die Wechselwirkung kundenspezifischer und allgemeiner Produktanforderungen angesprochen. Zudem wird eine Differenzierung der Begrifflichkeiten „Funktionale Individualisierung“ und „Funktionsbeeinträchtigende Individualisierung“ skizziert. Wie schon nach Lindemann verdeutlicht, bedürfen kundenindividuelle Massenprodukte einer angepassten Produktstruktur. Dabei sollte diese eine gesteigerte Komplexität in der Produktentwicklungsphase berücksichtigen und entsprechend ausgelegt werden. Ein Kernmerkmal dieser Produktstrukturen ist die Differenzierung kundenübergreifender

236

D. Fuchs et al.

und kundenspezifischer Produktattribute. Demensprechend können nur kundenüber­ greifende Produktmerkmale vordefiniert und durchentwickelt werden. Kundenspezifische Merkmale müssen jedoch mittels geeigneter Spezifikationswerkzeuge in Zusammenarbeit mit dem Kunden definiert werden. [18] Die mit additiven Fertigungsverfahren einhergehende Fertigungsagilität motiviert das Angebot von Produkten mit erhöhter Geometrievarianz. Hierbei stellen die kundenübergreifenden Produktanforderungen die grundsätzlichen Funktionen des Produkts sicher. Diese müssen jedoch zugleich genug Spezifikationsspielraum für kundenspezifische Inhalte gewähren, sonst ist der Mehrwert der Individualisierung zu gering um den dazugehörigen Entwicklungsaufwand zu argumentieren. Hier ist die Rede von dynamischen Anforderungslisten, welche kundenspezifische und -unspezifische Anforderungen vonei­ nander differenzieren. In der praktischen Umsetzung stellt sich heraus, dass diese Abgrenzung kundenspezifischer und allgemeiner Attribute eine große Herausforderung darstellt. Obwohl neben den eigentlichen Anpassungen der Entwicklungsphase auch die Produktfreigabe für hochindividualisierte Produkte herausfordernd sein kann, wird diese im Rahmen dieses Beitrags nicht näher beleuchtet. Bevor anhand eines Praxisbeispiels der Sachverhalt verdeutlicht wird, ist die Differenzierung der Begriffe „Funktionale Individualisierung“ und „Funktionsbeeinträchtigende Individualisierung“ hilfreich. Funktionale Individualisierung: Die kundenspezifische Auswahl, Gestaltung oder Zusammenstellung von Produkteigenschaften, welche in einer Steigerung z. B. der Praktikabilität des Produktes für den Kunden resultieren. Funktionsbeeinträchtigende Individualisierung: Die kundenspezifische Auswahl, Gestaltung oder Zusammenstellung von Produkteigenschaften, welche in einer Beeinflussung bzw. Einschränkung hierarchisch übergeordneter Produktfunktionen resultieren. Hier steht der Individualisierungswunsch im Konflikt mit einer übergeordneten Produktfunktion.

4.2

Beispielanwendung: Kundenindividuelle Fahrzeugmittelkonsole

In diesem Kapitel wird anhand eines Anwendungsbeispiels aufgezeigt inwiefern die durch additive Fertigungsverfahren motivierten Individualisierungsmöglichkeiten durch übergeordnete Funktionalitäten bedingt sind. Als Beispielanwendung dient hier eine Mittel­ konsole, welche u. a. funktionale Individualisierungsoptionen beinhaltet. Nach Kundenwunsch werden die Mittelkonsolenfunktionen zusammengestellt und gestaltet. Ein solches Mittelkonsolenkonzept könnte das Zubehörangebot einer Fahrzeugmodellreihe ergänzen und hat das Ziel in erster Linie die Praktikabilität des Fahrzeugs zu steigern (siehe Abb. 7). Das Konzept sieht vor, dass verschiedene Module miteinander kombiniert werden können. Diese Module beinhalten sowohl passive als auch adaptive Individualisierungsfunktionen. Hierbei werden Funktionen, die im Betrieb eingestellt bzw. verstellt werden können, zur

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

237

ausrichtbare Halterung geometrisch angepasste Ablagen flexibler Becherhalter personalisierter Befestigungshaken

adapv

passiv

Abb. 7  Kundenindividuelles Mittelkonsolenkonzept mit umgesetzten Lösungen für adaptive und passive Individualisierungsfunktionen

Kategorie der adaptiven Individualisierung und Funktionen, welche statisch sind und nicht angepasst werden können, zur Kategorie der passiven Individualisierung gezählt. Weiterführende Differenzierungsmöglichkeiten unterschiedlicher Individualisierungsarten können aus Beiträgen aus der Literatur entnommen werden [25, 26]. Am Beispiel der Teilfunktion „Ausrichtbare Halterung“ (siehe Abb. 7 und 8) lässt sich der in Abschn.  4.1 angeführte Zusammenhang zwischen AM-Potenzialanwendung und ­Einhaltung hierarchisch übergeordneter Funktionen darstellen. Die sphärische Halterung wurde mehrteilig für AM mit dem Verfahren Selektives Laser Sintern (SLS) konzipiert. Die Halterung setzt sich somit aus der Sphäre, dem kugelpfannenförmigen Gehäuse und einem Vorspannelement zusammen. Die Sphäre kann mittels Druck- und gleichzeitiger Rotationsbetätigung in ihrer Stellung stufenlos in allen drei Raumrichtungen rotiert und somit eingestellt werden. Alle drei Bauteile der Halterung werden vormontiert im Pulverbett gefertigt. Lediglich die Vorspannung des Federelements muss im Nachgang an die Pulverentfernung und Oberflächennachbearbeitung manuell aufgebracht und eingestellt werden. Das Hauptindividualisierungsmerkmal bei dieser Teilfunktion ist die kundenindividuelle Zusammenstellung der Haltefunktionen der Sphäre. Der Kunde stellt dazu anhand seiner bevorzugten persönlichen Gegenstände (z. B. Mobiltelefon, Schlüssel, etc.) geeignete Kavitäten aus einer Bibliothek zusammen. Je mehr Kavitäten auf der Sphäre zusammengestellt werden, desto höher ist dabei die Anzahl an verschiedenen Einstellmöglich­ keiten und somit Adaptionen im Fahrzeugbetrieb. Der Kunde ist somit geneigt die Kavitätsanzahl zu seinen Gunsten zu maximieren. Die Hauptfunktion der Halterung beruht jedoch auf der sphärischen Form des adaptiven Elements, welche im Kugelpfannenge-

238

D. Fuchs et al.

Pos. 1: Sphäre Pos. 2: Kavitäten Pos. 3: Gehäuse Pos. 4: Vorspannelement

Abb. 8  Bauteilübersicht individualisierbaren ausrichtbaren Halterung (Fertigungsverfahren: Selek­ tives Laser Sintern – SLS)

häuse durch Haft- und Gleitreibung gelagert und positioniert wird. Die Kavitäten der Halterung der kundenspezifischen Gegenstände dürfen somit keinen zu großen Anteil der Sphäre einnehmen, da sonst eine einwandfreie Funktion der Halterung nicht mehr gewährleistet werden kann. An dieser Stelle begrenzt das Hauptfunktionsprinzip der Halterung den Individualisierungsspielraum für den Kunden. Es lassen sich Abhängigkeiten zwischen funktionalen Anforderungen und der Umsetzung des AM-Potenzials der erhöhten Individualisierung in sämtlichen weiteren Anwendungen der beispielhaften Mittelkonsole aufzeigen. Des Weiteren können übergeordnete Fahrzeuganforderungen mit kundenindividuell gestalteten Anwendungen im Konflikt stehen. Zentrale Sicherheitsanforderungen die Mindestradien im Fahrzeuginterieur voraussetzen können hier als Beispiel genannt werden. In diesem Kontext wird deutlich, dass selbst wenn eine geometrische Varianz bedingt ohne weiteres mittels additiver Fertigungstechnologien hergestellt werden kann, die Abhängigkeiten zu Randbedingungen und übergeordneten Funktionen vollständig nachvollzogen werden müssen. So kann ein Gestaltungsraum definiert werden, von welchem keine unvorhergesehene Einschränkung einer übergeordneten Funktionalität ausgeht.

