Generative Fertigungsverfahren, teilweise umgangssprachlich auch 3D-Druck genannt, halten in den letzten Jahren in vielen Branchen Einzug. In der Prototypenherstellung sind sie bereits ein etabliertes Fertigungsverfahren. Bei der Herstellung von Endprodukten sind sie in der Medizintechnik und in der Luft- und Raumfahrt auf dem besten Weg dazu. In der vorliegenden Arbeit wird die aktuelle Eignung dieser Verfahren für Maschinenbauunternehmen untersucht.
Als Referenzunternehmen steht hierfür die mittelständische Firma Schmitt Werke GmbH aus dem unterfränkischen Bischofsheim zur Verfügung. Das Hauptthema dieser Arbeit ist die systematische Bauteilauswahl. Hier stellt sich die Kernfrage: Welche Eigenschaften und Merkmale müssen Bauteile aufweisen um sie wirtschaftlich sinnvoll generativ herstellen zu können und wie kann man diese Bauteile zuverlässig identifizieren?
Die Arbeit gliedert sich in eine kurze Beschreibung der generativen Fertigungsverfahren mit deren Grenzen und Potenzialen, systematische Bauteilauswahl bestehend aus Grob – und Feinauswahl, Potenzialanalyse sowie die konstruktive Umgestaltung und zuletzt ein Vergleich von konventioneller, subtraktiver und formativer Herstellung zur generativen Herstellung. Verglichen werden sowohl die Kostenstruktur, die Prozesskette wie auch die Gestaltung der Bauteile.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel der Arbeit und Einschränkungen
1.3 Aufbau der Arbeit
1.4 Kurzprofil Schmitt Werke GmbH
1.4.1 MSB GmbH & Co. KG
1.4.2 IBS GmbH
1.4.3 Cleanscrape GmbH
2 Generative Fertigungsverfahren
2.1 Einteilung der Technologien
2.2 Beschreibung der Technologien
2.2.1 Pulverbett-basierte Technologien
2.2.1.1 Lasersintern (LS)
2.2.1.2 Selektives Laserschmelzen SLM
2.2.1.3 Elektronenstrahlschmelzen EBM
2.2.2 Pulverstrahl-basierte Technologien
2.2.2.1 Laserauftragsschweißen mit Pulver
2.2.3 Draht-basierte Technologie
2.2.3.1 Laserauftragsschweißen
2.3 Potenziale und Chancen
2.3.1 Erhöhte Gestaltungsfreiheit
2.3.1.1 Umsetzung komplexer Strukturen
2.3.1.2 Funktionsintegration und Bauteilverschmelzung
2.3.1.3 Entkopplung der Bauteilkosten und der Komplexität
2.3.2 Individualisierung von Bauteilen
2.3.3 Neue Verbindungselemente
2.3.4 Realisierung neuer Fertigungsstrategien
2.3.5 Umsetzung der Industrie 4.0
2.3.6 Realisierung neuer Werkstoffe
2.3.7 Steigerung der Nachhaltigkeit
2.4 Grenzen generativer Fertigungsverfahren
2.4.1 Bauteilgröße
2.4.2 Bauteilqualität
2.4.3 Maßgenauigkeit und Oberflächenrauigkeit im Bauprozess
2.4.4 Baugeschwindigkeit
2.4.5 Notwendigkeit von Stützstrukturen im Bauprozess
2.4.6 Folgeprozesse
2.4.7 Automatisierung
2.4.8 Prozesssicherheit und Qualitätsmanagement
3 Systematische Bauteilauswahl
3.1 Methodenauswahl
3.2 Grobauswahl
3.2.1 Stage-Gate-Methode
3.2.2 Stage 1 – Bauteilgröße
3.2.3 Stage 2 – geometrische Bauteilkomplexität
3.2.4 Stage 3 – Bauteilvarianten
3.3 Eignungsanalyse TOPSIS-Verfahren
3.3.1 Kriterienauswahl
3.3.1.1 Bauteilform
3.3.1.2 Losgröße
3.3.1.3 Bauteilkomplexität
3.3.1.4 Komplexität der Herstellung
3.3.1.5 Zerspanungsverhältnis
3.3.1.6 Werkstoffkosten
3.3.1.7 Zerspanbarkeit
3.3.1.8 Anzahl der Schnittstellen
3.3.1.9 Variantenanzahl
3.3.1.10 Anzahl der Passungsflächen
