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.

Funktionsintegration im Werkzeugbau durch laseradditive Fertigung

Werkzeugbauer stellen anspruchsvolle Spritzgießwerkzeuge als Einzelanfertigung oder in kleiner Stückzahl her. Dabei unterliegen sie einem hohen Zeit- und Kostendruck durch die Forderung der Kunden nach einer kurzen Time-to-Market und der Konkurrenz aus Niedriglohnländern. Eine Innovation des Werkzeugbaus zur Reduzierung von Zeit und Kosten ist die Integration von zusätzlichen Funktionen in bestehende Komponenten. Am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der TU Hamburg-Harburg wurde in Zusammenarbeit mit Werkzeugbau Siegfried Hofmann und Concept Laser ein Druckluftauswerfersystem für Spritzgießwerkzeuge entwickelt. Dieses System kann klassische Auswerferstifte vollständig ersetzen. Die Integration von Druckluftauswerfern in laseradditiv gefertigte Werkzeugeinsätze mit konturnaher Kühlung erfolgt kostenneutral, da sich die Fertigungszeit des Einsatzes durch das zusätzliche System nicht verlängert und eine Druckluftsteuerung bereits in Spritzgießmaschinen vorhanden ist. Zusätzlich entfällt durch das Druckluftauswerfersystem das komplette mechanische Auswerferpaket. Durch diese Einsparungen reduzieren sich Zeit und Kosten für das Werkzeug.

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.

Produktentwicklung von Druckgussteilen

Die Produktentwicklung von Druckgussteilen kann flexibel, wirtschaftlich und schnell durch die Herstellung von RP-Unikaten und Metallabgüssen aus Keramikschalen realisiert werden. Dieser Weg eignet sich vor allem für komplexe Bauteile und macht eine Produkterprobung mit qualitativ deutlich verbesserter Aussagekraft trotz reduzierter Entwicklungskosten möglich. In Abgrenzung zum Sandguss, muss die Konstruktion der Bauteile nicht verändert werden. 
Durch eine gezielte Wärmebehandlung wird die Vergleichbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Prototypen zu späteren Serienteilen möglich. Technisch sinnvolle Änderungen sind leicht und flexibel realisierbar, da werkzeuglos gefertigt wird. Für unerreichbare Hohlräume und Hinterschnitte kann in diesem Verfahren mit Keramikkernen als Einleger gearbeitet werden. Auch diese Kerne können werkzeuglos hergestellt werden. Ein Verzicht auf technisch Sinnvolles aus Kostengründen ist damit hinfällig.
In der Konstruktion ergeben sich neue Freiheitsgrade, so dass Ziele im Leichtbau, die Einsparung von Verbindungstechnik oder die erhöhte Materialeffizienz realisierbar werden. Die so entwickelten Bauteile sind insgesamt qualitativ hochwertiger und bilden die technischen Anforderungen bestmöglich ab. Damit kann die für die Erprobung benötigte Zahl der Prototypen verringert werden. 
Je komplexer die Geometrie der Bauteile, je stärker kommen die beschriebenen Effekte zum Tragen. Diese Aussage gilt für die Produktentwicklung und für Kleinserien, die herkömmlich zu teuer und zu schwer im Druckguss oder Schmiedeverfahren produziert werden

Ansätze zur Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren durch die Einführung eines Kennzahlensystems

