Können die mit generativen Fertigungsverfahren hergestellten Produkte die Einsatzanforderungen der Automobilindustrie erfüllen?

Kriterienkatalog zur Unterstützung des flächendeckenden Einsatzes von 3D-Druckverfahren in der Ersatzteillogistik


Masterarbeit, 2017

104 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhalt

Danksagung

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Hintergrund und Problemstellung
1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

2. Theoretische Grundlagen
2.1 Grundlagen der Fertigungstechnik
2.1.1 Einführung
2.1.2 Urformen
2.1.3 Umformen
2.1.4 Trennen
2.1.5 Fügen
2.1.6 Beschichten
2.1.7 Stoffeigenschaft ändern
2.2 Generative Fertigungsverfahren
2.2.1 Entstehung generativer Fertigungstechnologien
2.2.2 Einordnung und Begriffsbestimmung Generativer Fertigungsverfahren
2.2.3 Konzept der Generativen Verfahren
2.2.3.1 Eigenschaften der Generativen Fertigungsverfahren
2.2.3.2 Grund-Prinzip des schichtweisen Aufbaus
2.2.3.3 Übersicht der generativen Verfahrensprinzipien
2.2.4 Verfahrensablaufgrundlagen
2.2.4.1 Prozesskette
2.2.4.2 Prozessvorbereitung (Pre-Prozess)
2.2.4.3 Generative Fertigungsprozess (In-Prozess)
2.2.4.4 Folgeprozess (Post-Prozess)
2.2.5 Generative Fertigungsverfahren für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing
2.2.5.1 Rapid Prototyping
2.2.5.2 Rapid Manufacturing
2.2.5.3 Nicht generative Verfahren – Indirect Prototyping und Indirect Tooling
2.2.5.4 Generative Verfahrensprozesse
2.3. Industrie 4.0
2.3.1 Von der industriellen Revolution zur Industrie 4.0
2.3.2 Hintergründe zum Begriff Industrie 4.0
2.3.3 Definition von Industrie 4.0
2.3.4 Merkmale und Komponenten der Industrie 4.0
2.3.4.1 Relevante Merkmale von Industrie 4.0
2.3.4.2 Komponenten der Industrie 4.0
2.3.4.3 Risiken und Herausforderungen im Rahmen von Industrie 4.0
2.3.4.4 Generative Fertigungsverfahren als Baustein der Industrie 4.0
2.4 Grundlagen der Ersatzteillogistik
2.4.1 Relevanz der Ersatzteillogistik
2.4.2 Ersatzteil / Ersatzteilbedarf
2.4.3 Ersatzteilmanagement und Ersatzteillogistik
2.4.4 Kundenbezogene ersatzteillogistische Prozesse
2.4.5 Ersatzteillogistische Unterstützungsprozesse
2.4.6 Problemkreise der Ersatzteillogistik

3. Stand der Technik in der Fahrzeugbauindustrie im Rahmen der Industrie 4.0
3.1. Ersatzteillogistik der Fahrzeugbauindustrie
3.2 Generative Fertigungsverfahren in der Ersatzteillogistik der Fahrzeugbauindustrie im Hinblick auf die Industrie 4.0

4. Verbesserungsmöglichkeiten der Ersatzteillogistik bei dem flächenmäßigen Einsatz von Generativen Fertigungsverfahren
4.1 Einsatz generativer Fertigungsverfahren in der Ersatzteillogistik anderer Branchen
4.2 Verbesserung der Ersatzteillogistik in der Fahrzeugbauindustrie durch die Nutzung Generativer Fertigungsverfahren im Hinblick auf die Industrie 4.0

5. Bewertung der 3D-Druckverfahren für ein metallisches Endkundenbauteil der Ersatzteillogistik anhand eines Kriterienkatalogs
5.1 Methodik der Bewertung
5.2 Entwicklung eines Kriterienkatalogs zur Bewertung von 3D-Druckverfahren in der Ersatzteillogistik
5.2.1 Relevante Kriterien vor dem Einsatz von generativen Fertigungsverfahren
5.2.2 Zusammenstellung der wichtigsten Kriterien für die Ersatzteillogistik
5.3 Bewertung der 3D-Druckverfahren für ein metallisches Endkundenbauteil der Ersatzteillogistik anhand eines Kriterienkatalogs mit einem Scoring-Modell
5.3.1 Bewertungsschema und Bauteilauswahl
5.3.2 Konventionelle Fertigungsverfahren (Feinguss)
5.3.3 Laserschmelzen (Selektive Laser Melting – SLM)
5.3.4 Lasersintern (Selective Laser Sintern – SLS)
5.3.5 Schichtlaminatverfahren (Layer Laminate Manufacturing – LLM)

