Rapid Manufacturing in der Kleinserienproduktion

Die enormen Fortschritte der Rechentechnik in den vergangenen 60 Jahren ermöglichten vielfältige Berechnungen, Simulationen und nicht zu letzt 3D-Konstruktionen sowie deren einheitliches Beschreiben mittels 3D-Flächendaten. Ebenso wurde es möglich real existierende Gegenstände zu vermessen und als 3D-Geometrie datentechnisch zu hinterlegen.

Möglichkeiten des Rapid Manufacturing im Sondermaschinenbau

Durch eine praxisnahe Beratung von Konstrukteuren und Einkäufern auch in kleineren Firmen, konnten gewinnbringende Einsatzmöglichkeiten im Sondermaschinenbau realisiert werden. Die Rapid Manufacturing Anwendungen die sehr erfolgreich im Luftführungsbereich eingesetzt sind, weisen deutliche Vorteile für den Kunden auf.

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

Die generative Herstellung von Dentalmodellen- eine Rapid Manufacturing Herausforderung

Heutzutage stehen zunehmend – z.B. durch den raschen Fortschritt bei den bildgebenden Verfahren – digitale Datensätze im Dentalbereich zur Verfügung. CAD/CAM-syteme gehören dabei in der Zahntechnik längst zum Stande der Technik. Für die Anwendung derartiger Systeme ist jedoch ein Gipsmodell nötig, welches zum Beginn der Prozesskette vom Zahntechniker mittels eines optischen Scanners digitalisiert wird. Die Weiterentwicklung intraoraler Scanner ermöglicht heutzutage außerdem die Digitalisierung ganzer Kiefer im Patientenmund durch den Zahnarzt. Insbesondere für z.B. die ästhetischen Restaurationen bildet hier das zahntechnische Modell nach wie vor die unersetzliche Arbeitsgrundlage für den Techniker. In der vorliegenden Arbeit wird dazu ein Rapid Manufacturing Verfahren zur Herstellung von Dentalmodellen auf Basis der Stereolithographie vorgestellt. Dabei wird auf die besonderen Anforderungen hinsichtlich Präzision, Robustheit und Wirtschaftlichkeit von generativen Fertigungsverfahren für dentale Applikationen eingegangen und eine neu entwickelte Baustrategie vorgestellt, mittels derer die o.g. Anforderungen erfüllt werden

Trends and Expertise Exchange within Rapid Manufacturing in Europe

Rapid Manufacturing (RM) umfasst den Begriff der direkten und wirtschaftlichen Bauteilherstellung des Serienprodukts aus 3D-Daten. Die Hauptvorteile sind u.a. das Wegfallen von Werkzeugen und eine Designfreiheit in der Produktentwicklung, die noch vor wenigen Jahren undenkbar war. Wenngleich heute eine Vielzahl von Werkstoffen im Kunststoff- und Metallbereich einsetzbar sind, konzentriert sich die Verbreitung des RM allerdings auf besondere Technologie- und Wirtschaftszweige, aufgrund mangelnder Erfahrungswerte, teilweise abweichender Werkstoffeigenschaften, fehlender Standards und ungeeigneter Testmethoden. In der Praxis sind Ingenieure und Techniker stark darauf bedacht, auf etablierte Abläufe und Standards zurückzugreifen. Es ist daher schwer einen geeigneten RM-Prozess aufzubauen, wo wichtige Eingangsgrößen meist unbekannt sind. In diesem Bericht wird beschrieben, welche Informationskanäle es innerhalb Europas zum Thema RM gibt und welche Hochschulen und Forschungszentren Aktivitäten aufweisen. Darüber hinaus werden Anwendungsfelder des RM aufgeführt, die über die bekannten Anwendungsfelder hinaus gehen. Dazu gehören Anwendungen im Bereich der Elektrotechnik, Raumfahrtinstrumentation und der Mode. Obwohl nicht alle Anwendungen des RM in diesem Bericht aufgeführt werden, sind einige Schlüsselinformationen im Bereich innovativer Anwendungen von RM enthalten.

