Produktgestaltung für die Additive Fertigung E-Book

Andreas Gebhardt

• Herausgeber: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Seitenzahl: 315

Beschreibung

Die Additive Fertigungstechnologie - 3D-Druck - wird zukünftig eine Schlüsseltechnologie darstellen, insbesondere im Zusammenhang mit Industrie 4.0 und einer zunehmend individualisierten Produktion. Um die Potenziale dieser Fertigungstechnologie vollständig auszuschöpfen, bedarf es eines tiefgründigen Wissens über die gesamte Prozesskette, von der Vor- und Nachbearbeitung, über die Fertigung, das Datenhandling und die verfügbaren Materialien und Maschinen.
Den Grundstein liefern virtuelle, dreidimensionale, rechnergestützte Modelle, aus denen die physischen Bauteile generiert werden. Der Umgang mit 3D-Konstruktionsprogrammen und die Erstellung von 3D-Modellen sind somit die Voraussetzung zur eigenständigen Anwendung der additiven Fertigungstechnologien.
Dieses Fachbuch zielt darauf ab, Einsteigern und Anwendern im Technologiefeld Additive Fertigung ein grundlegendes und zugleich detailliertes Fachwissen zur Gestaltung von Bauteilen zu liefern.
Dabei greift das Buch besonders die folgenden Themenschwerpunkte auf:
- Einordnung der Additiven Fertigungsverfahren und Übersicht
- Potenziale der Additiven Fertigung
- Entwicklung der Bauteilgestaltung und -auslegung
- Herausforderungen und Chancen für Konstrukteure
- Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) Verfahren und der besonderen Gestaltung von Bauteilen bedingen

Leseprobe

Andreas GebhardtJulia KesslerAlexander Schwarz

Produktgestaltung für die Additive Fertigung

Die Autoren:

Prof. Dr.-Ing. Andreas GebhardtGeschäftsführer der IwF GmbH – Institut für werkzeuglose Fertigung, AachenProfessor an der Fachhochschule AachenLehrgebiet: Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing

Dr.-Ing. Julia KesslerGeschäftsführerin der IwF GmbH – Institut für werkzeuglose Fertigung, Aachen

Alexander Schwarz,Konstruktionsleiter der IwF GmbH – Institut für werkzeuglose Fertigung, Aachen

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© 2019 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.deLektorat: Monika StüveHerstellung: Jörg StrohbachCoverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, MünchenCoverrealisierung: Max KostopoulosCoverbild: Ursprungsbauteil: Jakobs-Houben-Technologie GmbH, Geilenkirchen; Topologieoptimiertes Bauteil: Institut für werkzeuglose Fertigung GmbH, Aachen

ISBN: 978-3-446-45285-5E-Book-ISBN: 978-3-446-46133-8ePub-ISBN: 978-3-446-47115-3

Vorwort

Die Additive Fertigung kam Ende der 1980er-Jahre als „Rapid Prototyping“ „in die Welt“. Es ging darum, dreidimensionale Gegenstände, die als Datensatz vorlagen, in reale anfassbare Gegenstände zu verwandeln, sprich: eine klassische Fertigungsaufgabe. Das Neue daran war, dass die zu fertigenden Objekte vollständig durch Datensätze beschrieben und schichtweise aufgebaut wurden und nicht wie bisher durch abtragende Verfahren wie zum Beispiel Fräsen aus Halbzeugen entstanden.

Ging es beim Rapid Prototyping noch vorrangig darum, Bauteile während der Produktentwicklung als physische Bauteile zu erhalten, haben sich mit der Technik auch die Anforderungen an die hergestellten Produkte gewandelt. So geht es mittlerweile nicht mehr nur primär um die Herstellung von Prototypen in der Produktentwicklung, sondern ebenso um die Fertigung von Endprodukten. Damit haben sich die additiven Fertigungsverfahren zu einem eigenständigen Zweig der Fertigungsverfahren weiterentwickelt und stehen nicht länger im Schatten der zerspanenden und umformenden Verfahren.