Identifikation von Zielkonflikten bei der Anwendung von Potenzialen additiver …

4.3

239

Vorgehen zur Überbrückung heterogener Anforderungskollektive

In den bisherigen Ausführungen wurden zum einen in Abschn. 3 die Wechselwirkungen von AM-Potenzialen untereinander angesprochen. Zum anderen wurden in den Abschn. 4.1 und 4.2 anhand eines Beispiels potenzielle Konflikte bei der AM-Potenzialanwendung mit übergeordneten Funktionsstrukturen aufgezeigt (vgl. Abb.  1). In diesem Abschnitt wird eine Vorgehensweise zur Berücksichtigung von AM-Potenzialen zur Lösungsfindung in der frühen Konzeptphase vorgestellt. Diese Vorgehensweise nutzt die durch additive Fertigungsweisen ermöglichten konstruktive Hebel nach Kumke [27] um heterogene Anforderungskollektive zu überbrücken. Dadurch werden Teillösungen generiert, welche auf den Fertigungsfreiheiten von AM basieren. Diese Vorgehensweise lässt sich im „DfAM Framework“ nach Kumke in Phase II „Konzeptphase“ zwischen den Schritten 2 und 3 einordnen [11]. In Abb. 9 wird eine Übersicht über der Vorgehensweise dargestellt. In dem aufgezeigten Vorgehen nehmen die konstruktiven Hebel, welche aus den Fertigungsfreiheiten der additiven Verfahren motiviert sind, eine zentrale Rolle ein. Das Vorgehensprinzip lässt sich in 5 Schritten erläutern und entsprechend in Abb. 9 nachvollziehen. 1. Schritt: Ableitung funktioneller Anforderungen aus der Anforderungsliste. Diese sind allgemein formuliert und sind unabhängig vom Fertigungsverfahren zu betrachten 2. Schritt: Ableitung relevanter AM-Potenziale und ihrer Teilaspekte für das entsprechende Anforderungskollektiv 3. Schritt: In diesem Schritt werden konstruktive Hebel mit den in Schritt 1 abgeleiteten technischen Anforderungen vernetzt. Es werden die konstruktiven Hebel in Verbindung gebracht, welche hilfreich bei der Umsetzung der entsprechenden Anforderung sein können 4. Schritt: Analog zu Schritt 3 werden als nächstes die konstruktiven Hebel vernetzt, welche bei der Umsetzung einzelner Teilaspekte eines AM-Potenzials relevant sein können Anforderungsliste

1a 1

Funktionale Anforderungen Anforderung I Anforderung II

...

Anforderung n

5

AM-Potenzialgruppe

Konstruktive Hebel 2

Formkomplexität 3

Teilaspekt I

Hierarchische Komplexität

...

Materialkomplexität

AM-Potenzial

4

Teilaspekt II

...

Teilaspekt n

Teilkonzepte

Abb. 9  Vorgehensweise zur Berücksichtigung von AM-Potenzialen in der frühen Konzeptphase

240

D. Fuchs et al.

5. Schritt: Im letzten Schritt können Teilkonzepte aus den erstellten Verbindungen der einzelnen technischen Funktionen, den in Verbindung stehenden Konstruktionshebeln und der Teilaspekte eines zu fördernden AM-Potenzials abgeleitet werden Da der Sachverhalt auf abstrakter Ebene erschwert nachvollziehbar ist, veranschaulicht Abb.  10 die angewendete Vorgehensweise für das in Abschn.  4.2 vorgestellte Anwendungsbeispiel einer kundenindividuellen Mittelkonsole. Diese Vorgehensweise liegt dem vorgestellten Mittelkonsolenkonzept zugrunde, auf dessen Basis die Generierung der Teillösungen zurückzuführen ist.

5

Diskussion

Obwohl die aufgezeigten Forschungsarbeiten einige Herausforderungen bei der Anwendung von AM-Potenzialen ansprechen, besitzen die bisherigen Beobachtungen keinen Anspruch auf Vollständigkeit und sind somit auch in sich nicht abgeschlossen. Die bisherigen Untersuchungen streben eine ganzheitliche Betrachtung der Konstruktionsfreiheiten die mit der Additiven Fertigung ermöglicht werden an. Dies hat zur Folge, dass sowohl die zugrunde gelegte Potenzialsystematik nach Kumke als auch die entwickelte Zielkonfliktma­ trix verfahrensübergreifend aufgestellt ist. Unter den Verfahren, welche zur Verfahrensgruppierung additiver Fertigungsverfahren gezählt werden, unterscheiden sich die jeweiligen Konstruktionsfreiheiten aufgrund der vielfältigen Restriktionen auf signifikante Art und Weise. Demzufolge sind die erarbeiteten Ergebnisse nicht für alle Verfahren gleichermaßen zutreffend. Im Folgenden werden die Kapitelspezifischen Inhalte der Abschn. 3 und 4 näher hinterfragt.

ŶĨŽƌĚĞƌƵŶŐƐůŝƐƚĞ

&ƵŶŬƚŝŽŶĂůĞ ŶĨŽƌĚĞƌƵŶŐĞŶ ďůĂŐĞŶ ,ĂůƚĞƌƵŶŐĞŶ sĞƌƌŝĞŐĞůƵŶŐĞŶ

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98,4 % (s. Abb. 4). Die Fokussierlinse und die Umlenkspiegel müssen durch optische Bauteile ersetzt werden, die für die Verwendung von CO2-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μm geeignet sind. Für die Fokussierung wird eine Plankonvex-Linse aus Zink-Selenid mit beidseitigem Antireflex-Coating ausgewählt, welche bei der eingesetzten Wellenlänge eine Transmission von > 99,4 % aufweist. Als Umlenkspiegel werden aluminiumbeschichtete Glassubstrate verwendet, die bei einer Wellenlänge von 10,6 μm und einem Einfallswinkel von 45 ° einen Reflexionsgrad von ca. 94,0 % besitzen. Durch den offenen Strahlengang der ersten Generation der Schweißköpfe sind keine Schutzgläser notwendig.