Revenue Management in Make-To-Order Manufacturing: Case Study of Capacity Control at ThyssenKrupp VDM

While revenue management (RM) is traditionally considered a tool of service operations, RM shows considerable potential for application in manufacturing operations. The typical challenges in make-to-order manufacturing are fixed manufacturing capacities and a great variety in offered products, going along with pronounced fluctuations in demand and profitability. Since Harris and Pinder in the mid-90s, numerous papers have furthered the understanding of RM theory in this environment. Nevertheless, results to be expected from applying the developed methods to a practical industry setting have yet to be reported. To this end, this paper investigates a possible application of RM at ThyssenKrupp VDM, leading to considerable improvements in several areas.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Ansätze zum Management der Additive Manufacturing Supply Chain

Da sich Additive Manufacturing (AM) von traditionellen Produktionsverfahren unterscheidet, entstehen neue Möglichkeiten im Produktdesign und im Supply Chain Setup. Die Auswirkungen der Aufhebung traditionellen Restriktionen im Produktdesign werden unter dem Begriff „Design for Additive Manufacturing“ intensiv diskutiert. In gleicher Weise werden durch AM Restriktionen im traditionellen Supply Chain Setup aufgehoben. Insbesondere sind die folgenden Verbesserungen möglich: Reduktion von Losgrössen und Lieferzeiten, bedarfsgerechte Produktion auf Abruf, dezentrale Produktion, Customization auf Ebene Bauteil und kontinuierliche Weiterentwicklung von Bauteilen. Viele Firmen investieren nicht selbst in die AM Technologien, sondern kaufen Bauteile bei Lieferanten. Um das Potential der AM Supply Chain mit Lieferanten umzusetzen, entstehen die folgenden Anforderungen an AM Einkaufsprozesse. Erstens muss der Aufwand pro Bestellung reduziert werden. Zweitens brauchen AM Nutzer einen direkten Zugang zu den Lieferanten ohne Umweg über die Einkaufsabteilung. Drittens müssen geeignete AM Lieferanten einfach identifiziert werden können. Viertens muss der Wechsel von Lieferanten mit möglichst geringem Aufwand möglich sein. Ein mögliche Lösung sind AM spezifische E-Procurement System um diese Anforderungen zu erfüllen

In vitro precision of fit of computer-aided design and computer-aided manufacturing titanium and zirconium dioxide bars

OBJECTIVES Optical scanners combined with computer-aided design and computer-aided manufacturing (CAD/CAM) technology provide high accuracy in the fabrication of titanium (TIT) and zirconium dioxide (ZrO) bars. The aim of this study was to compare the precision of fit of CAD/CAM TIT bars produced with a photogrammetric and a laser scanner. METHODS Twenty rigid CAD/CAM bars were fabricated on one single edentulous master cast with 6 implants in the positions of the second premolars, canines and central incisors. A photogrammetric scanner (P) provided digitized data for TIT-P (n=5) while a laser scanner (L) was used for TIT-L (n=5). The control groups consisted of soldered gold bars (gold, n=5) and ZrO-P with similar bar design. Median vertical distance between implant and bar platforms from non-tightened implants (one-screw test) was calculated from mesial, buccal and distal scanning electron microscope measurements. RESULTS Vertical microgaps were not significantly different between TIT-P (median 16μm; 95% CI 10-27μm) and TIT-L (25μm; 13-32μm). Gold (49μm; 12-69μm) had higher values than TIT-P (p=0.001) and TIT-L (p=0.008), while ZrO-P (35μm; 17-55μm) exhibited higher values than TIT-P (p=0.023). Misfit values increased in all groups from implant position 23 (3 units) to 15 (10 units), while in gold and TIT-P values decreased from implant 11 toward the most distal implant 15. SIGNIFICANCE CAD/CAM titanium bars showed high precision of fit using photogrammetric and laser scanners. In comparison, the misfit of ZrO bars (CAM/CAM, photogrammetric scanner) and soldered gold bars was statistically higher but values were clinically acceptable.

Cardiopulmonary performance testing using a robotics-assisted tilt table: Feasibility assessment in able-bodied subjects

BACKGROUND: Robotics-assisted tilt table technology was introduced for early rehabilitation of neurological patients. It provides cyclical stepping movement and physiological loading of the legs. The aim of the present study was to assess the feasibility of this type of device for peak cardiopulmonary performance testing using able-bodied subjects. METHODS: A robotics-assisted tilt table was augmented with force sensors in the thigh cuffs and a work rate estimation algorithm. A custom visual feedback system was employed to guide the subjects' work rate and to provide real time feedback of actual work rate. Feasibility assessment focused on: (i) implementation (technical feasibility), and (ii) responsiveness (was there a measurable, high-level cardiopulmonary reaction?). For responsiveness testing, each subject carried out an incremental exercise test to the limit of functional capacity with a work rate increment of 5 W/min in female subjects and 8 W/min in males. RESULTS: 11 able-bodied subjects were included (9 male, 2 female; age 29.6 ± 7.1 years: mean ± SD). Resting oxygen uptake (O_{2}) was 4.6 ± 0.7 mL/min/kg and O_{2}peak was 32.4 ± 5.1 mL/min/kg; this mean O_{2}peak was 81.1% of the predicted peak value for cycle ergometry. Peak heart rate (HRpeak) was 177.5 ± 9.7 beats/min; all subjects reached at least 85% of their predicted HRpeak value. Respiratory exchange ratio (RER) at O_{2}peak was 1.02 ± 0.07. Peak work rate) was 61.3 ± 15.1 W. All subjects reported a Borg CR10 value for exertion and leg fatigue of 7 or more. CONCLUSIONS: The robotics-assisted tilt table is deemed feasible for peak cardiopulmonary performance testing: the approach was found to be technically implementable and substantial cardiopulmonary responses were observed. Further testing in neurologically-impaired subjects is warranted.

