Laser-Sintern. Die Schluesseltechnologie des e-Manufacturing TM

e-Manufacturing™, das ist die schnelle, flexible und kostengünstige Fertigung von Produkten, Formen/Werkzeugen oder Modellen direkt aus elektronischen Daten. e-Manufacturing™ schließt Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Rapid Manufacturing ein, geht aber zugleich weit über den Gedanken der schnellen Verfügbarkeit hinaus. Zwar wird auch in Zukunft die schnelle Produktentwicklung eine immer wichtigere Rolle spielen, bei der e-Manufacturing™ für ein verkürztes Time to Market sorgt, Entwicklungskosten verringert und zur Risikominimierung beiträgt. Darüber hinaus entstehen aber auch neue Geschäftsmodelle, da Kleinserienproduktion, steigende Variantenvielfalt und eine individualisierte Produktion (Mass Customization) plötzlich möglich und wirtschaftlich sind und sich neue Logistikkonzepte wie (Spare) parts on demand entwickeln. Die neue Konstruktionsfreiheit des Laser-Sinterns ermöglicht neue Produktkonzepte. Minimale Einschränkungen durch das Fertigungsverfahren erlauben funktionelle Integration und die Fertigung des „Unmöglichen“, da kreisförmige und lineare Werkzeugbewegungen das Produktdesign nicht mehr beeinflussen bzw. limitieren. Auch die Fertigungskonzepte unterliegen einem Wandel und werden deutlich flexibler. Werkzeuglose Produktion, losgrößenangepasste Fertigung und dezentrale Fertigung on demand sind die Schlagworte der Zukunft. Der vorliegende Beitrag zeigt Beispiele für den erfolgreichen kommerziellen Einsatz von Laser-Sintern in allen Phasen des Produktlebenszyklus. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der direkten Herstellung von Funktionsteilen in der Serienfertigung. Die entscheidenden Faktoren für eine erfolgreiche Einführung und Anwendung von e-Manufacturing™ werden diskutiert. Der Beitrag zeigt auf, wie die neuesten technologischen Innovationen im Laser-Sintern, speziell zur Produktivitätssteigerung, das Spektrum der Anwendungsfelder erweitern, in denen dieses Fertigungsverfahren kostengünstige Lösungen bietet.

Grundlagen des Rapid Prototyping

Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid Prototyping Verfahren bekannt und haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technologie zur Fertigung erschlossen. Rapid Technologien werden daher zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien. Die Anwendertagung Rapid.Tech befasst sich mit den neuen Verfahren zur direkten Produktion und den daraus erwachsenden Chancen für Entwickler und Produzenten. Die Kenntnis der Rapid Prototyping Verfahren wird bei den meisten Fachvorträgen auf der Rapid.Tech vorausgesetzt. Für diejenigen, die sich bisher mit generativen Verfahren noch nicht beschäftigt haben, oder die ihre Grundkenntnisse schnell auffrischen wollen, haben wir die folgenden Zusammenfassung der Grundlagen der generativen Fertigungstechnik, der heutigen Rapid Prototyping Verfahren, zusammengestellt.

Lamellenwerkzeuge mit konturfolgender Kuehlung für Spritzguss- und Schaeumwerkzeuge