Dieser Schritt in die Zukunft der Fertigungstechnik fußt auf der direkten Umwandlung von digitalen Daten in Produkte – ein Schritt, der uns mit wachsender Verbreitung der Prinzipien der „Industrie 4.0“ in seiner ganzen Bedeutung erst langsam bewusst wird. Zur Umsetzung sind wir auf Verfahren und Prozessketten angewiesen, die durch den ständigen Wechsel von virtuellen Systemen in physische und umgekehrt gekennzeichnet sind.

Mit der Weiterentwicklung der Möglichkeiten der additiven Fertigungsverfahren haben sich aber auch neue Anforderungen an die Auslegung der Bauteile ergeben. Es gelten nicht länger die Gestaltungsregeln, die für die konventionelle Fertigung gelten, sondern es entstehen neue Regeln, die Beachtung finden müssen. Durch die neue Fertigungsmethode kann eine Vielzahl von Elementen umgesetzt werden, die zuvor nicht möglich war. Dazu zählen Leichtbaustrukturen, Topologieoptimierungen sowie Funktionsintegrationen. Nur wenn diese Elemente genutzt werden, können das Potenzial und die Möglichkeiten der additiven Fertigungsverfahren vollständig genutzt werden.

Dieses Buch schließt an die bekannten verfahrensorientierten und eher auf die Grundlagen der Additiven Fertigung ausgerichteten Bücher an. Schon dort verweisen wir auf die Tatsache, dass sich das Gebiet der Additiven Fertigung so schnell in unterschiedliche Richtungen ausbreitet, dass es von einem einzelnen Autor nicht mehr zeitnah, vollständig und richtig erfasst und dargestellt werden kann. Wir konzentrieren uns hier besonders auf die Aspekte Konstruktion und Gestaltung und gehen damit einen Schritt weiter in die erfolgreiche Anwendung dieser neuen Technologie.

Aachen, Oktober 2019

Andreas Gebhardt,Julia Kessler,            Alexander Schwarz

Der Begriff „Konstrukteur“ findet in diesem Buch als übergreifende Bezeichnung für Personen männlichen, weiblichen und anderen Geschlechts Anwendung.

Danksagung

Die sich stetig und besonders rasant entwickelnde Technologie der Additiven Fertigung macht es nahezu unmöglich, das gesamte Gebiet vollständig zu überblicken und einwandfrei wiederzugeben. Wir als Herausgeber dieses Buches haben uns daher sehr über die Unterstützung zweier Spezialisten gefreut. Für die intensive Mitarbeit an diesem Buch bedanken wir uns herzlich bei Prasanna Rajaratnam und Simon Scheuer.

Prasanna Rajaratnam, wissenschaftlicher Mitarbeiter des GoetheLab for Additive Manufacturing an der Fachhochschule Aachen, beschäftigt sich seit Jahren mit dem Gebiet der metallverarbeitenden additiven Fertigungsverfahren. Im Rahmen dieses Buches hat er neben den Prozessgrundlagen des Laser Powder Bed Fusion Prozesses (Abschnitt 3.1 „Prozessgrundlagen“) und der Einteilung unterschiedlicher Stützstrukturen (Abschnitt 4.6 „Stützstrukturen und Orientierung im Bauraum“) die Nachbearbeitung metallischer Bauteile, insbesondere die Stützenentfernung und Wärmebehandlung von Bauteilen bearbeitet (Abschnitte 5.1 „Wärmebehandlung“ und 5.2 „Grobbearbeitung“).

Simon Scheuer, ehemaliger Mitarbeiter des GoetheLab for Additive Manufacturing und inzwischen Konstruktions- und Entwicklungsleiter bei der Overath Gruppe, hat seine tiefgehenden Kenntnisse über die Oberflächenbeschaffenheit bei der Gestaltung von additiv gefertigten Metallbauteilen (Abschnitt 4.2 „Oberflächenstrukturen“) sowie über die Integration verschiedener Funktionen (Abschnitt 4.5 „Funktionsintegration“) in ein Bauteil in dieses Buch einfließen lassen.

