Ansätze zur Verbesserung von Qualität und Wirtschaftlichkeit bei generativen Verfahren durch Optimierung des Pre-Processes

Mittels generativer Fertigung ist es heute möglich die, Entwicklungszeit und Ferti-gungsdauer von Prototypen, Produkten und Werkzeugen zu verkürzen. Neben dieser Zeitersparnis sind die im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren unwe-sentlichen Geometriebeschränkungen für den Anwender von besonderem Interesse. Dieses Alleinstellungsmerkmal der generativen Fertigung macht es möglich auch komplexe Geometrie wirtschaftlich herzustellen. Voraussetzung für eine wirtschaftli-che und fehlerminimierte Fertigung ist hierbei eine möglichst optimale Prozessvorbe-reitung (Pre-Processing). Dabei sind insbesondere die Schritte der Bauteilorientie-rung, der Stützkonstruktionserzeugung, der Schichtzerlegung sowie der Bauraum-ausnutzung von Interesse. Auch wenn diese Punkte wesentlich zur Qualität und Wirtschaftlichkeit beitragen, sind die Erkenntnisse für den unerfahrenen Anwender nur unzureichend dokumentiert, wodurch eine möglichst effiziente Fertigung zu-nächst ausgeschlossen werden kann. Anhand unterschiedlicher Beispiele sollen dem Anwender hier die Möglichkeiten zur Optimierung dieser Pre-Processing Schritte er-läutert werden. In diesem Rahmen werden die aktuellen Forschungsergebnisse des Lehrstuhls Rechnereinsatz in der Konstruktion, Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen in Bezug auf die Optimierung der Bauteilorientierung, der variablen Schichtzerlegung und der Optimierung der Bauraumausnutzung vorgestellt.

rietzel

Die komplexen transienten thermischen Bauraumverhältnisse während der Schicht-generierung beim Lasersintern von Thermoplasten haben direkten Einfluss auf die resultierenden Bauteileigenschaften. Dies schlägt sich in Effekten wie dem „Curl“ oder Bauteilverzug nieder. Ohne Kenntnisse über die zeitlichen und örtlichen Tempe-raturverhältnisse im Bauraum können weder der gesamte Bauraum ausgenutzt, noch die späteren Bauteileigenschaften vorhergesagt werden. Folglich wird die Wirtschaft-lichkeit des Verfahrens im Hinblick auf einen Einsatz zur Serienproduktion begrenzt. Neben der experimentellen Erforschung der transienten thermischen Zustände wäh-rend des Lasersinterns ist die Modellbildung zur simulativen Abbildung ebendieser von großer Bedeutung. Dieser Beitrag stellt den grundlegenden Aufbau eines Simu-lationsmodells für die schichtweise Bauteilgenerierung dar und zeigt allgemeine Mo-dellierungsansätze für die charakteristischen thermischen Materialkennwerte von Pulvern auf. Weiterhin erfolgt anhand einer Parameterstudie eine Quantifizierung der Effekte einzelner Materialeigenschaften und Prozessstellgrößen auf die mittels finiter Elemente Methode berechneten Temperaturverhältnisse an einer Pulverschicht.