Die Verkürzung der Zeit von der Produktidee bis zur Markteinführung wird für Unternehmen in nahezu allen Branchen zunehmend zum Wettbewerbsfaktor. Fertigungsverfahren, bei denen kein Material abgetragen sondern aufgebaut wird, können in diesem Zusammenhang ein Alternative zur konventionellen Fertigung darstellen. Ein generatives Verfahren, welches besonders zur schnellen Fertigung von Prototypwerkzeugen mit Kantenlängen größer 300 mm geeignet ist, ist das Metal Laminated Tooling (MELATO®). Bei diesem Verfahren werden komplex geformte Werkzeuge aus Stahlblechzuschnitten zusammengesetzt und in Abhängigkeit vom Anwendungsgebiet kraft- oder stoffschlüssig verbunden. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden arbeitet gemeinsam mit industriellen Partnern aus den Gebieten Werkzeug- und Anlagenbau sowie Softwareentwicklung und Sensorik an einer Automatisierungslösung für das Schneiden, Paketieren und Fügen von Blechzuschnitten. Damit soll die Fertigungszeit großer Werkzeuge von derzeit etwa 12 Wochen auf eine Woche verkürzt werden. Neben der Anwendung im Bereich der Präge- oder Tiefziehwerkzeuge ist das Verfahren prädestiniert für die Herstellung von Spritzgusswerkzeugen mit konturfolgenden Kühlkanälen. Die Darstellung der Prozesskette, möglicher Verbindungstechnologien und realisierte Anwendungen sind Gegenstand des vorliegenden Beitrages.

Präzisionsfeinguss

Oftmals werden Prototypen und Kleinserien in einem Produktentwicklungsprozess benötigt. Während bei Teilen aus Kunststoff auf dem Markt eine Vielzahl von direkten und indirekten Verfahren mit einer großen Materialauswahl existieren, gibt es bei metallischen Teilen bedeutend weniger Möglichkeiten, diese schnell zu erzeugen. Bei komplexen Geometrien scheiden konventionelle Technologien aus. Oftmals wegen der Machbarkeit bzw. hoher Kosten und langer Fertigungszeiten. Beim Metallsintern bzw. analogen Verfahren (Melting, Cusing, …) ist die gegenwärtig noch stark eingeschränkte Anzahl der zur Verfügung stehenden Materialien vielfach Ausschlusskriterium. Als alternative Technologie wird deshalb vielfach das Feingießen nach dem Wachsausschmelzverfahren eingesetzt. Damit können präzise Prototypen und Kleinserien in allen gießbaren Materialien sowie einer hohen Oberflächenqualität und Detailtreue erzeugt werden. Setzt man dabei das Vakuum-Differenzdruckverfahren ein, bei dem die Wachstrauben in Küvetten eingebettet werden, stehen innerhalb weniger Tage Feingussteile zur Verfügung. Im Vortrag wird am Beispiel von zwei Projekten gezeigt, wie sowohl für Kleinserien als auch für die Losgröße 1 mit Hilfe moderner Feingussverfahren äußerst schnell und kostengünstig Teile aus Aluminium- oder Zinklegierungen mit komplexen Geometrien hergestellt werden können. Im ersten Projekt wird das Herstellen einer Kleinserie von Schaufelrädern mit räumlich gekrümmten Schaufeln für Kühlmittelpumpen des Automobilrennsports dargestellt. Die Geometrie lässt in diesem Fall kein konventionelles Fertigungsverfahren zu. Über Stereolithographiemodell und Silikonform werden Wachsmodelle erzeugt, die mittels Aluminiumfeinguss in das entsprechende metallische Teil überführt werden. Im zweiten Beispiel wird gezeigt, wie ausschmelz- bzw. ausbrennbare Rapid Prototyping Modelle direkt im Feingussprozess eingesetzt werden, um schnell und kostengünstig auch die Losgröße 1 zu realisieren. Dabei werden auch die Vor- und Nachteile gegenüber dem klassischen Feinguss aufgezeigt.

Nutzt der Konstrukteur schon alle Chancen der generativen Fertigung?

Mit der Nutzung der CAD-Techniken hat sich vieles im Arbeitsablauf des Konstrukteurs verändert. Vor allem beschleunigte sich die Entwicklung mit den Rapid Techniken. Die Entwicklungszeit wurde verkürzt und die Formenfreiheit und Teilekomplexität wurde vergrößert. Der zunehmende Trend nach Variantenvielfalt, kurzen Produktlebenszyklen und geringen Fertigungsstückzahlen, führt zwangsläufig zu einer neuen Betrachtungsweise der verfügbaren Fertigungsprozesse und Werkstoffe.