252

M. Lammers et al.

Abb. 4 Reflexionsspektrum der Beschichtung des pyramidenförmigen Strahlteilers. (Quelle: [24])

Für die Versuche zur koaxialen additiven Verarbeitung von Glaswerkstoffen wird eine CO2-Laserstrahlquelle mit einer maximalen Laserleistung von 250 W der Fa. Coherent, Inc. eingesetzt. Als Schweißgut wird eine Quarzglasfaser (SiO2) mit einem Durchmesser von 400 μm und einem Polymercoating mit einer Stärke von 50 μm verwendet. Daraus resultiert ein Gesamtdurchmesser des Schweißgutes von 500 μm. Für die Schweißdüsenspitze wird deshalb die kleinstmögliche kommerziell verfügbare Variante gewählt, welche für Metalldrähte mit einem Durchmesser von 600 μm optimiert ist. Zudem wird über die Schweißdüse ein Stickstoff-Gasstrom zugeführt, um das verbrannte bzw. verdampfte Polymer-­Coating der Faser zu entfernen. Als Sperrgas zum Schutz der Optiken im Bearbeitungskopf wird ebenfalls Stickstoff eingesetzt. Zum Fördern der Glasfaser wird ein Zweirollen-Drahtförderer eingesetzt, welcher über einen Schrittmotor angetrieben wird. Die Zufuhr der Faser erfolgt über eine PTFE-Seele, welche den Drahtförderer mit der Schweißdüse verbindet. In der Abb. 7 links ist ein Teil der Schweißdüse für Metallwerkstoffe mit der Schweißdüsenspitze abgebildet. Des Weiteren sind die zugeführte SiO2-Faser sowie der Fokuspunkt der roten Strahlung des Pilotlasers zu sehen, der zum Ausrichten des Systems verwendet wird. Bei den Versuchen zeigt sich, dass die Faser trotz der für die Zufuhr im koaxialen Schweißkopf notwendigen Biegeradien der Faserzufuhr gerade aus der Düse austritt. Dieser Effekt ist den mechanischen Eigenschaften von polymerbeschichteten Glasfasern zuzuschreiben, da diese durch die Biegeradien in der Zufuhr lediglich elastisch verformt werden und anschließend wieder in ihren geraden Ursprungszustand übergehen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Faser präzise in den Fokuspunkt der CO2-­ Laserstrahlung einzubringen. Im Rahmen der Versuche kann mittels des koaxialen Bearbeitungskopfes eine Schweißlage aus Quartzglas auf ein Glassubstrat deponiert werden. Dazu werden eine Laserleistung von 170 W, eine Drahtfördergeschwindigkeit von 140 mm/min und eine Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes über dem Substrat von 300 mm/min verwendet. Das Schweißergebnis ist in der Abb. 5 rechts dargestellt. Zu sehen ist dabei, dass an den Rändern der deponierten Bahn Einkerbungen auftreten, die durch Sublimation des Glaswerkstoffes durch die Laserstrahlung hervorgerufen werden. Für weitere Tests soll deshalb ein größerer Fokusdurchmesser der Laserstrahlung gewählt werden,

Entwicklung von Laser-Systemkomponenten für das koaxiale …

253

Abb. 5  Zuführung einer Glasfaser mittels Metall-Auftragschweißdüse (links), mittels koaxialem Laser-Auftragschweißen deponierte Schweißbahn aus Quarzglas (rechts)

um diesem Effekt entgegenzuwirken. Generell bestätigen die Versuche die These, dass eine koaxiale Verarbeitung von Quartzglasfasern mittels koaxialem Laser-Auftragschweißen möglich ist.

3

Koaxialer LZH-Schweißkopf der zweiten Generation

3.1

Motivation und Anforderungsanalyse

Im Rahmen von Versuchen und Schweißsituationen mit dem Bearbeitungskopf der ersten Generation zeigen sich verschiedene Optimierungspotenziale. Vor allem hinsichtlich des Biegeradius der zur Drahtzufuhr verwendeten Seele sind Verbesserungen nötig, um das Einführen von Schweißdrähten bzw. Fasern zu verbessern. Bei kleinen Biegeradien kommt es dabei häufig zu einem Verklemmen des Schweißgutes, sodass ein Wechsel des Schweißdrahtes bei der ersten Generation nur manuell durchführbar ist. Des Weiteren erweist sich die offene Strahlführung als unvorteilhaft, da auch im Stillstand ein Sperrluftstrom notwendig ist bzw. die Strahlaustrittsöffnungen manuell mit Klebeband verschlossen werden müssen, um die Optiken vor Verschmutzung zu schützen. Auf Basis kalorimetrischer Messungen erweisen sich die Kühlkreisläufe in Grundkorpus und Düsenhalter als redundant, da an diesen Elementen nur wenig Wärmeenergie abgeführt werden muss. Diese Kühlkanäle erweitern die Baugröße des Kopfes unnötigerweise und sorgen damit für eine größere Störgeometrie, die bei aufwändigen Schweißsituationen (z. B. beim Schweißen in Vertiefungen oder bereits auf dem Substrat bestehenden Elementen) hinderlich ist.

M. Lammers et al.

254

Tab. 1  Auszug aus der Anforderungsliste: Geänderte Anforderungen bezüglich der Konstruktion des koaxialen Bearbeitungskopfes der zweiten Generation Beschreibende Angaben qualitativ Durchmesser Umlenkspiegel Verwendung von Schutzgläsern am Strahlaustritt Verwendung von Cross-Jets zum Schutz der Schutzgläser Entfall der Wasserkühlung im Grundkorpus Entfall der Wasserkühlung im Düsenhalter Entfall der Spülgas-/Sperrluftversorgung im Grundkorpus Länge der Drahtzufuhr vom Drahtvorschubgerät zur Schweißdüse Minimaler Biegeradius in der Drahtzufuhr Reduzierung des Durchmesser des Grundkorpus Reduzierung des Abstands vom Fokuspunkt zum Kollimatoranschluss Verwendung einer Blechverkleidung mit integrierter Halterung des Drahtvorschubgerätes

Spezifikation ≤ 1" mm – – – – – ≤ 200 mm ≤ 150 mm ≥ 10 % ≥ 25 % –

Basierend auf diesen Versuchen und Erfahrungen mit der ersten Generation wird eine Anforderungsliste erstellt, welche die Eigenschaften des zu entwickelnden Systems zusammenfasst. Dabei werden zum einen die Eigenschaften des vorhergehenden Bearbeitungskopfes, die beibehalten werden sollten und zum anderen basierend auf den Optimierungspotenzialen der ersten Generation entsprechend einzubringende Änderungen definiert. Die Tab. 1 stellt einen Auszug aus dieser Anforderungsliste dar, welcher die sich im Vergleich zur ersten Generation geänderten Spezifikationen enthält. Die wichtigsten Änderungen umfassen dabei vor allem Elemente, welche die Baugröße und das Gewicht des Gesamtsystems direkt oder indirekt beeinflussen. Als Zielgröße ist eine Reduktion der Bauhöhe um mindestens 25 % gefordert, um durch eine kleinere Störgeometrie schwierige Schweißsituationen wie beispielsweise das Auftragschweißen in Taschen oder in Ecken abbilden zu können. Der Entfall der Kühlkreisläufe im Grundkorpus und im Düsenhalter sowie die Verwendung kleinerer Umlenkspiegel sollen hier ansetzen. Durch die Verwendung von Schutzgläsern und Cross-Jets soll auch die Sperrluftzufuhr bzw. Spülgasversorgung des Grundkorpus entfallen. Zudem soll eine Blechverkleidung integriert werden, die zusätzlich als Halterung für das Drahtvorschubgerät fungiert. Die Strecke zwischen Drahtvorschubgerät soll maximal 200 mm betragen und einen Mindestbiegeradius von 150 mm aufweisen, um eine stabile Drahtzufuhr im Prozess und einen einfachen Wechsel des Schweißdrahtes zu ermöglichen.