Ein besonders großer Dank gilt unserer Lektorin Frau Monika Stüve, die uns stets mit guten Hinweisen zur Seite stand sowie Herrn Jörg Strohbach für seine Unterstützung und Ausdauer bei der Herstellung des Buches.

Andreas Gebhardt,Julia Kessler,Alexander Schwarz

Die Autoren

Prof. Dr.-Ing., Andreas Gebhardt, Jahrgang 1953, studierte Maschinenbau an der Technischen Hochschule Aachen (RWTH) mit den Schwerpunkten Motoren- und Turbinenbau. 1986 legte er an der gleichen Universität seine Doktorarbeit über die „Simulation des transienten Verhaltens konventioneller Kraftwerke“ vor. Von 1986 bis 1991 war er Geschäftsführer eines Unternehmens, das sich auf die Motorüberholung und die Herstellung von Spezialmotoren und Motorteilen spezialisiert hat.

1991 wechselte Andreas Gebhardt als Geschäftsführer zum LBBZ-NRW, einem Dienstleistungszentrum in Nordrhein-Westfalen für den Einsatz der lasergestützten Materialbearbeitung, wo er ab 1992 mit dem Rapid Prototyping begann.

1997 wurde die CP-GmbH (Center of Prototyping GmbH) in Erkelenz/Düsseldorf gegründet, in die Andreas Gebhardt als Geschäftsführer wechselte. Die CP-GmbH ist ein Dienstleistungsunternehmen für Rapid Prototyping und fertigt Prototypen aus Kunststoffen und Metallen als Unikat oder in Kleinserie. Vom 3D-CAD über additive Produktionseinheiten bis hin zur Werkzeugfertigung verfügt die CP-GmbH über alle Elemente einer vollständig geschlossenen additiven Fertigungskette.

Die praktischen Erfahrungen mit der CP-GmbH bilden das professionelle Rückgrat für den Inhalt dieses Buches.

Im Sommersemester 2000 wurde Andreas Gebhardt zum Professor für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing an der Fachhochschule Aachen ernannt. Dort leitete er im Rahmen des „GoetheLab for Additive Manufacturing“ an der Fachhochschule Aachen eine Forschergruppe, die sich mit dem Lasersintern von Metallen (L-PBF-Verfahren), dem Polymerdruck, dem 3D-Druck (Pulver-Binder-Verfahren), dem Extrusionsverfahren (FDM) und der Anwendung verschiedener Materialien beschäftigte. Zum GoetheLab gehört auch der weltweit erste „Technology Bus“, ein Rolllabor im Doppeldecker-Bus, genannt „Fab-Bus“. Seit dem Wintersemester 2000 ist Andreas Gebhardt Gastprofessor am City Collage College der City University of New York. Im Herbst 2014 wurde er zum Professor „Extraordinaire“ an der Tshwane University of Technology, TUT, in Pretoria, Südafrika ernannt.

Seit 2004 ist Andreas Gebhardt Herausgeber des RTeJournal (www.rtejournal.de), einer „Open Access Peer Review“-Online-Zeitschrift über Rapid Technology.

Dr.-Ing. Julia Kessler schloss ihr Studium als Bachelor für Biomedizintechnik und als Master für Produktentwicklung an der Fachhochschule Aachen ab.

Von 2012 bis 2015 war sie wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Forschungsgruppe GoetheLab for Additive Manufacturing der Fachhochschule Aachen. Von 2015 bis 2017 leitete sie das GoetheLab-Team, das sich mit der Additiven Fertigung von Metallen, Kunststoffen und Keramiken beschäftigt. Julia Kessler beschäftigte sich intensiv mit dem Konzept eines Studiengangs für die digitale Zahntechnik und eines Forschungsprojektes zur Kieferknochenaugmentation durch Additive Fertigung.