Comparison of peak cardiopulmonary performance parameters on a robotics-assisted tilt table, a cycle and a treadmill

Robotics-assisted tilt table (RATT) technology provides body support, cyclical stepping movement and physiological loading. This technology can potentially be used to facilitate the estimation of peak cardiopulmonary performance parameters in patients who have neurological or other problems that may preclude testing on a treadmill or cycle ergometer. The aim of the study was to compare the magnitude of peak cardiopulmonary performance parameters including peak oxygen uptake (VO2peak) and peak heart rate (HRpeak) obtained from a robotics-assisted tilt table (RATT), a cycle ergometer and a treadmill. The strength of correlations between the three devices, test-retest reliability and repeatability were also assessed. Eighteen healthy subjects performed six maximal exercise tests, with two tests on each of the three exercise modalities. Data from the second tests were used for the comparative and correlation analyses. For nine subjects, test-retest reliability and repeatability of VO2peak and HRpeak were assessed. Absolute VO2peak from the RATT, the cycle ergometer and the treadmill was (mean (SD)) 2.2 (0.56), 2.8 (0.80) and 3.2 (0.87) L/min, respectively (p < 0.001). HRpeak from the RATT, the cycle ergometer and the treadmill was 168 (9.5), 179 (7.9) and 184 (6.9) beats/min, respectively (p < 0.001). VO2peak and HRpeak from the RATT vs the cycle ergometer and the RATT vs the treadmill showed strong correlations. Test-retest reliability and repeatability were high for VO2peak and HRpeak for all devices. The results demonstrate that the RATT is a valid and reliable device for exercise testing. There is potential for the RATT to be used in severely impaired subjects who cannot use the standard modalities.

Feasibility of cardiopulmonary exercise testing and training using a robotics-assisted tilt table in dependent-ambulatory stroke patients

BACKGROUND: We evaluated the feasibility of an augmented robotics-assisted tilt table (RATT) for incremental cardiopulmonary exercise testing (CPET) and exercise training in dependent-ambulatory stroke patients. METHODS: Stroke patients (Functional Ambulation Category ≤ 3) underwent familiarization, an incremental exercise test (IET) and a constant load test (CLT) on separate days. A RATT equipped with force sensors in the thigh cuffs, a work rate estimation algorithm and real-time visual feedback to guide the exercise work rate was used. Feasibility assessment considered technical feasibility, patient tolerability, and cardiopulmonary responsiveness. RESULTS: Eight patients (4 female) aged 58.3 ± 9.2 years (mean ± SD) were recruited and all completed the study. For IETs, peak oxygen uptake (V'O2peak), peak heart rate (HRpeak) and peak work rate (WRpeak) were 11.9 ± 4.0 ml/kg/min (45 % of predicted V'O2max), 117 ± 32 beats/min (72 % of predicted HRmax) and 22.5 ± 13.0 W, respectively. Peak ratings of perceived exertion (RPE) were on the range "hard" to "very hard". All 8 patients reached their limit of functional capacity in terms of either their cardiopulmonary or neuromuscular performance. A ventilatory threshold (VT) was identified in 7 patients and a respiratory compensation point (RCP) in 6 patients: mean V'O2 at VT and RCP was 8.9 and 10.7 ml/kg/min, respectively, which represent 75 % (VT) and 85 % (RCP) of mean V'O2peak. Incremental CPET provided sufficient information to satisfy the responsiveness criteria and identification of key outcomes in all 8 patients. For CLTs, mean steady-state V'O2 was 6.9 ml/kg/min (49 % of V'O2 reserve), mean HR was 90 beats/min (56 % of HRmax), RPEs were > 2, and all patients maintained the active work rate for 10 min: these values meet recommended intensity levels for bouts of training. CONCLUSIONS: The augmented RATT is deemed feasible for incremental cardiopulmonary exercise testing and exercise training in dependent-ambulatory stroke patients: the approach was found to be technically implementable, acceptable to the patients, and it showed substantial cardiopulmonary responsiveness. This work has clinical implications for patients with severe disability who otherwise are not able to be tested.