3.2

 onstruktion der zweiten Generation der K LZH-­Bearbeitungsköpfe

Die grundlegenden Elemente des Schweißkopfes stellen der Grundkorpus sowie der Düsenhalter dar (s. Abb. 4). Im und am Grundkorpus werden Düsenhalter, Kopfhalterung, Fokussierlinse, Strahlteiler-Pyramide, Umlenkspiegel, Schutzgläser, Kollimator und

Entwicklung von Laser-Systemkomponenten für das koaxiale …

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weitere Anbauteile montiert. Zudem sind die Durchführungen für das Schweißgut und weitere Medien im Grundkorpus integriert, sodass die Drahtförderstrecke zwischen Drahtvorschubgerät und Schweißdüse auf 200 mm verringert und der Biegeradius in der Zuführung auf über 150 mm vergrößert ist. Der Düsenhalter verbindet die Schweißdüse mit dem Grundkorpus (Abb. 6). Um eine hohe Präzision der Ausrichtung der einzelnen Komponenten zueinander zu gewährleisten, werden die Düsen- und Kopfhalterung, der Kollimatoranschluss, die Fokussierlinse sowie die Strahlteiler-Pyramide direkt über Passungen mit dem Grundkorpus verbunden. Die Schutzgläser sollen währenddessen in Halterungen eingesetzt und über diese am Grundkorpus montiert werden, um diese im Betrieb einfach austauschen zu können. In den Düsenhalter werden die zugehörigen Cross-Jets integriert, welche die ­Schutzgläser vor Prozessemissionen schützen sollen. Die Kapselung der Zuleitungen zur Schweißdüse und den Cross-jets erfolgt unterhalb des Grundkorpus über den Düsenhalter und oberhalb mittels einer Blechverkleidung. Die Blechverkleidung dient außerdem der Aufnahme des Drahtvorschubgerätes. Über eine Klappe wird der Zugang zum Drahtvorschubgerät für Draht- und Förderrollenwechsel sowie das Einstellen der Rollenanpresskräfte sichergestellt. Die Aufnahme der Schweißdüse im Düsenhalter erfolgt wie bei der

Abb. 6  Explosionsansicht: Kernkomponenten des Schweißkopfes der zweiten Generation

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M. Lammers et al.

ersten Generation über eine zylindrische Passung mit geschlitzter Klemmung. Durch den Entfall des Kühlkreislaufs und der Spülgasversorgung im Grundkorpus zusammen mit der Verwendung kleinerer Umlenkspiegel kann der Grundkorpus sowohl in der Höhe, als auch im Durchmesser verkleinert werden, sodass Gewicht und Störgeometrie reduziert sind. Für die Bauteile Grundkorpus, Düsenhalter sowie die Schutzglashalter wird wegen der geringen Dichte, des geringen Verzuges, der guten Korrosionsbeständigkeit, des hohen Reflexionsgerades im infraroten Wellenlängenbereich sowie der hohen Wärmeleitfähigkeit eine Aluminiumlegierung (EN AW 7075) gewählt. Beim Strahlteiler wird auf die bestehende Pyramide der ersten Generation zurückgegriffen: Diese wird aus reinem Kupfer vorgefräst, diamantzerspant und anschließend beschichtet. Bei den weiteren ­Komponenten handelt es sich um Zukaufteile. Die Abb. 7 zeigt den montierten koaxialen Schweißkopf der zweiten Generation. Die Integration an ein entsprechendes Handhabungssystem (Knickarmroboter oder Line­ arachssystem) erfolgt mittels Schnellspannsystem, wie es bereits bei der ersten Generation der Systemtechnik Verwendung fand. Die Abb. 8 zeigt den an einem Portalsystem montierten Bearbeitungskopf. Zu erkennen sind außerdem die Blechverkleidung, das angeschlossene Drahtvorschubgerät sowie das Lichtleitkabel für die Zufuhr der Laserstrahlung. Bei der Inbetriebnahme zeigt sich, dass das Einführen des Schweißdrahtes in den Kopf sich deutlich leichter gestaltet, als bei der ersten Generation der Bearbeitungsköpfe. Das Einführen kann komplett über das Drahtvorschubgerät erfolgen, ohne dass manuell

Abb. 7  Montierter Schweißkopf der zweiten Generation

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Abb. 8  Koaxialer Schweißkopf der zweiten Generation mitsamt Blechverkleidung, Kollimator mit Lichtleitfaser sowie Drahtvorschubgerät montiert an einem Handhabungssystem

eingegriffen werden muss. Hinsichtlich der optischen Eigenschaften wie Fokuspunktlage und -durchmesser verhält sich das System trotz kleinerer Umlenkspiegel und der Verwendung von Schutzgläsern wie die erste Generation.

4

Zusammenfassung

Auf Basis der ersten Generation der LZH-Bearbeitungsköpfe für das koaxiale Laser-­ Auftragschweißen von Metallwerkstoffen wurde ein System zum koaxialen Auftragschweißen von Glaswerkstoffen entwickelt. Dieses wird zusammen mit einem CO2-Laser verwendet, um Strukturen aus Glas additiv zu fertigen. Erste Versuche zeigten dabei den erfolgreichen Einsatz der Systemtechnik, mit welcher eine Schweißnaht aus Quarzglas auf einem gleichartigen Substrat aufgeschweißt werden konnte. Es zeigte sich jedoch, dass der Fokusdurchmesser auf dem Substrat zu klein für diese Parameterkonstellation ist, sodass sowohl das Schweißgut, als auch das Substrat teilweise sublimiert wurden, was sich in Kerben an den Nahträndern ausprägte. Zukünftige Versuche sollen daher mit einem geänderten Versuchsaufbau durchgeführt werden, der einen größeren Strahldurchmesser in der Bearbeitungszone ermöglicht.

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M. Lammers et al.

Im Rahmen der Entwicklung einer zweiten Generation koaxialer LZH-Bearbeitungsköpfe für das Laser-Draht-Auftragschweißen von Metallwerkstoffen mit konduktiver Drahtvorwärmung konnte ein System realisiert werden, was den Anforderungen für den Einsatz in einer industrieähnlichen Fertigungsumgebung gerecht wird. Durch die gekapselte Bauweise mit integriertem Cross-Jet kann der Einsatz des Kopfes auch in anspruchsvollen Umgebungen gewährleistet werden. Die optimierte Drahtzufuhr stellt ein stabiles Fördern des Schweißgutes im Prozess sicher und ermöglicht ein einfaches und schnelles Wechseln zwischen verschiedenen Materialien. Die Einhausung mit integrierter Aufnahme des verwendeten Drahtvorschubgerätes sorgt für ein strukturiertes Leitungssystem und schützt empfindliche Elemente der Systemtechnik vor äußeren Einflüssen. Durch das Redesign und den damit verbundenen Wegfall redundanter Kühlkreisläufe und Sperrluftversorgungen konnte außerdem die Größe um effektiv 90 mm in der Höhe (bis Anschluss des Kollimators) und 40 mm im Durchmesser auf 210 mm sowie das Gewicht des Kopfes von ca. 10 kg um die Hälfte auf ca. 5 kg reduziert werden. Die Abb. 9 zeigt die Größenverhältnisse der koaxialen Schweißköpfe der ersten und zweiten Generation (Kernelemente ohne Kollimator) im direkten Vergleich. Auch bei der zweiten Generation wird ein Einsatz zur Verarbeitung von Glaswerkstoffen angestrebt. Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass die Realisierung eines hybriden koaxialen Bearbeitungskopfes für die Fertigung Glas- und Metallstrukturen möglich ist. Für die