6. Diskussion der Ergebnisse
6.1 Auswertung der Ergebnisse
6.2 Limitation der Arbeit

7. Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Einteilung der Fertigungsverfahren

Abbildung 2: Ausschnitt der Einteilung von Fertigungsverfahren (nach DIN 8580)

Abbildung 3: Automatisierungsgrade der Fertigung

Abbildung 4: Vergleich der Fertigungsarten nach REFA.

Abbildung 5: Kriterien bei der Auswahl der Fertigungsverfahren nach Westkämper/ Warnecke

Abbildung 6: Technologie der Generativen Fertigungsverfahren / Additive Manufacturing / 3D Printing und ihre Gliederung in die Anwendungen Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing und Rapid Tooling

Abbildung 7: Nomenklatur von Modellklassen und -typen von Rapid Technologien

Abbildung 8: Typische Einsatzfelder von Prototypen im Produktentstehungsprozess

Abbildung 9: Schichtbauprinzip am Beispiel eines Sculpture-Puzzles

Abbildung 10: Klassifizierung der generativen Verfahren nach dem Aggregatzustand der verwendeten Ausgangsmaterialien

Abbildung 11: Verfahrensprinzipien generativer Fertigung

Abbildung 12: Direkte und indirekte Prozesskette für die additive Fertigung

Abbildung 13: Datenbezogener Ablauf in generativen Fertigungsverfahren

Abbildung 14: Datenexportschritte während der generativen Fertigung

Abbildung 15: 3D-Musterbauteil und Schnitt zur Darstellung der Konturen und Flächen

Abbildung 16: Bauprozess beim schichtweisen Aufbau

Abbildung 17: Struktur der Technologie Generativer Fertigungsverfahren in Abhängigkeit von denAnwendungen Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing

Abbildung 18: Rapid Prototyping - Konzeptmodell oder Solid Image Funktionsprototypen

Abbildung 19: Prinzipdarstellung der Stereolithografie

Abbildung 20: Prinzipdarstellung Lasersintern

Abbildung 21: Prinzipdarstellung Laserschmelzen

Abbildung 22: Prinzipdarstellung Layer Laminated Manufacturing

Abbildung 23: Prinzipdarstellung des Fused Layer Modelling

Abbildung 24: Prinzipdarstellung 3-D-Drucken

Abbildung 25: Die vier Stufen der Industriellen Revolution

Abbildung 26: Die Zukunftsprojekte der Hightech-Strategie

Abbildung 27: Handlungsfelder zur Umsetzung von Industrie 4.0

Abbildung 28: Abgrenzung CIM vs. Industrie 4.0

Abbildung 29: Relevante Merkmale der Industrie 4.0

Abbildung 30: Das horizontale Wertschöpfungsnetzwerk

Abbildung 31: Durchgängiges System-Engineering für gesamte Wertschöpfungskette

Abbildung 32: Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme

Abbildung 33: Komponenten der Industrie 4.0

Abbildung 34: Das Internet der Dinge und Dienste (IoTS)

Abbildung 35: Cyber-physisches System (CPS) in der Industrie 4.0

Abbildung 36: Risiken und Herausforderungen bei der Umsetzung der Industrie 4.0

Abbildung 37: Typologie von Ersatzteilen

Abbildung 38: Optimierungsproblem in der Ersatzteilwirtschaft

Abbildung 39: Lagerhaltungsstrategien

Abbildung 40: Phasen des Bedarfsverlaufs von Ersatzteilen

Abbildung 41: Einflussfaktoren auf die Prognose für Ersatzteilbedarfe

Abbildung 42: Vom Verfasser erarbeitetes Scoring-Model

Abbildung 43: Vergleich generativer Fertigungsverfahren und deren Eignung für die Serienfertigung

Abbildung 44: Eignung additiver Fertigungsverfahren für RM inkl. verarbeitbarer Materialien

Abbildung 45: Bewertung des Feingussverfahrens anhand des Scoring-Models

Abbildung 46: Bewertung des SLM-Verfahrens anhand des Scoring-Models

Abbildung 47: Bewertung des SLS-Verfahrens anhand des Scoring-Models

Abbildung 48: Bewertung des LLM-Verfahrens anhand des Scoring-Models

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei all denjenigen bedanken, die mich während der Anfertigung dieser Masterarbeit unterstützt und motiviert haben.