Optimierung der Eigenschaften von thermoplastischen Lasersinter-Bauteilen

Das Lasersintern (LS) hat sich als generatives Verfahren zur schichtweisen Fertigung von Modellen und Prototypen aus CAD-Daten etabliert. Die Möglichkeit werkzeuglos beliebig komplexe Bauteile zu erstellen birgt großes Potential für die zukünftige Fertigung von Einzelstücken und Kleinserien. Da die verfügbare Technologie starke Schwankung der Qualität mit sich bringt, stellt sich jedoch die Frage nach der prinzipiellen Leistungsfähigkeit des Verfahrens. Die Professur Fertigungstechnik an der Universität Duisburg-Essen verfügt über eine Sinterstation 2000 und hat sich näher mit dieser Problematik befasst um zu untersuchen, welche Qualität bei gegebener Anlagentechnik unter Verwendung eines gängigen Lasersinter-Werkstoffes erreichbar ist.

SD300 – 3D Drucken wie es sein soll

Rapid Technologien haben sich im Laufe der letzten Jahre fest im Produktentstehungsprozess der BMW Group etabliert und bilden in den meisten Fällen bei der Prototypenherstellung eine zeit- und kostengünstige Alternative zu konventionellen Herstellungsmethoden. Neben der geometrischen Absicherung werden generative Verfahren vermehrt zur so genannten „Funktionalen Erprobung“ herangezogen.

Kundenorientierte Optimierung generativer Herstellungsprozesse

Kundenorientierte Optimierung generativer Herstellungsprozesse

Puzik_Inkrementelle_Umformung

Der Artikel beschreibt neue Ansätze in der inkrementellen Einzelpunkt-Umformung plattenförmiger Kunststoff-Werkstoffe. Die inkrementelle Umformung ist ein innovatives und verglichen mit konventionellen Umformverfahren kostengünstiges Fertigungsverfahren. Insbesondere für Prototypen und Kleinserienfertigungen gibt es Kosteneinsparungen, da auf große und teure Umformwerkzeuge verzichtet werden kann. Das Abfahren eines Umformstempels auf kreisförmigen Bahnen ermöglicht die Formgebung komplexer dreidimensionaler Produkte. Im Gegensatz zum Tiefziehen kann aufgrund der geringen Umformkräfte und Steifigkeitsminderung des Kunststoffmaterials durch Erwärmung auf einen Industrieroboter zurückgegriffen werden. Im Weiteren soll die Idee und Prozess-Entwicklung des Ansatzes zur inkrementellen Kunststoffumformung (IKU) beschrieben werden. Das Potential und die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber bestehenden Verfahren werden gezeigt, bevor die nötigen Schritte für die Herstellung eines Kunststoffformteils dargestellt werden. Die Realisierung der Prozessidee mit Hilfe eines prototypischen Roboterwerkzeugs wird anhand erster Umformergebnisse verschiedener Kunststoffbauteile vorgestellt. Weitere ermittelte Optimierungsschritte und Verbesserungen dieses Fertigungsprozesses werden abschließend dargestellt, um ein zukünftiges und industriell einsetzbares, roboterbasiertes, inkrementelles Umformverfahren weiter zu entwickeln.