Abb. 9  Vergleich hinsichtlich Größe und Störgeometrie der ersten (links) und zweiten Generation (rechts) der Bearbeitungsköpfe

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Umsetzung eines automatisierten Systems müssen dazu entsprechende Elemente zum Wechseln des Schweißgutes sowie zum Umschalten der angeschlossenen Laserstrahlquellen (CO2- und Festkörperlaserstrahlquelle) vorgesehen werden. Acknowledgement

Teile dieser Arbeit entstanden im Rahmen des Projekts „mGROTESK  – Maschine zur genera-tiven Fertigung von OTS-Komponenten“, finanziert durch EFRE  – NBank (ZW6-85017913)

Literatur 1. Shakhverdova, I., Nowotny, S., Thieme, S., Kubisch, F., Beyer, E., Leyens, C.: Coaxial laser wire deposition. J. Phys. Conf. Ser. 1109, 012026 (2018) 2. Kelbassa, J., Gasser, A., Bremer, J., Pütsch, O., Poprawe, R., Schleifenbaum, J.H.: Equipment and process windows for laser metal deposition with coaxial wire feeding. J. Laser Appl. 31, 022320 (2019) 3. Matthew, B., Hoppe, L.: Smart additive manufacturing device; Patentschrift; US 2018/0318929 A1; Additec Additive Technologies, LLC; Las Vegas, USA (2018) 4. Demir, A.G.: Micro laser metal wire deposition for additive manufacturing of thin-walled structures. Optics Lasers Eng. 100, 9–17 (2018) 5. Jambor, T.: Funktionalisierung von Bauteiloberflächen durch Mikro-Laserauftragschweißen. Dissertation RWTH Aachen (2012) 6. Barroi, A., Hermsdorf, J., Kaierle, S.: Additive Makrofertigung mit Laser-Lichtbogen Technik mit kontinuierlicher Schweißnaht. In: Additive Serienfertigung, S. 107–113. Springer Vieweg, Berlin/Heidelberg (2018) 7. Chugreeva, A., Mildebrath, M., Diefenbach, J., Barroi, A., Lammers, M., Hermsdorf, J., Hassel, T., Overmeyer, L., Behrens, B.-A.: Manufacturing of high-performance Bi-metal bevel gears by combined deposition welding and forging. Metals. 8(11), 898 (2018) 8. Pape, F., Coors, T., Barroi, A., Hermsdorf, J., Mildebrath, M., Hassel, T., Kaierle, S., Matthias, T., Chugreev, A., Chugreeva, A., Behrens, B.-A., Overmeyer, L., Poll, G.: Tribological study on tailored-formed axial bearing washers. Tribology. 13(6), 320–326 (2018) 9. Hessen Trade & Invest GmbH, Technologieland Hessen (Hrsg.): Additive Fertigung – Der Weg zur individuellen Produktion, S. 52. Hessen Trade & Invest GmbH, Wiesbaden (2018)

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M. Lammers et al.

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Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405)

3-D-Drucken (3DP) 1) Beschichter 2) Pulvervorratsbehälter 3) Druckköpfe 4) Punkt-für-Punkt-Binderauftrag 5) Generiertes Bauteil 6) Pulverbett 7) Überlaufbehälter 8) Bauplattform mit Hubtisch

Pulver wird auf die Bauplattform mit Hilfe eines Beschichters flächig in einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichten werden durch einen oder mehrere Druckköpfe, die Punkt-für-Punkt-Binder auftragen, erzeugt. Die Bauplattform wird geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen.

Digital Light Processing (DLP) 1) Bauplattform mit Hubtisch 2) Bauplatte 3) Stützkonstruktion 4) Generiertes Bauteil 5) Brennpunkt 6) Mit Fotopolymer gefüllte Wanne 7) Glasscheibe 8) Umlenkspiegel 9) UV-Lampe

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4

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Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405)

Ein Fotopolymer wird von einer UV-Lampe in dünnen Schichten ausgehärtet. Nach der vollständigen Belichtung wird das generierte Bauteil um eine Schichtdicke aus der mit Fotopolymer gefüllten Wanne angehoben.

Elektronen-Strahlschmelzen/Electron Beam Melting (EBM) 1) Pulvervorratsbehälter 2) Beschichter 3) Elektronenstrahlerzeuger 4) Fokussierspule 5) Ablenkspule 6) Verfestigungszone 7) Generiertes Bauteil 8) Stützkonstruktion 9) Bauplatte 10) Bauplattform mit Hubtisch

Das Pulver wird auf die Bauplattform mit Hilfe des Beschichters flächig in einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Elektronenstrahles entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett eingeschmolzen. Dafür werden die Elektronen erzeugt, beschleunigt, fokussiert und durch eine Spule abgelenkt. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen.

Film Transfer Imaging (FTI) 1) Bauplattform mit Hubtisch 2) Bauplatte 3) Beschichter 4) Stützkonstruktion 5) Generiertes Bauteil 6) Brennpunkt 7) Fotopolymerfilm tragende Transportfolie 8) Glasscheibe 9) Umlenkspiegel 10) UV-Lampe

Auf die Transportfolie wird ein dünner Film eines Fotopolymers aufgetragen. Entsprechend der Schichtkontur des Bauteils wird der Film von einer UV-Lampe durch die Folie belichtet und ausgehärtet. Anschließend wird das generierte Bauteil von der Folie gehoben, der Beschichter verteilt das Material auf der Folie und das generierte Bauteil wird wieder abgesenkt.

Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405)

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Fused Layer Modeling/Fused Deposition Modelling (FDM) 1) Beheizte Düsen 2) Linie-für-Linie-Auftrag 3) Materialvorrat in Drahtform 4) Generiertes Bauteil 5) Stützkonstruktion 6) Bauplatte 7) Bauplattform mit Hubtisch

Die Schichten werden durch das Abfahren der Bauteilkontur von den Düsen in X-Y-Richtung erzeugt. Dabei schmelzen die beheizten Düsen das drahtförmige Material auf, welches Linie-für-Linie auf die Bauplatte aufgetragen wird. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht generiert.

Laminated Object Modelling/Layer Laminated Manufacturing (LLM) 1) Laser 2) Schneidpunkt 3) Restaufnahmerolle 4) Generiertes Bauteil 5) X-Y-Scanner 6) Laminierwalze 7) Folieband 8) Rohmaterial 9) Bauplatte 10) Bauplattform mit Hubtisch

Die mit Klebstoff beschichtete Folie als Ausgangsmaterial wird Schicht für Schicht auf die Bauplattform geklebt. Durch eine Ansteuerung des Laserstrahles wird entsprechend der Schichtkontur des Bauteils die Folie geschnitten. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgeklebt.