In Zusammenarbeit mit Laura Thurn initiierte und realisierte sie das Projekt „Fab-Bus“, ein mobiles 3D-Drucklabor. Auch die Realisierung des Online-Moduls „Additive Manufacturing/3D Printing“ wurde von Julia Kessler und Laura Thurn gemeinsam entwickelt. Im Rahmen ihrer Promotion beschäftigte sich Julia Kessler mit der Strukturoptimierung und der Additiven Fertigung von bionischen Gitterstrukturen aus Titan und Edelstahl sowie neuen Anwendungsgebieten für diese Konstruktionselemente.

Im Oktober 2017 legte sie ihre Doktorprüfung erfolgreich ab. Im Jahr 2015 wurde Julia Kessler zur Geschäftsführerin der IwF GmbH (Institut für Werkzeuglose Fertigung) ernannt, die der Fachhochschule Aachen in Form eines An-Instituts angegliedert ist. Die IwF GmbH unterstützt Industriepartner insbesondere bei der Optimierung und Gestaltung der gesamten Prozesskette im Bereich der Additiven Fertigung. Kundenorientierte Forschung und Entwicklung, praxisnahe Schulungen und individuelle Beratung gehören zu den Kernkompetenzen der IwF GmbH. Seit Juni 2019 durchläuft Frau Kessler das Programm „Karriereweg FH Professur“ an der Hochschule Niederrhein am Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik.

Alexander Schwarz (PhD Student) hat nach Abschluss seiner Ausbildung zum technischen Assistenten für Werkstoffkunde und Metallographie zunächst seinen Bachelor of Engineering im Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Entwicklung und Konstruktion und im Anschluss seinen Master of Engineering in der Fachrichtung Produktentwicklung mit der Vertiefung konstruktiver Maschinenbau an der Fachhochschule Aachen absolviert. Parallel zum Master absolvierte er die Weiterbildung zum Internationalen Schweißfachingenieur (SFI) an der SLV in Duisburg.

Von 2012 bis 2016 war Alexander Schwarz Mitarbeiter im „Lehrgebiet für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing“ von Professor Andreas Gebhardt an der FH Aachen. Dort war er verantwortlich für die metallische Additive Fertigung und die konstruktive Umsetzung neuer Gestaltungsmöglichkeiten. Zusätzlich übernahm er als Dozent die Lehrveranstaltung Rapid Prototyping.

Seit Ende des Jahres 2016 leitet er bei der IwF GmbH die Konstruktion und ist zusätzlich verantwortlich für die Durchführung von Schulungen und Seminaren. Schwerpunktmäßig beschäftigt er sich mit dem Laserstrahlschmelzen und der Auslegung von Bauteilen hierfür.

Im Rahmen seiner Promotion beschäftigt sich Herr Schwarz mit neuen Gestaltungsmöglichkeiten zum Schweißen additiv hergestellter Bauteile und ihren Anwendungsgebieten.

Prasanna Rajaratnam, M.Sc., SFI studierte an der Fachhochschule Aachen und hat einen Bachelor in Maschinenbau mit der Vertiefung Fertigungsverfahren und einen Master in Industrial Engineering absolviert.

Er arbeitet seit 2012 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing. Seit 2014 ist er als Projektingenieur im GoetheLab for Additive Manufacturing an der Fachhochschule Aachen. Die Forschergruppe beschäftigt sich anwendungsorientiert mit der Additiven Fertigung von Metallen, Kunststoffen und Keramiken.

Seine Arbeiten umfassen auch werkstoffkundliche Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit der Metallwerkstoffe und zu den mechanisch-technologischen Verhalten der gedruckten Bauteile im Hinblick auf ihre Verwertbarkeit als Produkte.

Prasanna Rajaratnam ist seit 2014 zudem in der Forschergruppe „Aachener Zentrum für 3D-Druck“, einer Kooperation der Fachhochschule Aachen und dem Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT), tätig. Der Fokus dieser Kooperation liegt darin, kleinen und mittleren Unternehmen den Einstieg in die Additive Fertigung entlang der gesamten additiven Wertschöpfungskette zu erleichtern und dabei zu unterstützen.

Aktuell befasst sich Prasanna Rajaratnam fachlich und im Rahmen seiner Promotion mit der Prozessführung von Vergütungsstählen im L-PBF-Prozess und neuen Anwendungsbereichen der AM-Fertigungstechnologie.