3.3.2 Ermittlung der Entscheidungsmatrix
3.3.3 Ermittlung der Gewichtungsmatrix mittels AHP
3.3.3.1 Paarweiser Vergleich der Kriterien
3.3.3.2 Aggregation der Paarvergleichsurteile zu Bedeutungsurteilen
3.3.3.3 Überprüfung der Gewichtungsmatrix
3.3.3.4 Konsistenzprüfung
3.3.4 Berechnung der gewichteten Entscheidungsmatrix
3.3.5 Bestimmung virtueller Alternativen und deren Abstandsmaße
3.3.6 Berechnung des Eignungsindexes
3.4 Ergebnisse
3.5 Ausgewählte Bauteile
3.6 Potenzialuntersuchung
3.7 Sensitivitätsanalyse der Auswahlmethodik
4 Konstruktive Überarbeitung der Bauteile
4.1 Doppelkammersprührohr – Wasser-Nebel-Bedüsung
4.1.1 Beschreibung
4.1.2 Funktionen des Bauteils
4.1.3 Anforderungen
4.1.4 Konstruktive Überarbeitung
4.1.5 Generative Herstellung
4.1.6 Nachbearbeitung
4.1.7 Kostenermittlung
4.1.7.1 Ermittlung der Bauzeit
4.1.7.2 Ermittlung des Maschinenstundensatzes
4.1.7.3 Ermittlung der Fertigungskosten
4.1.7.4 Ermittlung der Materialkosten
4.1.7.5 Ermittlung der Herstellkosten
4.2 Pumpengehäuse Schrämgetriebe
4.2.1 Beschreibung
4.2.2 Funktionen des Bauteils
4.2.3 Anforderungen
4.2.4 Konstruktive Überarbeitung
4.2.5 Generative Herstellung
4.2.6 Nachbearbeitung
4.2.7 Kostenermittlung
5 Vergleich der Herstellungsverfahren
5.1 Vergleich der Prozessketten
5.1.1 Prozesskette des Doppelkammersprührohrs – Wasser-Nebel-Bedüsung
5.1.2 Prozesskette des Pumpengehäuses – Ölumlaufpumpe
5.2 Vergleich der Herstellzeiten
5.3 Vergleich der Herstellkosten
6 Zusammenfassung
7 Ausblick
7.1 Weiterentwicklung der Auswahlmethodik
7.1.1 Unschärfe-Logik
7.1.2 Softwareentwicklung
7.2 Zukunft der Bauteile
7.2.1 Wasser-Nebel-Bedüsung
7.2.2 Pumpengehäuse
7.3 Zukunft der Fertigungsverfahren
7.3.1 Allgemeine Zukunftsaussichten der Technologien
7.3.2 Generative Fertigung bei den Schmitt Werken GmbH
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die systematische und methodische Untersuchung der Eignung von Bauteilen der Schmitt Werke GmbH für eine Fertigung mittels generativer Fertigungsverfahren. Nach einer Identifizierung geeigneter Bauteile sollen diese konstruktiv umgestaltet und ihre Herstellprozesse, Kostenstrukturen sowie Gestaltungsmöglichkeiten mit den bisherigen konventionellen Methoden verglichen werden.
- Methodische Bauteilauswahl und Eignungsanalyse mittels TOPSIS-Verfahren
- Analyse generativer Fertigungstechnologien und deren Potenzial für den Maschinen- und Anlagenbau
- Konstruktive Umgestaltung von Komponenten wie Doppelkammersprührohren und Pumpengehäusen
- Vergleich von Prozessketten, Herstellzeiten und Kosten zwischen konventioneller und generativer Fertigung
- Strategische Ausblicke auf die technologische Entwicklung und Implementierung bei der Schmitt Werke GmbH
Auszug aus dem Buch
3.3.1.4 Komplexität der Herstellung
Um die Komplexität der Fertigung zu bewerten, stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Neben der Betrachtung der Fertigungskosten und der Sondereinzelkosten der Fertigung besteht die Möglichkeit zur Analyse der Prozessschritte, auch bekannt als Prozesskettenanalyse. Diese Variante hat den Vorteil der detaillierteren Untersuchung aller notwendigen Arbeitsschritte. Allerdings ist diese Variante stark abhängig von der maschinellen Ausstattung des Unternehmens.