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Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405)

Poly-Jet Modelling (PJM) 1) Druckköpfe 2) UV-Lampe 3) Verfestigungszone (Polymerisation) 4) Generiertes Bauteil 5) Stützkonstruktion 6) Bauplatte 7) Bauplattform mit Hubtisch

Das zu generierendes Bauteil wird durch (mehrere) Druckköpfe, mit linear angeordneten Düsen, entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schichtweise aufgebaut. Dabei werden winzige Tröpfchen flüssigen Fotopolymers aufgesprüht wird unmittelbar nach dem Auftragen mittels UV-Licht verfestigt.

Scan-LED-Technologie (SLT) 1) UV-Lampe 2) Beschichter 3) X-Y-Bewegungsspur 4) Verfestigungszone (Polymerisation) 5) Generiertes Bauteil 6) Flüssiges Harz (Polymerbad) 7) Stützkonstruktion 8) Bauplatte 9) Bauplattform mit Hubtisch

Ein Fotopolymer wird von einer UV-LED in dünnen Schichten ausgehärtet. Dabei bewegt sich die UV-LED in X-Y-Richtung entsprechend der Schichtkontur des Bauteils. Nach der Belichtung wird das generierte Bauteil um eine Schichtdicke in das flüssige Harz abgesenkt. Der Beschichter verteilt abschließend das Material gleichmäßig über dem generierten Bauteil.

Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405)

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Selektives Laser Sintern/Selective Laser Sintering (SLS) 1) Laser 2) Beschichter 3) Pulvervorratsbehälter 4) X-Y-Scanner 5) Verfestigungszone 6) Generiertes Bauteil 7) Pulverbett 8) Überlaufbehälter 9) Bauplattform mit Hubtisch

Das Pulver wird auf die Bauplattform mit Hilfe des Beschichters flächig in einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen.

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) 1) Laser 2) Beschichter 3) Pulvervorratsbehälter 4) X-Y-Scanner 5) Verfestigungszone 6) Generiertes Bauteil 7) Stützkonstruktion 8) Pulverbett 9) Überlaufbehälter 10) Bauplattform mit Hubtisch

Das Pulver wird auf die Bauplattform mit Hilfe des Beschichters flächig in einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett eingeschmolzen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen.

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Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405)

Stereolithografie/Stereolithography (SL) 1) Laser 2) Beschichter 3) X-Y-Scanner 4) Verfestigungszone (Polymerisation) 5) Generiertes Bauteil 6) Flüssiges Harz (Polymerbad) 7) Stützkonstruktion 8) Bauplatte 9) Bauplattform mit Hubtisch

Ein Fotopolymer wird von einem Laser in dünnen Schichten ausgehärtet. Nach der vollständigen Belichtung wird das generierte Bauteil um eine Schichtdicke in das flüssige Harz abgesenkt. Der Beschichter verteilt abschließend das Material gleichmäßig über dem generierten Bauteil.

Sachwortverzeichnis

3D-Druck  Ein Fertigungsverfahren des Additive Manufacturing, welche auf dem Prinzip des Verklebens von Pulverpartikeln basiert. Aufgrund der sinnbildlichen Darstellung wird der Begriff 3D-Druck – besonders im Endkundenbereich – oftmals als Synonym für Additive Manufacturing eingesetzt. 3D Manufacturing Format (3MF)  XML basiertes Austauschformat zur Definition der Anforderungen an die genaue Visualisierung einer Geometrie (wie z. B. Oberflächen und Texturen). Integration von digitalen Signaturen oder Funktionsanforderungen sind möglich. Additives Fertigungsverfahren  Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück elementoder schichtweise aufgebaut wird [VDI 3405] Ansinterungen  Teilweise angeschmolzene Pulverpartikel. Bionik  Interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnenen werden, technische Fragestellungen zu lösen. [VDI 6220, 2012] Bounding Box  Quader mit Kantenlängen entsprechend der maximalen Höhe, Breite und Länge eines Körpers. Buy-to-fly-Ratio  Verhältnis von Ausgangsgewicht des Halbzeuges zu Endgewicht des fertigen Bauteils. Design for Additive Manufacturing (DfAM)  Beschreibung alle notwendigen Arbeitsschritte zur Gestaltung eines Additive Manufacturing Bauteils. Direct Manufacturing (DM)  Additive Herstellung von Endprodukten [VDI 3405]. Draht-/Linien-/Kantenmodell  Drahtmodelle bestehen aus den Kanten eines 3D-Geometriemodells. Solche Modelle bieten generell keine geometrische Integrität, können kaum mit physikalischen Eigenschaften versehen oder für Kollisionsprüfungen verwendet werden. Endprodukt  Bestimmungsgemäß eingesetztes, marktfähiges Produkt mit Serieneigenschaften ab Stückzahl eins [VDI 3405].

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4

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Sachwortverzeichnis

FabLab  Fabrikationslabor oder offene High-Tech-Werkstätten, kurz FabLabs, gehören zu einer schnell wachsenden Bewegung, um moderne Technik unkompliziert nutzen zu können. Hierbei können Privatpersonen industrielle Produktionsverfahren dazu benutzen um Einzelstücke oder nicht mehr verfügbare Ersatzteile mit professionellen Maschinen herzustellen. Filament  Drahtförmiges Ausgangsmaterial für das Fused Layer Modelling. Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen, wie z. B. PLA oder ABS. Finite Elemente Methode Numerisches Verfahren zur Lösung partieller Differenzial­ gleichungen. Das Lösungsgebiet wird durch eine endliche (finite) Anzahl von mitei­ nander vernetzten Elementen unterteilt. Finite Differenzen Methode  Numerisches Verfahren zur Lösung partieller Differenzialgleichungen. Das Lösungsgebiet wird durch eine endliche (finite) Anzahl an Gitterpunkten diskretisiert. Ableitungen werden durch Differenzenquotienten approximiert. Flächenmodell  Flächenmodelle sind geometrisch nicht zwingend integer, die Flächenbegrenzungen stehen nicht miteinander in Beziehung. Die Vergabe von physikalischen Eigenschaften ist begrenzt möglich, Kollisionsprüfung ist über Flächendurchdringung begrenzt ausführbar. Formkomplexität  Ausprägung der Kompliziertheit einer Oberfläche im Hinblick auf verschiedene Gesichtspunkte der Fertigung. Fraktal  Körper, der aus dem fortwährenden Zerteilen seines Grundzustandes entsteht. Geometriemodell (3D)  Digitale Abbildung einer 3-dimensionalen Geometrie. Gestaltparameter  Parameter, welche zur Gestaltung eines Bauteils verändert werden können. Materialien, Oberflächen und Geometrie. Geometrie setzt sich aus der Topologie, Form, Abmaße und Anzahl sowie den Toleranzen zusammen. Gestaltungsraum (physikalisch)  Durch Restriktionen (z. B. Montage, Bauraum) definierter Bereiche, welcher zur Gestaltung eines Bauteils/bzw. eines Bauteilbereiches zur Verfügung steht. Gestaltungsrichtlinien  Grafisch aufbereiteter Informationsspeicher von Maschinen- und Prozessrestriktionen zur Berücksichtigung bei der Gestaltung eines Bauteils. Gestaltungsziel  Beschreibt die Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht, Kosten, Funktionsintegration) eines Bauteils, welche mit der Bauteilgestaltung verbessert werden sollen. Gradierte Materialien  Auch (Functionally Graded Materials (kurz FGM) bezeichnen Materialien, die in mindestens einer Raumrichtung eine kontinuierliche Veränderung einer oder mehrerer Eigenschaften aufweisen. Hybrides Fertigungsverfahren  Ein hybrides Fertigungsverfahren ist die Kombination zweier Verfahren aus verschiedenen Kategorien der Fertigungsverfahren nach DIN 8580. In-Prozess  Beschreibt die aus dem Pre-Prozess resultierenden Fertigungsoperationen, die von der additiven Fertigungsanlage ausgeführt werden [VDI 3405]. Innere Strukturen  Auf- und aneinandersetzbare Elemente zur Variation der Materialanordnung auf makroskopischer Ebene ohne Beeinflussung der Materialeigenschaften