Ein besonderer Dank gebührt meinem Betreuer Herrn Dipl.-Ing. Frank Marrenbach für die Unterstützung und Förderung sowie für die Übernahme des Erstgutachtens.

Ein liebevoller Dank gilt vor allem meiner Frau Sylvia und meinen Kindern, ohne deren Entbehrung, Verständnis, Unterstützung und Geduld für mein zeitaufwendiges Studium diese Arbeit nicht hätte entstehen können und meinen Eltern, die mir diesen Weg ermöglicht haben.

1. Einleitung

1.1 Hintergrund und Problemstellung

Ende des 19. Jahrhunderts wurden die ersten Autos in aufwendiger Handarbeit produziert. Aus diesem Grund waren die ersten motorisierten Fahrzeuge sehr teuer, selten und fehlerhaft, sodass nur wohlhabende Menschen sich die Fahrzeuge leisten konnten. Dies änderte sich mit der Fließbandfertigung von Henry Ford. Diese minimierte die Fahrzeugproduktionskosten, sodass auch der Mittelstand und untere Bevölkerungsschichten motorisierte Fahrzeuge erwerben konnten. Zur weiteren Kostenminimierung wurde die Fertigung weiter vereinfacht und keine Modellvariation zugelassen. So konnten die Kunden die Fahrzeuge beispielsweise nur in der Farbe Schwarz kaufen.[1]

In der Mitte des 20. Jahrhunderts begannen die Kunden nach mehr Vielfalt zu verlangen und somit nach Individualisierung der Fahrzeuge. Die Autobauer sahen sich mit wachsender Variantenvielfalt konfrontiert. Darüber hinaus änderten sich die Wettbewerbsbedingungen. Ein zunehmend gesättigter Markt erforderte ein breiteres Leistungsangebot und veränderte Wettbewerbsstrategien.[2] Nach Porter gibt es drei generische Wettbewerbsstrategien: Kostenführerschaft (Generierung von Vorteilen durch Kostendegressionseffekte, Lerneffekte und Automatisierung), Differenzierung (Angebot von kundenspezifischen Produkten) und Fokussierung auf Nischen. Die Strategie der Kostenführerschaft und die der Differenzierung schließen sich gegenseitig aus. Damit Unternehmen wettbewerbsfähig bleiben, müssten individualisierte Produkte zu konkurrenzfähigen Preise angeboten werden. Das bedeutet, dass kundenindividuelle Produkte zu Kosten der Massenproduktionsprodukte angeboten werden.[3] Deswegen wurde ab den 1990er Jahre die hybride Wettbewerbsstrategie der kundenindividuellen Massenproduktion (englisch „Mass Customization“) immer wichtiger für die Unternehmen. Unter „Mass Customization“ versteht man die Kombination aus Differenzierung und Kostenführerschaft. Mit der Einführung der „Mass Customization“ entstanden weitere Herausforderungen, unter anderem eine steigende Komplexität der Fahrzeuge in Verbindung mit einer starken Erhöhung der Modellanläufe, die den Produktentwicklungsprozess und den Produktlebenszyklus reduzierten.[4]

Die kundenindividuelle Massenproduktion hat zur Folge, dass mehr Ersatzteile vorgehalten werden müssen, damit der Ersatzteilbedarf schnell gedeckt werden kann. Die sogenannte Ersatzteillogistik beschreibt den Prozess des Bereitstellens von Ersatzteilen für Maschinen und Produkte.Eine schnelle Deckung des Kundenersatzteilbedarfs hat einen stark positiven Einfluss auf die Kundenzufriedenheit sowie -bindung und somit auf den Unternehmenserfolg. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der Sicherstellung einer hohen Verfügbarkeit von Ersatzteilen, die vor allem durch hohe Lagerbestände realisiert werden. Hohe Lagerbestände verursachen jedoch wiederum hohe Lagerhaltungskosten aufgrund der damit verbundenen Kapitalbindung.