Maschinenwechsel- und Umspannschritte wurden bewusst als Prozessschritt definiert, da diese zum einen eine potenzielle Fehlerquelle bieten und zum anderen teilweise sehr zeitintensiv sind. Bei der Prozessanalyse wurden ausschließlich die Herstellprozesse betrachtet. Arbeitsschritte, die alle Bauteile gleichermaßen erfahren wie Zeichnungserstellung, Qualitätskontrolle oder Archivierung der Fertigungsunterlagen, wurden nicht weiter betrachtet oder bewertet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt die Problemstellung, die Zielsetzung der Arbeit sowie das Referenzunternehmen Schmitt Werke GmbH.
2 Generative Fertigungsverfahren: Kapitel 2 bietet eine theoretische Übersicht über die verschiedenen generativen Fertigungsverfahren, deren Potenziale und Grenzen.
3 Systematische Bauteilauswahl: In diesem Kapitel wird die methodische Auswahl der für eine generative Fertigung geeigneten Bauteile erläutert und durchgeführt.
4 Konstruktive Überarbeitung der Bauteile: Hier wird die konstruktive Anpassung zweier ausgewählter Bauteile für eine wirtschaftlich sinnvolle generative Herstellung detailliert beschrieben.
5 Vergleich der Herstellungsverfahren: Kapitel 5 widmet sich dem Vergleich der Prozessketten, Kosten und Fertigungszeiten zwischen konventionellen und generativen Methoden.
6 Zusammenfassung: Die Ergebnisse der Untersuchung werden hier gebündelt diskutiert und bewertet.
7 Ausblick: Der abschließende Teil bietet einen Ausblick auf die zukünftige technologische Entwicklung sowie auf mögliche Umsetzungsstrategien für die Schmitt Werke GmbH.
Schlüsselwörter
Generative Fertigungsverfahren, 3D-Druck, Additive Manufacturing, Systematische Bauteilauswahl, TOPSIS-Verfahren, Funktionsintegration, Bauteilverschmelzung, Maschinenbau, Anlagenbau, Prozesskettenanalyse, Konstruktive Umgestaltung, Potenzialanalyse, Wirtschaftlichkeit, Rapid Manufacturing, Industrie 4.0
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Bachelorarbeit untersucht die aktuelle Eignung generativer Fertigungsverfahren für mittelständische Maschinenbauunternehmen. Anhand der Schmitt Werke GmbH wird methodisch aufgezeigt, wie Bauteile für eine generative Fertigung identifiziert und konstruktiv optimiert werden können.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Kerngebiete umfassen die systematische Bauteilauswahl, die Analyse generativer Fertigungstechnologien, die konstruktive Optimierung von Bauteilen sowie der betriebswirtschaftliche Vergleich zwischen konventioneller und generativer Fertigung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, ein methodisches Auswahlverfahren zu entwickeln, um Bauteile zu identifizieren, deren generative Herstellung einen wirtschaftlichen Mehrwert gegenüber konventionellen Methoden bietet.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Zur methodischen Bauteilauswahl wird eine Kombination aus der Stage-Gate-Methode für die Grobauswahl und dem TOPSIS-Verfahren zur detaillierten Eignungsanalyse verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Betrachtung der Technologien, das entwickelte Auswahlverfahren, die praktische konstruktive Überarbeitung von Beispielen (Doppelkammersprührohr und Pumpengehäuse) und den anschließenden Vergleich der Prozessketten und Kosten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Additive Manufacturing, Systematische Bauteilauswahl, Prozesskostenvergleich, Funktionsintegration und Maschinenbau charakterisieren.
Warum wurde das Doppelkammersprührohr als Beispiel gewählt?
Das Doppelkammersprührohr erreichte im Auswahlverfahren den höchsten Eignungsindex (0,5373), was es zu einem prädestinierten Beispiel für die erfolgreiche Anwendung von Funktions- und Bauteilintegration macht.
Welche Rolle spielt die Software bei der Auswahlmethodik?
Die Arbeit betont, dass für die Anwendung des TOPSIS-Verfahrens keine Spezialsoftware erforderlich ist, da die Berechnungen mit Standard-Tabellenkalkulationsprogrammen durchgeführt werden können.
Was sind die Hauptergebnisse des Vergleichs der Herstellkosten?
Der Vergleich verdeutlicht, dass die untersuchten Bauteile in der generativen Fertigung aktuell noch kostenintensiver in der Herstellung sind (zwischen 3% und 20% höher), der Mehrwert jedoch in der Funktionsintegration und der reduzierten Anzahl an Bauteilen liegt.
- Arbeit zitieren
- Benedikt Enders (Autor:in), 2016, Rapid Manufacturing Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau. Systematische Bauteilauswahl, Potenzialanalyse und konstruktive Umsetzung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/321837