Generative Fertigungsverfahren haben sich in den letzten Jahren als effektive Werkzeuge für die schnelle Entwicklung von Produkten nahezu beliebiger Komplexität entwickelt. Gleichzeitig wird gefordert, die Reproduzierbarkeit der Bauteile und auch seriennahe bzw. seriengleiche Eigenschaften zu gewährleisten. Die Vielfalt und der Umfang der Anwendungen sowie die große Anzahl verschiedener generativer Fertigungsverfahren verlangen adäquate Qualitätsüberwachungs- und Qualitätskontrollsysteme. Ein Lösungsansatz für die Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren besteht in der Einführung eines Kennzahlensystems. Hierzu müssen zunächst Anforderungsprofile und Qualitätsmerkmale für generativ hergestellte Bauteile definiert werden, welche durch Prüfkörpergeometrien abgebildet und mit Hilfe von Einzelkennzahlen klassifiziert werden. In Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde die Qualitätsbewertung anhand von Prüfkörpergeometrien am Beispiel des Laser-Sinterprozesses qualifiziert. Durch Beeinflussung der Prozessparameter, d.h. der gezielten Einbringung von Störgrößen, welche einzeln oder in Kombination zu unzulässigen Qualitätsschwankungen führen können, ist es möglich, die Qualität des Produktes zu beurteilen. Die Definition von Einzelkennzahlen, die eine Steuerung und Kontrolle sowie eine Vorhersage potentieller Fehler ermöglicht, bietet hierbei essentielle Möglichkeiten zur Qualitätsbewertung. Eine Zusammenführung zu einem gesamtheitlichen Kennzahlensystem soll zum einen den Prozess auf Grundlage der definierten Anforderungsprofile bewerten und zum anderen einen direkten Zusammenhang der ausgewählten Störgrößen und Prozessgrößen herleiten, um vorab eine Aussage über die Bauteilqualität treffen zu können.

3D-Druck von Kunststoff-Medizinprodukten

Das Additive Manufacturing gewinnt im Bereich der Medizintechnik zur Herstellung von Prototypen bis hin zu Endprodukten zunehmend an Bedeutung. Ein großes Hemmnis stellen allerdings die relativ hohen Fertigungskosten dar. Hier bietet der verstärkte Einsatz der 3D-Drucktechnologie (3D Printing) ein erhebliches Potential zur Reduktion der Kosten. Aus dieser Motivation heraus wurde ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung biokompatibler, sterilisierbarer Kunststoffmodelle entwickelt. Beim 3D-Druck-Verfahren handelt es sich um einen pulverbasierten Prozess zur schichtweisen Herstellung von Modellen direkt aus Computerdaten. Dabei werden dünne Schichten eines Pulvers auf eine Grundplatte aufgebracht, die dann durch gezielte Binderzugabe entsprechend des aktuellen Bauteilquerschnitts verfestigt werden. Ausgangsmaterial für diesen Prozess ist ein Granulatgemisch auf Basis von PMMA (Polymethylmethacrylat). Als Binderflüssigkeit wird ein Lösungsmittel eingesetzt. Die 3D gedruckten Modelle werden nach einer entsprechenden Trocknungszeit im Pulverbett entpackt und warmgelagert, um das Abdampfen des Lösungsmittels zu beschleunigen. Der Nachweis der Biokompatibilität der hergestellten Modelle erfolgte durch einen Test nach DIN EN ISO 10993-5. In Kooperation mit Anwendern wurden verschiedene Anwendungsbeispiele wie Bohrschablonen, Otoplastiken, Gebissmodelle und Modelle für die präoperative Planung realisiert und charakterisiert.

Prediction of PA12 melt viscosity in Laser Sintering by a Time and Temperature dependent rheological model