Simon Scheuer

Simon Scheuer, M. Eng. SFI, startete seine berufliche Karriere mit einer Ausbildung zum Werkzeugmechaniker in der Automobilzuliefererindustrie. Anschließend studierte er an der Fachhochschule Aachen im Bachelor Maschinenbau mit der Vertiefung Konstruktion und Entwicklung und erweiterte diesen durch einen Masterabschluss in der Produktentwicklung.

Seit 2013 arbeitete er am Lehrstuhl für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing und wurde im „GoetheLab for Additive Manufacturing an der Fachhochschule Aachen“ von März 2015 bis Februar 2017 als Projektingenieur eingestellt. Die Forschergruppe beschäftigt sich anwendungsorientiert mit der Additiven Fertigung von Metallen, Kunststoffen und Keramiken. Der Fokus seiner Arbeiten lag dabei auf der Konstruktion und Konstruktionsautomatisierung, Simulation und Additiven Fertigung von Metallen.

Im März 2017 wechselte er in die Industrie zur Overath Gruppe, die auf die Verarbeitung von Partikelschäumen spezialisiert ist. Dort hat er zuerst als Entwicklungsingenieur gearbeitet, bevor er Konstruktions- und Entwicklungsleiter wurde. Hier befasst er sich mit der Fertigung von additiv hergestellten Werkzeugen.