Markt- und Trendanalyse Laserstrahlschmelzen 2010

Nicht nur die vielfältigen funktionsbezogenen Anforderungen von Produkten und Bauteilen, sondern vor allem die heutigen Marktbedürfnisse stellen große Herausforderungen für aktuelle Fertigungstechnologien dar. Hierbei bildet die kontinuierlich steigende Variantenvielfalt bei gleichzeitiger Senkung der Stückzahlen je Variante die differenzierten Kundenwünsche ab. Diese Entwicklungen begünstigen die Perspektiven des Laserstrahlschmelzens im Allgemeinen sowie seiner speziellen Anwendungsgebiete Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufac-turing. In den Branchen der Medizintechnik und der Gummi- und Kunststoffverarbeitung ist bereits seit einiger Zeit eine dynamische Entwicklung erkennbar. Besonders in der Medizintechnik wird der immer breitere Einsatz des Laserstrahlschmelzens durch die hohe Innovationsfähigkeit des Verfahrens und ein verbesserstes Qualitäts-management vorangetrieben. Aufgrund der zunehmenden Forderungen nach individualisierten und individuellen Produkten werden bereits heute patientenangepasste Implantate mit dem Laserstrahlschmelzverfahren gefertigt. Erwarten die Marktteilnehmer eine weiterhin steigende Nachfrage nach solchen Produkten? Wie muss das Verfah-ren verbessert werden, um seine Prozessstabilität zu erhöhen? Wo liegen die zukünftigen Herausforderungen in der Strahlschmelztechnologie? Um diese und weitere Fragen zu klären hat das Fraunhofer Institut für Produkti-onsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) eine Markt- und Trendanalyse für das Laserstrahlschmelzen durchge-führt.

Mechanische Eigenschaften und Bruchverhalten maskengesinterter Kunststoffbauteile

Das selektive Maskensintern von Kunststoffen ermöglicht die flächige Belichtung des Bauraums, wodurch sich konstante, von der zu belichtenden Geometrie/Fläche unabhängige Zykluszeiten pro Schicht ergeben. Durch den Einsatz eines, über dem Bauraum platzierten, Infrarotstrahlerfeldes wird eine Modifikation des verarbeiteten Polyamid 12-Pulvers mit einem Absorber, hier Flammruß, notwendig. Bisher konnte gezeigt werden, dass Prototypen sowie wärmeleitfähige Kunststoffbauteile hergestellt werden können. Im Rahmen dieses Beitrags sollen die mechanischen Eigenschaften von SMS-Bauteilen betrachtet werden. Die Beeinflussung der mechanischen Kennwerte, durch variierende Materialeigenschaften sowie unterschiedliche Prozessparameter, werden ebenso wie die Richtungs-, Temperatur- und Belastungsartabhängigkeit, bei konstanten Material- und Prozessparametern, untersucht. Zur Charakterisierung des Bauteilversagens wurden Methoden wie die Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie eingesetzt und Bruchmechanismen abgeleitet.

Thermographie zur Temperaturmessung beim Laser-Sintern – ein Beitrag zur Qualitätssicherung?

Beim Laser-Sintern wird das Pulverbett durch Heizstrahler vorgeheizt, um an der Pulveroberfläche eine Temperatur knapp unterhalb des Materialschmelzpunktes zu erzielen. Dabei soll die Temperaturverteilung auf der Oberfläche möglichst homogen sein, um gleiche Bauteileigenschaften im gesamten Bauraum zu erzielen und den Bauteilverzug gering zu halten. Erfahrungen zeigen jedoch sehr inhomogene Temperaturverteilungen, weshalb oftmals die Integration von neuen oder optimierten Prozessüberwachungssystemen in die Anlagen gefordert wird. Ein potentiell einsetzbares System sind Thermographiekameras, welche die flächige Aufnahme von Oberflächentemperaturen und somit Aussagen über die Temperaturen an der Pulverbettoberfläche erlauben. Dadurch lassen sich kalte Bereiche auf der Oberfläche identifizieren und bei der Prozessvorbereitung berücksichtigen. Gleichzeitig ermöglicht die Thermografie eine Beobachtung der Temperaturen beim Lasereingriff und somit das Ableiten von Zusammenhängen zwischen Prozessparametern und Schmelzetemperaturen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde ein IR-Kamerasystem erfolgreich als Festeinbau in eine Laser-Sinteranlage integriert und Lösungen für die hierbei auftretenden Probleme erarbeitet. Anschließend wurden Untersuchungen zur Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie zu den Einflussfaktoren auf deren Homogenität durchgeführt. In weiteren Untersuchungen wurden die Schmelzetemperaturen in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter ermittelt. Auf Basis dieser Messergebnisse wurden Aussagen über erforderliche Optimierungen getroffen und die Nutzbarkeit der Thermografie beim Laser-Sintern zur Prozessüberwachung, -regelung sowie zur Anlagenwartung als erster Zwischenstand der Untersuchungen bewertet.