Ein auf Basis von Prozessdaten kalibriertes Viskositätsmodell wird vorgeschlagen und zur Vorhersage der Viskosität einer Polyamid 12 (PA12) Kunststoffschmelze als Funktion von Zeit, Temperatur und Schergeschwindigkeit angewandt. Im ersten Schritt wurde das Viskositätsmodell aus experimentellen Daten abgeleitet. Es beruht hauptsächlich auf dem drei-parametrigen Ansatz von Carreau, wobei zwei zusätzliche Verschiebungsfaktoren eingesetzt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wird mithilfe des Verschiebungsfaktors aT von Arrhenius berücksichtigt. Ein weiterer Verschiebungsfaktor aSC (Structural Change) wird eingeführt, der die Strukturänderung von PA12 als Folge der Prozessbedingungen beim Lasersintern beschreibt. Beobachtet wurde die Strukturänderung in Form einer signifikanten Viskositätserhöhung. Es wurde geschlussfolgert, dass diese Viskositätserhöhung auf einen Molmassenaufbau zurückzuführen ist und als Nachkondensation verstanden werden kann. Abhängig von den Zeit- und Temperaturbedingungen wurde festgestellt, dass die Viskosität als Folge des Molmassenaufbaus exponentiell gegen eine irreversible Grenze strebt. Die Geschwindigkeit dieser Nachkondensation ist zeit- und temperaturabhängig. Es wird angenommen, dass die Pulverbetttemperatur einen Molmassenaufbau verursacht und es damit zur Kettenverlängerung kommt. Dieser fortschreitende Prozess der zunehmenden Kettenlängen setzt molekulare Beweglichkeit herab und unterbindet die weitere Nachkondensation. Der Verschiebungsfaktor aSC drückt diese physikalisch-chemische Modellvorstellung aus und beinhaltet zwei zusätzliche Parameter. Der Parameter aSC,UL entspricht der oberen Viskositätsgrenze, wohingegen k0 die Strukturänderungsrate angibt. Es wurde weiterhin festgestellt, dass es folglich nützlich ist zwischen einer Fließaktivierungsenergie und einer Strukturänderungsaktivierungsenergie für die Berechnung von aT und aSC zu unterscheiden. Die Optimierung der Modellparameter erfolgte mithilfe eines genetischen Algorithmus. Zwischen berechneten und gemessenen Viskositäten wurde eine gute Übereinstimmung gefunden, so dass das Viskositätsmodell in der Lage ist die Viskosität einer PA12 Kunststoffschmelze als Folge eines kombinierten Lasersinter Zeit- und Temperatureinflusses vorherzusagen. Das Modell wurde im zweiten Schritt angewandt, um die Viskosität während des Lasersinter-Prozesses in Abhängigkeit von der Energiedichte zu berechnen. Hierzu wurden Prozessdaten, wie Schmelzetemperatur und Belichtungszeit benutzt, die mithilfe einer High-Speed Thermografiekamera on-line gemessen wurden. Abschließend wurde der Einfluss der Strukturänderung auf das Viskositätsniveau im Prozess aufgezeigt.

3D printing and its applications

Eine zunehmende Anzahl von Artikeln in Publikumszeitschriften und Journalen rückt die direkte Herstellung von Bauteilen und Figuren immer mehr in das Bewusstsein einer breiten Öffentlichkeit. Leider ergibt sich nur selten ein einigermaßen vollständiges Bild davon, wie und in welchen Lebensbereichen diese Techniken unseren Alltag verändern werden. Das liegt auch daran, dass die meisten Artikel sehr technisch geprägt sind und sich nur punktuell auf Beispiele stützen. Dieser Beitrag geht von den Bedürfnissen der Menschen aus, wie sie z.B. in der Maslow’schen Bedürfnispyramide strukturiert dargestellt sind und unterstreicht dadurch, dass 3D Printing (oder Additive Manufacturing resp. Rapid Prototyping) bereits alle Lebensbereiche erfasst hat und im Begriff ist, viele davon zu revolutionieren.

Ursachen für eine mangelnde Reproduzierbarkeit beim Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen

Das Laser-Sintern hat sich in den letzten Jahren zunehmend als Kleinserienfertigungsverfahren für Kunststoffbauteile etabliert. Dennoch entspricht die Bauteilqualität aufgrund von Verzug oder mangelnder Reproduzierbarkeit der Eigenschaften oftmals nicht den Anforderungen. Ein Grund hierfür ist die inhomogene Temperaturführung während des Prozesses. So ergeben sich aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten im Pulverbett zum Teil deutliche lokale Unterschiede im Temperatur-Zeit-Verhalten. Grundlegende Untersuchungen zu diesen Effekten fehlen jedoch bislang. Im Rahmen der dargestellten Untersuchungen gilt es daher zum einen die Reproduzierbarkeit verschiedener Laser-Sinter-Anlagen in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften, die Maßhaltigkeit und die Bauteildichte zu analysieren und zum anderen diese Ergebnisse mit den lokalen Temperatur- und Abkühlbedingungen im Pulverbett zu korrelieren. Dabei werden durch thermografische Untersuchungen die Temperaturverteilung an der Pulverbett-oberfläche charakterisiert sowie durch Einsatz entsprechender Funk-Temperatur-messsensorik die lokalen Abkühlbedingungen von Bauteilen innerhalb des Pulverbettes analysiert. Diese lokalen Temperatur- und Abkühlbedingungen sollen anschließend mit positionsabhängigen Analysen zum Bauteilschrumpf korreliert werden. Abschließend werden Optimierungspotentiale für ein neuentwickeltes Temperaturführungssystem mit homogeneren Temperatur- und Abkühlbedingungen abgeleitet.