Inhalt

Titelei

Impressum

Inhalt

Vorwort

Danksagung

Die Autoren

1 Einleitung

1.1 Zielsetzung für das Buch

1.2 Einordnung der additiven Fertigungsverfahren

1.3 Marktsituation

1.4 Anwendungsgebiete

1.5 Potenziale der Additiven Fertigung

1.5.1 Komplexe Geometrien

1.5.2 Leichtbau

1.5.3 Funktionsintegration

1.5.4 Ressourcenschonung

1.5.5 Losgrößen

1.5.6 Materialvielfalt

1.5.7 Individualisierung und Personalisierung

1.6 Schlussfolgerung

1.7 Historie der Produktgestaltung

1.8 Herausforderungen für Konstrukteure

1.8.1 Leichtbau & Ressourceneffizienz

1.8.2 Funktionsintegration

1.8.3 Reduktion des Montageaufwandes

1.8.4 Leistungssteigerung

1.9 Anwendungsbeispiele

1.9.1 Luft- und Raumfahrt

1.9.1.1 Airbus – Armlehne

1.9.1.2 Premium AEROTEC – Vent Bend

1.9.1.3 General Electric – Einspritzdüse

1.9.2 Automotiv

1.9.2.1 BMW i8 – Verdeckhalterung

1.9.2.2 Ford – Ansaugstutzen

1.9.2.3 APWORKS – Light Rider

1.9.3 Werkzeugbau

1.10 Ausblick Produktgestaltung

2 Additive Fertigung

2.1 Historie der Additiven Fertigung

2.2 Übersicht der additiven Fertigungsverfahren

2.2.1 Polymerisation

2.2.1.1 Stereolithographie

2.2.1.2 Polymerdruckverfahren und Thermojet-Drucken (Polymer Jetting)

2.2.1.3 HP Multi Jet Fusion

2.2.2 Lasersintern und Laserschmelzen

2.2.2.1 Lasersintern/Selektives Lasersintern (LS – SLS)

2.2.2.2 Laserschmelzen/Selektives Laserschmelzen (SLM)

2.2.2.3 Elektronenstrahl-Schmelzen

2.2.3 Layer Laminated Manufacturing

2.2.3.1 Laminated Object Manufacturing

2.2.3.2 Selective Deposition Lamination (SDL)

2.2.3.3 LLM Maschinen für Metallteile

2.2.3.4 Bauteile aus Metalllamellen – Laminated Metal Prototyping

2.2.4 3D-Drucken

2.2.4.1 Metall- und Formsand-Printer – ExOne

2.2.5 Extrusion/Fused Layer Manufacturing

2.2.5.1 Fused Deposition Modeling (FDM)

2.3 Materialvielfalt

2.3.1 Werkstoffe für die Stereolithographie

2.3.2 Werkstoffe für das Polyjetverfahren

2.3.3 Werkstoffe für das Pulver-Binderverfahren

2.3.4 Werkstoffe für das Lasersintern

2.3.5 Werkstoffe für das FLM-Verfahren

2.4 Gestaltungsgrundlagen

2.4.1 Normung und Standardisierung

2.4.2 Prozesseinfluss auf die Konstruktion

3 Laser Powder Bed Fusion

3.1 Prozessgrundlagen

3.1.1 Prozessablauf

3.1.2 Prozessparameter

3.1.3 Herausforderungen und Prozessgrenzen

3.1.4 Post-Processing

3.1.5 Prozessgrenzen

3.2 Materialien

3.2.1 Pulverwerkstoffe

3.2.1.1 Stähle

3.2.1.2 Aluminium

3.2.1.3 Titan

3.2.1.4 Nickelbasislegierungen

3.2.2 Pulverherstellung

3.2.3 Werkstoffqualifizierung

3.2.4 Werkstoffprüfung

3.2.5 Werkstoffkennwerte

3.2.6 Werkstoffkosten

3.3 Anlagenüberblick

3.3.1 Universalanlagen

3.3.2 Kleine Anlagen

3.3.3 Große Anlagen

3.3.4 Low-Cost-Anlagen

3.3.5 Integrierte Fertigungssysteme

4 Bauteilgestaltung für den L-PBF-Prozess

4.1 Grundlegende Konstruktionshinweise

4.1.1 Systematische Unterschiede in Konstruktion

4.1.2 Modelltypen und Datenformat

4.1.2.1 STL-Datenformat

4.1.2.2 AMF-Datenformat

4.2 Oberflächenstrukturen

4.2.1 Oberflächen

4.2.2 Standardoberfläche

4.2.3 Erzeugungsmethoden

4.2.3.1 Konstruktion mittels Vorlage (Einheitszelle)

4.2.3.2 Konstruktion mittels Visual Basic for Application (VBA)

4.2.4 Anwendungsbeispiele

4.3 Gitterstrukturen

4.3.1 Einteilung von Gitterstrukturen

4.3.2 Randbedingungen

4.3.3 Vorgehensweisen und Anwendungsbeispiele

4.3.3.1 Anwendungsbeispiele

4.3.3.2 Systematik für den Einsatz von Gitterstrukturen

4.3.4 Zusammenfassung

4.4 Topologieoptimierung

4.4.1 Randbedingungen

4.4.2 Auslegung

4.4.3 Vorgehensweise und Anwendungsbeispiele

4.4.4 Topologieoptimierung mit Startgeometrie

4.4.5 Topologieoptimierung mittels „Generative Design“

4.5 Funktionsintegration

4.5.1 Anwendungsbeispiele Kühlung

4.5.1.1 Auslegung von Kühlkanälen

4.5.1.2 Konstruktion einer Flächenkühlung

4.5.1.3 Konstruktion einer Parallelkühlung

4.5.2 Bewegliche Baugruppen

4.5.3 Anwendungsbeispiele bewegliche Baugruppen

4.5.4 Monolithische Bauweisen

4.6 Stützstrukturen und Orientierung im Bauraum

4.6.1 Einteilung

4.6.2 Randbedingungen

4.6.3 Auslegung

4.6.4 Vorgehensweisen und Anwendungsbeispiele

5 Nachbearbeitung

5.1 Wärmebehandlung

5.2 Grobbearbeitung

5.2.1 Trennung der Bauteile von der Plattform

5.2.2 Entfernung von Supportstrukturen

5.2.3 Spanende Nachbearbeitung

5.3 Feinbearbeitung

5.3.1 Nachbearbeitung von Supportoberflächen

5.3.2 Strahlen

5.3.3 Gleitschleifen

5.3.4 Polieren

6 Schlussfolgerung und Ausblick

6.1 Schlussfolgerung

6.2 Ausblick

1Einleitung