Sachwortverzeichnis

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Insert  Einsatz in Sandwichstrukturen zur Lasteinleitung und -übertragung. Iterationsschritt  Zähler für wiederkehrende Befehle zur Annäherung an einen Ziel zustand. Kunststoff-Laser-Sintern  Auch bekannt unter Laser-Sintern (LS) und der Bezeichnung Selektives Laser-Sintern (SLS®) Mass customization  Kunden-Design-Prozess von Produkten und Dienstleistungen, die die Bedürfnisse jedes Einzelkunden hinsichtlich bestimmter Produkteigenschaften erfüllt. Alle Operationen werden innerhalb eines festen Lösungsraumes durch stabile, aber flexible und schnell adaptierbare Prozesse durchgeführt. (F. T. Piller) Metall-Schutzgas-Schweißen  Schutzgasschweißverfahren mit kontinuierlich zugeführter Drahtelektrode. Microcasting  Modifiziertes Schweißverfahren der Carnegie Mellon Universität zur additiven Fertigung. Microfactory  Produktionseinheiten deren Größenordnung sich in der des zu produzierenden Produkts befindet. Modell  Gegenüber einem Original zweckorientiert vereinfachtes, gedankliches oder stoffliches Gebilde, das Analogien zu diesem Original aufweist und so bestimmte Rückschlüsse auf das Original zulässt [U. Lindemann: Methodische Entwicklung technischer Produkte, Springer Verlag, 2009.]. Polygonnetz  Repräsentation eines dreidimensionalen Körpers durch ein Netz aus Facetten auf der Oberfläche. Post-Prozess  Beschreibt die an dem Bauteil durchgeführten Arbeitsschritte, die nach der Entnahme aus der Anlage durchgeführt werden müssen [VDI 3405]. Pre-Prozess  Beschreibt alle erforderlichen Arbeitsschritte, bevor das Bauteil in der additiven Fertigungsanlage gefertigt werden kann [VDI 3405]. Prozesskette  Prozesskette zur Additiven Fertigung. Durch den additiven Aufbauprozess entstehen auf der Basis von 3-D-CAD-Daten einsatzfähige Bauteile im gewünschten Werkstoff, wobei gegebenenfalls im Anschluss an das Entnehmen der Teile aus der additiven Fertigungsanlage eine mechanische Nachbearbeitung, die Entfernung der Stützkonstruktionen und/oder eine Reinigung erforderlich sein können. [Definition nach VDI 3405] Rapid Prototyping (RP)  Additive Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität, bei denen jedoch spezifische Merkmale ausreichend gut ausgeprägt sind [VDI 3405]. Rapid Tooling (RT)  Anwendung der additiven Methode und Verfahren auf den Bau von Endprodukten, die als Werkzeuge, Formen oder Formeinsätze verwendet werden [VDI 3405]. Rapid Repair (RR)  Anwendung der additiven Methode und Verfahren für die Substituierung, Modifizierung und Ergänzung bestehender Komponenten. Prototyp  Unterscheidet sich hinsichtlich geforderter Eigenschaften vom späteren Endprodukt [nach VDI 3405]

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Sachwortverzeichnis

Sandwichstruktur  Werkstoffverbund aus einem leichten Kern und zwei lastragenden Deckschichten. Slicen  Zerschneiden des Volumenmodells in die zu bauenden Schichten sowie Zuweisen der Schichtinformationen (Parameter zur Erzeugung der einzelnen Konturlinien pro Schicht). Das geslicte Volumenmodell kann nachträglich nicht mehr bearbeitet/ skaliert werden, da die Konturdaten untereinander keinen Bezug mehr in z-Richtung aufweisen. Stent  Gefäßprothese, meist aus Metall, die in verengte Blutgefäße eingebracht wird, um diese zu stabilisieren und offen zu halten [nach Definition Duden] Streckenenergie  Maß des Energieeintrages zur Fertigung, Berechnung aus Quotient von Laserleistung und Scangeschwindigkeit bei konstantem Spurabstand und konstanter Schichtdicke [vgl. Definition Volumenenergiedichte in VDI 3405] Strukturoptimierung  Rechnerunterstützte Optimierungsverfahren zur Gestaltung eines Bauteils. Unterscheidung in Parameteroptimierung (Engl.: Sizing), Formoptimierung (Engl.: Shape Optimization) und Topologieoptimierung (Engl.: Topology Optimization) Stützstruktur  Abstützung von überhängenden Bauteilbereichen zur Sicherstellung des Bauprozesses. Die Anbindung der Hilfsgeometrie kann dabei an die Bauplattform oder an unten liegende Bauteilbereiche erfolgen. Die Stützstruktur kann bei einigen Verfahren zur Regulierung des Wärmeflusses eingesetzt werden. Sub-Hybrides Fertigungsverfahren  Ein hybrides Fertigungsverfahren ist die Kombination zweier Verfahren aus gleichen Kategorien der Fertigungsverfahren nach DIN 8580. Top-down-Vorgehensweise  Vorgehensweise bei der vom Abstrakten bzw. Übergeordneten sukzessive hin zum Konkreten bzw. Untergeordneten gearbeitet wird. Urformen  Fertigungsverfahren, bei denen aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. (DIN 8580) Volumenmodell  Im Volumenmodell wird aus den Normalenvektoren der Begrenzungsflächen die Materialseite ermittelt und ein konsistenter Körper gebildet. Physikalische Eigenschaften und Kollisionsprüfung stehen in vollem Umfang zur Verfügung. Voxel  Bei der Aufbringung vom Material im In-Prozess kleinste verwendete Größe. Ein Voxel ist die Analogie zu einem Pixel, welche zur Darstellung von zweidimensionalen Bilddaten in einer Bitmap verwendet werden (Volumenelemente, Volumetric Pixel oder Volumetric Picture Element). Wire and Arc Additive Manufacturing Lichtbogen- und drahtbasierte additive Fer tigung.