Impact of SLM build parameters on the surface quality

Additive manufacturing by melting of metal powders is an innovative method to create one-offs and customized parts. Branches like dentistry, aerospace engineering and tool making were indicated and the manufacturing methods are established. Besides all the advantages, like freedom of design, manufacturing without a tool and the reduction of time-to-market, there are however some disadvantages, such as reproducibility or the surface quality. The surface quality strongly depends on the orientation of the component in the building chamber, the process parameters which are laser power and exposure time, but also on the so-called “hatch”-strategy, which includes the way the laser exposes the solid areas. This paper deals with the investigation and characterization of the surface quality of generated parts produced by SLM. Main process parameters including part orientation, part size and hatch strategies are investigated and monitored. The outcome is a recommendation of suitable hatch strategies depending on desired part properties. This includes metered values and takes into account process stability and reproducibility.

3D Drucken und die Anwendungen

Eine zunehmende Anzahl von Artikeln in Publikumszeitschriften und Journalen rückt die direkte Herstellung von Bauteilen und Figuren immer mehr in das Bewusstsein einer breiten Öffentlichkeit. Leider ergibt sich nur selten ein einigermaßen vollständiges Bild davon, wie und in welchen Lebensbereichen diese Techniken unseren Alltag verändern werden. Das liegt auch daran, dass die meisten Artikel sehr technisch geprägt sind und sich nur punktuell auf Beispiele stützen. Dieser Beitrag geht von den Bedürfnissen der Menschen aus, wie sie z.B. in der Maslow’schen Bedürfnispyramide strukturiert dargestellt sind und unterstreicht dadurch, dass 3D Printing (oder Additive Manufacturing resp. Rapid Prototyping) bereits alle Lebensbereiche erfasst hat und im Begriff ist, viele davon zu revolutionieren.

Advantages and pitfalls in computer assisted orthopedic surgery planning using rapid-prototyped guides

Durch die von Rapid Prototyping gebotenen Möglichkeiten können computergestützte 3D Operationsplanungen präzise in der Operation umgesetzt werden. An der Universitätsklinik Balgrist wurden in den letzten 3 Jahren nahezu 100 Patienten erfolgreich behandelt, deren Operation in 3D geplant und mit patienten-spezifischen Schablonen umgesetzt wurde. Wir beschreiben die Genauigkeit dieser Methode und berichten über die hierbei gesammelten Erfahrungen. Aufgrund der Flexibilität der Rapid Prototyping Technologie, gibt es nicht immer nur einen Weg wie eine 3D geplante Operation umgesetzt werden kann. Wir zeigen daher anhand von Fallbeispielen unterschiedliche Strategien auf und beschreiben deren Vor- und Nachteile. Ausserdem präsentieren wir die Weiterentwicklung der Methode zur Anwendung an kleinerer Anatomie wie Knochen des Handgelenkes oder der Finger.

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

Repair - Beispiel: Mobile mit Halogenleuchten

Das RTeJournal möchte in seiner Rubrik:“ Repair“, Berichte aufnehmen, in denen die Reparatur oder der Ersatz von Bauteilen durch Additive Manufacturing (AM) Lösungen aufgenommen wird. Einmal als Anregung sich damit auseinander zu setzen und gleichzeitig auch als Dienstleistung beim Bedarf von Reparaturen. Es würde uns freuen, wenn Sie uns Beispiele mit einem kleinen Reparaturbericht zusenden könnten, die zum Einsatz von Additive Manufacturing führten. Email: eich@fh-aachen.de