Rapid Manufacturing - auch mit SLM

Rapid Manufacturing (RM) wurde als Schlagwort in der letzten Zeit insbesondere aus dem Bereich des Selective Laser Sintering (SLS) bekannt. In dieser inzwischen über 15-jährigen Technologieentwicklung wurden in den vergangenen Jahren bedeutende Fortschritte erzielt, die die Bauteileigenschaften nahe an die Anforderungen für End-Teile heran brachten. So ist das RM denn auch weniger aus der Sicht grösserer Losgrösse zu verstehen. Viel mehr bedeutet Rapid Manufacturing, dass die Bauteile nach einer generativen Fertigung direkt im Endprodukt resp. der Endanwendung zum Einsatz kommt. Das Selective Laser Melting, mit welchem aus metallischen Pulvermaterialien direkt Metallteile in Standardmaterialien hergestellt werden können, ist aufgrund der guten Materialeigenschaften für RM prädestiniert. In den ersten Anwendungsfeldern des SLM–Verfahrens standen die Herstellung von Werkzeugeinsätzen mit konturnaher Kühlung (Conformal Cooling) im Vordergrund, wobei diese Werkzeuge unter dem Begriff RM verstanden werden müssen, da die Werkzeuge direkt für die Endanwendung - den Spritzgussprozess - verwendet werden. Aktuelle Trends gehen jedoch in Richtung der Fertigung von Funktionsteilen z.B. für den Maschinenbau. Obwohl sich in der Fertigung komplexer Funktionsteile noch Probleme, z.B. mit in Bezug auf die generative Baurichtung überhängender Bauteilstrukturen ergeben, zeigen sich trotzdem erhebliche Vorteile eines RM mittels SLM. Neben klaren Vorteilen durch das mögliche Customizing von Bauteilen können bei kleineren Bauteilgrössen auch erhebliche Kostenvorteile erzielt werden. Allerdings zeigen die Grenzen der aktuellen Möglichkeiten, in welchen Bereichen das SLM-Verfahren weiterer Entwicklung bedarf. Themen wie Produktivität, die Problematik der nach wie vor notwendigen Supportstrukturen wie auch Qualitätssicherung müssen in den nächsten Jahren angegangen werden, wenn dieses Verfahren den Schritt hin zu einem etablierten Produktionsverfahren und damit zu breiterer Akzeptanz und Anwendung finden soll

Auswirkung des anisotropen Gefüges strahlgeschmolzener Bauteile auf mechanische Eigenschaftswerte

Die Strahlschmelztechnologie entwickelt sich in vielen Anwendungsbereichen zu einer echten Alternative zu den konventionellen Fertigungsverfahren. Dieser Trend wird gerade durch die Verarbeitung von serienidentischen, einkomponentigen Pulvern zur Herstellung metallischer Bauteile verstärkt, wodurch sich wiederum neue Entwicklungs- und Einsatzpotentiale ergeben. Allerdings weisen die Strahlschmelzbauteile keine vollkommen übereinstimmenden Werkstoffkennwerte im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Bauteilen auf, wodurch die Akzeptanz durch Industrie und Forschung eingeschränkt wird. Eine exakte Beschreibung (Nachweis) der Materialeigenschaften von strahlgeschmolzenen Bauteilen wird in dem Maße wichtiger, mit dem diese Verfahren zur Fertigung von Endprodukten herangezogen werden. Weiterhin spielt die Anisotropie des Gefüges strahlgeschmolzener Bauteile eine große Rolle. Aus diesem Grund wurden im RTC Duisburg umfangreiche Festigkeitsuntersuchungen (statisch und dynamisch) in Abhängigkeit von der Baulage, des Oberflächenzustandes und verschiedener Belichtungsstrategien durchgeführt. In diesem Vortrag werden ausgewählte Ergebnisse zu den Untersuchungen vorgestellt.

Funktionalisierte Bauteile durch Selektives Maskensintern

Das Selektive Maskensintern ist ein neues, pulverbasiertes Additives Fertigungsverfahren. Das schichtweise aufgebrachte Kunststoffpulver wird hier flächig über einen Infrarotstrahler belichtet und aufgeschmolzen. Das Verfahren bietet ein großes Potential dreidimensionale, wärmeleitfähige Bauteile mit beliebiger Geometrie herzustellen. In diesem Beitrag wird darauf eingegangen, wie kommerziell erhältliches Polyamid 12-Pulver mit thermisch leitfähigen Füllstoffen, wie Aluminiumgrieß und Kupferkugeln, modifiziert und funktionalisierte Bauteile hergestellt werden können. Prozessrelevante Materialeigenschaften werden mittels Differential Scanning Kalorimetrie, Rotationsviskosimetrie und der Wärmeleitfähigkeit der modifizierten Pulver bestimmt. An den gefertigten Bauteilen wird die ausgebildete Morphologie, die mechanischen Eigenschaften als auch die Bauteilwärmeleitfähigkeit untersucht.