Stichwortverzeichnis

A Abkühlgradient 209 Abrollkurve 64 Absorptionsquerschnitt 164 Abstraktionsgrad 23 Abwärmeverteilung 6 Additive Manufacturing (AM) 14 Additive Refurbishment 46 Additive Repair 44 After-Sales-Geschäft 44, 45 AM (Additive Manufacturing) 14 Anforderungsliste 254 Antireflex-Coating 251 Ausnutzungsrate 76 ausrichtbare Halterung 237 Automobilindustrie 30 B Balling-Effekt 78 Bauteileigenschaften 22 Bauteilidentifikationsmethode 226 Beinachsenkorrektur 61 Beschleunigungssystem 112 Biegeradius 253 biokompatibler Werkstoff 59 Bondingeigenschaften 46 Break-Even-Punkt 179 Buy-to-Fly Ratio 215 C CO2-Bilanzierung 178 CO2-Footprint 177 complexity for free 3

D 3D-Drucker on-demand 50 Depositionsrate 205 Design for Additive Manufacturing 15, 16, 20, 22, 25, 144, 224 Design for Mass Customization 235 Designfreiheit 94 Design with Additive Manufacturing 5 Distributed Service-Network 51 Downskin-Fläche 78, 80 Drahterodiermaschine 78 Drahtvorwärmung konduktive 247 Dualphasenstahl-Flachprodukt 32 E Effektintegration 1, 5 Effektkombination 5 Eigenschaften thermomechanische 161 Einheitszelle 95 Elektronenstrahlschmelze 62 Enterprise-Resource-Planning-System 19 Entwicklungsmethodik 2 Ergebnismenge 26 Ersatzteilgeschäftsmodell 50 Extrusionsstrang 144 F Femur-Komponente 63, 67 Fertigungsdurchlaufzeit 74 Fertigungsflexibilität 234 Fertigungsgerechtheit 16

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Lachmayer et al. (Hrsg.), Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61149-4

271

272 Fertigungsrestriktion 124 Festkörperlaser 163 Formula Student 105 Fragebogen 22 Freiheitsgrad 13 Fügecoupon 38 Füllvolumen 130 Fully Stressed Design 112 funktionale Individualisierung 236 funktionsbeeinträchtigende Individualisierung 236 Funktionsintegration 105, 178 Fused Deposition Modeling 247 Fused Filament Fabrication 143 Fuzzy Logik 81 G Gabelschaft 84 Geometriemodell 94 Geschäftsmodell service-orientiertes 45 Gestaltänderung 18 Gestaltungsfreiheit 1 Gestaltungsrichtlinie 14 Gitterstruktur 93 Glaskomponente 7 Glaswerkstoff 246 H Halterung ausrichtbare 237 Hauptspannungstrajektorien 151 Hohlstruktur 219 I Individual-Implantat 59, 70 Individualisierung 18 funktionale 236 funktionsbeeinträchtigende 236 Individualität 70 Infill 144 Inlay-Komponenten 57 Innovationsfähigkeit 43 Instandhaltung 190 K Karosseriefertigung 37 Kavität 132

Stichwortverzeichnis Knie-Computertomogramm 64 Kniegelenkimplantat 57 Femur-Komponente 63, 67 Individualität 70 Inlay 63, 69 Tibia-Komponente 63, 69 Kniegelenktotalendoprothese 62 Knieoberflächenprothese 59, 62 koaxiales Laser-Draht-Auftragschweißen 245 Kollimierung 250 Kompensationskraft 124 konduktive Drahtvorwärmung 247 Konstruktionskompendium 16 Konstruktionsmethode 15 Konstruktionsregel 226 Konvektionskühlung 161 Konzeptionierung 17 Kornwachstum 209 Kühlkörperkonzept 6, 160 Kugellinse 8 Kundennutzensteigerung 235 Kurzlichtbogenprozess 214

L Lagerbestand 47 LAM (Laser-Additive-Manufacturing) 32 Laser-Additive-Manufacturing 32 Laserauftragsschweißen 46 Laser-Draht-Auftragschweißen koaxiales 245 Laser Glass Deposition (LGD) 8 Laserkristall 160 Laser Powder Bed Fusion 160, 247 Laserstrahlschmelzen selektives 45, 107 Laservibrometer 136 Lattice-Struktur 144 LGD (Laser Glass Deposition) 8 Lifecycle Kosten 74 Lösungskonzept 22 Lösungsraumerweiterung 225

M Maßanpassung 58 Materialeffizienz 187 Materialfördersystem 248 Materialmodell orthotropes 148

Stichwortverzeichnis materialspezifische Restriktion 18 Mesostruktur 148 Mesostrukturmodellierung 147 MIPS-Analyse 186 Mittelkonsole 236 Mittelmangankonzept 32 MTM-Analyse 83 Multimaterialkomponente 3 Multimaterialstruktur 206 Multimaterialsystem 7 Multiphysik-Simulation 167 N Nachhaltigkeit 177 Nahtauslauf 219 Nd:YAG-Kristall 160 Nutzenversprechen 227 O Oberflächenprothese 59, 62 Öko-Bilanzierung 178 offene Strahlführung 253 optomechanisches System 248 orthotropes Materialmodell 148 P Parametrisierung 95 Partikeldämpfer 124 Anregungsart 129 Patellalaufbahn 67 Pedalerie 106 Penalty-Faktor 110 Poisson-Disk-Sampling 93 Poisson-Verteilung 95 Post-Processing 74 Potenzialabschätzung 22, 184 Potenzialausschöpfung 234 Potenzialsystematik 227 Produktentwicklung 14 Leitlinie 14 Produktentwicklungsphase 14 Produktentwicklungsprozess 15, 226 Produktenwicklungszeit 3 Produktlebenszyklus 15 Prognosegenauigkeit 82 Prozesskette 76 Prozessvarianz 86

273 Pseudodichte 109 Pulverinteraktion 137 Pumpverlust 6 Q Qualitätssicherung 185 Quarzglasfaser 252 Querschliff 37 R Rapid Prototyping 2, 234 Ratterschwingungen 136 Recyclingstruktur 189 REFA-Methode 74 Regeneration 45 Relativbewegung 114 Ressourceneffizienzerhöhung 187 Ressourcenschutz 185 Restriktion 231 materialspezifische 18 S Saatpunkt 96 Schlüsselaktivität 48 Schlüsselpartner 48 Schlüsselressource 48 Schnittebenen-Orientierung 46 Schweißeignung 208 Schweißgut 247 Schwingungsdämpfung 125 Schwingungsisolierung 125 Segmentierungsverfahren 69 selektives Laserstrahlschmelzen 45, 107 service-orientiertes Geschäftsmodell 45 Slicer-Software 145 Solid Isotropic Microstructure with Penalization 109 Solid-Void-Struktur 110 Steifigkeitsmatrize 150 Störgeometrie 253 Strahlführung offene 253 Strahlteiler 250 Strukturbauteil 2 Strukturoptimierung 94 Supportstruktur 94 Systemdämpfung 127

274 T TechCenter 20 Teilfunktion 5 Temperaturgradient 162 Temperaturverteilung 6 thermomechanische Eigenschaften 161 Tibia-Komponente 63, 69 Topologieoptimierung 84, 97, 107, 150 Totalendoprothese 62 Turbinenverdichter-Flügel 47 Turbulator 166

Stichwortverzeichnis Voronoi-Gittertopologie 101 Voronoi-Struktur 95 Voxel 98 Voxelmodell 100

U Upskin-Fläche 80

W WAAM (Wire and Arc Manufacturing) 203 Wärmebehandlung 35 Wärmedurchgangswiderstand 168 Wärmeleitfähigkeit 3 Wendeschneidplattenhalter 135 Werkstoff biokompatibler 59 Wire and Arc Manufacturing (WAAM) 203

V Versagensbild 38 von-Mises-Spannung 170 Voronoi-Diagramm 93

Z Zerstäubungsprozess 33 Zielkonflikt 229 Zielkonfliktmatrix 230