Intelligente Werkzeugtechnik - Harmonisieren der Temperatureinflüsse

Der Schlüssel zu Produktivität und Qualität in zahlreichen abformenden Prozessen ist eine optimale Temperierung, die bedingt, dass die Kühl- und Heißkanäle der Oberfläche angepasst sind. Eine Hauptrolle um Durchlaufzeiten und Werkzeugkosten zu senken und die Qualität zu steigern spielt die wirtschaftliche Erwärmung und Kühlung der Teile. Konventionelle Arten der Temperierung können diesen Anforderungen nicht gerecht werden. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit zwei neuen Prozesskombinationen: a) Intelligente Werkzeugtechnik mit erfolgreicher industrieller Anwendung, hauptsächlich für Spritz- und Druckgusswerkzeuge. b) Neue Prozessketten für Formen mit geöffnetem Formstück oder RTM (englisch: Resin Transfer Moulding) mit Verwendung der inkrementellen Blechumformung.

Lithographiebasierte Fertigung keramischer Bauteile

Im Rahmen des EU-Projektes PHOCAM entwickelt das beteiligte Konsortium Anlagen und Materialien für die generative Fertigung keramischer Bauteile auf Basis der Photopolymerisation. Das Kernelement der verwendeten Fertigungsanlagen, der DLP Projektor, erzeugt mittels leistungsstarker LEDs und einem 1080p DMD (Digital Micromirror Device) Bilder mit 1920x1080 Bildpunkten und der Pixelgröße von 40µm, woraus sich die Baufeldgröße von 76,8x43,2mm ergibt. Ein hochviskoser Schlicker, bestehen aus einem gefülltem fotosensitiven Harzsystem, wird von unten durch die gläserne Materialwanne belichtet, wodurch der Schlicker lokal aushärtet (polymerisiert). Auf diese Weise entsteht der Grünling, der in schichtbauweise (Standardschichtdicke von 25-50µm) aufgebaut ist. Im nachfolgenden Sinterprozess werden die Grünlinge zu den fertigen Keramikteilen gebrannt. Als keramisches Basismaterial für den Schlicker wurde vorwiegend Aluminiumoxid in Pulverform verwendet. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad (Keramikanteil) bis zu 50Vol% erfolgreich verarbeitet und zu Keramikteilen mit einer theoretischen Dichte von 99,6% gesintert werden.

Modellgestützte und hierarchische Prozesskettenbetrachtung für die additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren eignen sich für die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen im Bereich kleiner bis mittlerer Stückzahlen, da keine Formen oder Spezialwerkzeuge notwendig sind. Die erzielbaren Eigenschaften sind oftmals bereits ausreichend, um einen Einsatz auch in Serienanwendungen zu ermöglichen. Verbunden mit den Vorteilen der Technologie bezüglich einer hohen Flexibilität, sowohl während der Konstruktion als auch der Fertigung, können sich durch eine konsequente Nutzung finanzielle Einsparmöglichkeiten entlang des gesamten Produktlebenszyklus ergeben. Bezüglich der Wirtschaftlichkeit der Verfahren herrscht oftmals noch Unklarheit, da geeignete Methoden fehlen, um diese zu bewerten. Bestehende Methoden und Werkzeuge zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit konventioneller Fertigungsverfahren sind dabei für die additive Fertigung nicht direkt nutzbar. In dem Artikel wird eine Methode zur modellgestützten Abbildung einer gesamten additiven Fertigungskette vorgestellt, welche auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozesskettengliedern berücksichtigen soll. Eine konkrete Aussage bezüglich der Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung soll somit ermöglicht werden.

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.

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.

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.

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.