Technologische Reife von generativen Herstellungsverfahren für Endanwendungen im Automobilbau

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.

Technologische Reife von generativen Herstellungsverfahren für Endanwendungen im Automobilbau

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.

Leicht zu reinigende Schichten auf lasergesinterten Rapid-Prototyping Bauteilen

Das Fraunhofer IPA hat mit ein Verfahren entwickelt, durch welches lasergesinterte Rapid Prototyping Bauteile gut reinigbar beschichtet werden können. Ziel ist die Nutzung von Rapid-Prototyping Bauteilen in der Lebensmittel verarbeitenden Industrie. Dazu werden die rauen Oberflächen der Bauteile eingeebnet und mit einer gut reinigbaren Schicht umgeben. In Temperaturwechseltests und Reinigungstest durch unabhängige Institute konnte eine gute Reinigbarkeit der so beschichteten Rapid Prototyping Bauteile nachgewiesen werden. Die so beschichteten Rapid Prototyping Bauteile entsprechen nach einer Prüfung durch das Forschungsinstitut Weihenstephan den Hygienic Design Anforderungen gemäß den Vorgaben der EHEDG.

Modulare Förderspirale aus Kunststoff

Der Einsatz von Spiralförderanlagen oder Schneckenförderanlagen ohne Welle ist in der Industrie weit verbreitet. Durch die Rotation der Spirale in einem ruhenden Rohr oder Trog lassen sich Schüttgüter unterschiedlichster Konsistenz kontinuierlich über weite Strecken transportieren. Derzeitige Spiralförderanlagen werden überwiegend aus Stahl hergestellt. Bei einigen Anwendungen ist der Einsatz dieses Werkstoffes jedoch nicht unproblematisch. Aggressive Schüttgüter wie salz- und säurehaltige Medien bewirken eine starke Korrosion der Stahlbauteile. Kurze Standzeiten sind die Folge. Diese Problematik sowie die aufwendige Montage und Reparatur bestehender Systeme bildeten die Herausforderungen für die Neuentwicklung. Eine Vielzahl thermoplastischer Kunststoffe ist beständig gegen aggressive Medien wie Salzlösungen und Säuren. Innerhalb des Förderprogramms PRO INNO II wurde eine Spirale aus Kunststoff entwickelt, die korrosionsempfindliche Stahlspiralen ersetzt. Die neue Förderspirale wird aus spritzgegossenen Modulen kostengünstig hergestellt. Die Gestaltung der Verbindungsstellen erfolgte in der Weise, dass jedes Modul die gleiche Geometrie aufweist. Somit ist nur ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung der Bauteile notwendig. Die Montage der Module erfolgt mit geringstem Platzbedarf und Aufwand vor Ort. Das Spritzgießverfahren ermöglicht in Abhängigkeit von den Schüttguteigenschaften die Herstellung der Bauteile aus verschiedenen verstärkten und unverstärkten Kunststoffen.

Untersuchung zur Reduzierung des Verzugs durch Vorwärmung bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mittels SLM

Das generative Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM) wird zur direkten Herstellung von metallischen Funktionsbauteilen verwendet. Während des Bauprozesses entstehen durch den schichtweisen Aufbau und die lokale Energieeinbringung mittels eines fokussierten Laserstrahls thermisch induzierte Eigenspannungen, die zu Verzug des Bauteils oder von Bauteilbereichen führen können. Üblicherweise werden die Verzüge durch Stützstrukturen zwischen Bauteil und Substratplatte verhindert. Jedoch ist es nicht immer möglich alle Bereiche eines Bauteils, je nach Komplexität der Geometrie oder Zugänglichkeit, mit Stützstrukturen zu versehen bzw. diese wieder zu entfernen. Durch eine Vorwärmung der Substratplatte während des Bauprozesses können die Verzüge reduziert oder ganz vermieden werden. Jedoch ist bisher keine systematische Untersuchung des Einflusses der Vorwärmung auf Verzüge von Aluminium Bauteilen durchgeführt worden. Ziel dieser Arbeiten ist daher die systematische Untersuchung der Auswirkung einer Vorwärmung beim SLM von Aluminiumbauteilen und die Ermittlung der geeigneten Vorwärmtemperatur, bei der nahezu keine Verzüge mehr entstehen. Eine signifikante Verzugsreduzierung im Vergleich zu den Verzügen ohne Vorwärmung zeigt sich ab einer Vorwärmtemperatur von 150°C. Bei einer Vorwärmtemperatur von 250°C sind im Rahmen der Messgenauigkeit unabhängig von der untersuchten Twincantilever Testgeometrie keine Verzüge mehr feststellbar. Neben der Reduzierung der Verzüge verhindert die Vorwärmung außerdem spannungsbedingte Risse im Bauteil, die ohne Vorwärmung zum Abreißen von Teilen der Testgeometrie führen können. Mit 90 HV 0,1 bei 250°C Vorwärmtemperatur ist die Härte größer als die geforderte Mindesthärte nach DIN EN 1706 von Druckgussbauteilen aus dem Werkstoff AlSi10Mg. Aus diesem Ergebnis kann abgeleitet werden, dass eine Vorwärmtemperatur von 250°C geeignet ist, Bauteile aus dem Werkstoff AlSi10Mg mit SLM defektfrei und prozesssicher herzustellen und Verzüge vollständig zu vermeiden.