Simulationsgestütztes Design eines Spritzgieß-Werkzeugeinsatzes mit kontur-angepasster Kühlung

Moderne generische Fertigungsverfahren für innengekühlte Werkzeuge bieten nahezu beliebige Freiheitsgrade zur Gestaltung konturnaher Kühlkanäle. Daraus resultiert ein erhöhter Anspruch an das Werkzeugengineering und die Optimierung der Kühlleistung. Geeignete Simulationsverfahren (wie z.B. Computational Fluid Dynamics - CFD) unterstützen die optimierte Werkzeugauslegung in idealer Weise. Mit der Erstellung virtueller Teststände können Varianten effizient und kostengünstig verglichen und die Kosten für Prototypen und Nacharbeiten reduziert werden. Im Computermodell des Werkzeugs erlauben Soft-Sensoren an beliebiger Position die Überwachung temperatur-kritischer Stellen sowohl im Fluid- als auch im Solidbereich. Der hier durchgeführte Benchmark vergleicht die Performance eines optimierten Werkzeugeinsatzes mit einer konventionellen Kühlung. Die im virtuellen Prozess vorhergesagte Zykluszeitreduzierung steht in guter Übereinstimmung mit realen Experimenten an den ausgeführten Werkzeugen.

Besonderheiten bei der Auslegung und Gestaltung lasergesinterter Bauteile

Mit der Entwicklung der losgrößenunabhängigen, additiven Fertigungsverfahren eröffnen sich vollkommen neue Wege zur Realisierung von komplexen Integralbauteilen bei niedrigen Stückzahlen. Bei der Bauteilgestaltung müssen (verglichen mit traditionellen Herstellverfahren, beispielsweise Spritzgießen) weniger Fertigungsrestriktionen beachtet werden. Dennoch ist die Gestaltungsfreiheit nicht unbegrenzt. In diesem Beitrag werden basierend auf dem Gedanken des Fertigungsgerechten Konstruierens Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Gestaltung von additiv gefertigten Bauteilen herausgestellt. Darauf aufbauend werden Potenziale aufgezeigt, wie Produktentwickler in Zukunft bei der Auslegung und Gestaltung solcher Produkte unterstützt werden können.

Blattmeier

Technische Produktionssysteme und Prozesse - welcher Technologie auch immer - müssen den Bedürfnissen der industriellen Bauteilherstellung für Endanwendungen im Automobilbau entsprechen. Es stellt sich zunächst die Frage, auf welchem technologischen Reifegrad sich die generativen Technologien für den Automobilbau derzeit befinden? Welche außerordentlichen Vorteile können generative Prozessketten gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren bieten und welche Hürden müssen genommen werden? Im Vordergrund der Untersuchung steht die Betrachtung von Pre-, In- und Post-Prozessen generativer wie auch konventioneller Produktionsverfahren. Bei der Gegenüberstellung der Prozessketten werden Maßstäbe angesetzt, die derzeit bei der Bauteilherstellung im Automobilbau Gültigkeit haben und auf Kriterien wie Effizienz, Reproduzierbarkeit und Kontrollierbarkeit aufbauen. Schließlich findet eine Einschätzung aus der Perspektive der Technologieintegration in derzeitige Produktionssysteme und Lieferketten statt. Es werden Restriktionen und Handlungsfelder von generativen Prozessen deutlich, die für den Einsatz für Endkunden-Bauteile im Fahrzeugbau behandelt werden müssen.