Prozessoptimierung des SLM-Prozesses mit hoch-reflektiven und thermisch sehr gut leitenden Materialien durch systematische Parameterfindung und begleitende Simulationen am Beispiel von Silber

Additive Manufacturing durch Aufschmelzen von Metallpulvern hat sich auf breiter Front als Herstellverfahren, auch für Endprodukte, etabliert. Besonders für die Variante des Selective Laser Melting (SLM) sind Anwendungen in der Zahntechnik bereits weit verbreitet und der Einsatz in sensitiven Branchen wie der Luftfahrt ist in greifbare Nähe gerückt. Deshalb werden auch vermehrt Anstrengungen unternommen, um bisher nicht verarbeitete Materialien zu qualifizieren. Dies sind vorzugsweise Nicht-Eisen- und Edelmetalle, die sowohl eine sehr hohe Reflektivität als auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen – beides Eigenschaften, die die Beherrschung des Laser-Schmelzprozesses erschweren und nur kleine Prozessfenster zulassen. Die Arbeitsgruppe SLM des Lehr- und Forschungsgebietes Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik hat sich unter der Randbedingung einer kleinen und mit geringer Laserleistung ausgestatteten SLM Maschine der Aufgabe gewidmet und am Beispiel von Silber die Parameterfelder für Einzelspuren und wenig komplexe Geometrien systematisch untersucht. Die Arbeiten wurden von FEM Simulationen begleitet und durch metallographische Untersuchungen verifiziert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage zur schnellen Parameterfindung bei komplexen Geometrien und bei Veränderungen der Zusammensetzung, wie sie bei zukünftigen Legierungen zu erwarten sind. Die Ergebnisse werden exemplarisch auf unterschiedliche Geometrien angewandt und entsprechende Bauteile gezeigt.

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.

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

Beitrag einer nutzungsabhängigen Instandhaltung zur Planung von Leistungsverfügbarkeit

Stets darauf bedacht, die Anlagen- und Maschinenverfügbarkeit bei möglichst geringem Ressourceneinsatz zu gewährleisten, wird die Rolle der Instandhaltung als unternehmerischer Wertschöpfungsfaktor immer bedeutsamer. Voraussetzung für eine Nutzbarmachung bestehender Potentiale sind neue Werkzeuge und Ansätze, deren Umsetzung eine effiziente Sicherstellung von Verfügbarkeit ermöglicht. Vor diesem Hintergrund wurde im Teilprojekt C3 des DFG Paketantrags 672 ein Konzept zur nutzungsabhängigen Instandhaltung entwickelt. Auf Grundlage des bestehenden Zusammenhangs von Nutzung und Abnutzung risikobehafteter Bauteile intralogistischer Systeme können damit die durch zukünftige Systemlasten hervorgerufenen Beanspruchungen antizipiert werden. Instandhaltungsmaßnahmen und technische Verfügbarkeiten werden dadurch anforderungsgerecht und ressourcen-optimal planbar.

Führungsbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen in intralogistischen

In vielen Anwendungen der Intralogistik lassen sich Führungssysteme mit Stützrollen finden, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Hierbei werden oftmals Profilträger aus Stahlwerkstoffen als führende Bauteile eingesetzt. Deren Bewegung erfordert aufgrund der hohen Eigenmassen einen erheblichen Energiebedarf. Im vorliegenden Artikel wird die Entwicklung von derartigen Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen beschrieben. Der Fokus liegt auf der Eintragung hoher Kontaktkräfte in das Bauteil. Es werden die notwendigen Anforderungen dargestellt sowie die Entwicklung eines speziellen Rollenprüfstandes erläutert. Zudem beinhaltet der Artikel die systematische Entwicklung neuer Funktionselemente und die Herleitung einer Methodik zur Untersuchung der Belastbarkeit des faserverstärkten Kunststoffes beim Einwirken einer Rolle als Teilergebnisse des Forschungsvorhabens.