Eine Möglichkeit Lagerbestände zu reduzieren besteht in der Nutzung des 3D-Druck-Verfahrens. Das Verfahren ermöglicht bei Bedarf die schnelle Produktion von Ersatzteilen anhand von CAD-Dateien. Damit kann ein Großteil der Lagerkapazitäten eingespart werden. Ersatzteile, die einen geringen Bedarf haben, müssen so nicht mehr vorgehalten werden. Damit werden die Lagerhaltungskosten stark reduziert. Außerdem findet eine Verlagerung des Produktionsortes der Ersatzteile hin zum Gebrauchsort statt, indem die 3D-Druck-Anlagen vor Ort beim Kunden aufgestellt werden, wie etwa in der Werkstatt oder beim Ersatzteilhändler. So können Logistikkosten, wie bspw. Transportkosten, eingespart und der Kundenbedarf dennoch schnell gedeckt werden. Durch die Verbindung der Industrie 4.0 mit den 3D-Druck-Verfahren wird eine Flexibilisierung der Produktion von Ersatzteilen ermöglicht, die dazu führt, dass der Kunde Ersatzteile dezentral (über das Internet) anpassen und das Unternehmen erst bei Bedarf die Ersatzteile kurzfristig und automatisiert ausdrucken kann.[5]

Trotz der Vorteile, die die 3D-Verfahren ermöglichen, wird der 3D-Druck in der Automobilindustrie meist nur für die Prototypenentwicklung genutzt und kaum für einsatzfähige Ersatzteile. Die Hersteller haben insbesondere noch Bedenken bezüglich der Erfüllung von Einsatzanforderungen, wieSicherheitsanforderungen, Festigkeit oder Beschaffenheit, und der Konkurrenzfähigkeit zu konventionellen Verfahren bei hohen Stückzahlen.

1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Kriterienkatalog zur qualitativen Bewertung der Frage, ob die mit Generativen Fertigungsverfahren hergestellten Produkte die Einsatzanforderungen der Automobilindustrie erfüllen, zu erstellen. Mit der Bewertung soll der flächenmäßige Einsatz von Generativen Fertigungsverfahren in der Ersatzteillogistik der Fahrzeugbauindustrie unterstützt werden, insbesondere vor dem Hintergrund der kommenden vierten industriellen Revolution, bei der die Generativen Fertigungsverfahren ein wichtiger Baustein sein werden. Hierbei sollen auch Verbesserungspotenziale bei der Nutzung Generativer Fertigungsverfahren im Verbund mit der Industrie 4.0 dargestellt werden.

Bevor die Bewertung durchgeführt werden kann, werden zunächst die theoretischen Grundlagen der Fertigungstechnik und speziell der Generativen Fertigungsverfahren erläutert. Anschließend wird die Industrie 4.0 beschrieben und die Vorteile der Kombination mit 3D-Druckverfahren aufgezeigt. Nachdem die Grundlagen der Ersatzteillogistik beschrieben wurden, werden darauf aufbauend diese Themengebiete auf die Automobilbranche bezogen betrachtet. Im Anschluss daran, wird der Einsatz von 3D-Druckverfahren in anderen Branchen aufgezeigt und Verbesserungsmöglichkeiten bei der Anwendung Generativer Fertigungsverfahren in Kombination mit der Industrie 4.0 für die Automobilindustrie dargestellt. Darauf folgt die Entwicklung eines Kriterienkatalogs, der als Grundlage für die Bewertung der Verfahren anhand eines Scoring-Modells dient. Nach der Entwicklung des Kriterienkatalogs werden die Verfahren anhand eines Scoring-Models bewertet. Hierbei wird auf die Erfüllung der Anforderungskriterien für den Echteinsatz eines beispielhaften Produkts geachtet, das generativ hergestellt werden kann. Anschließend werden die Ergebnisse ausgewertet und die Limitation der Ergebnisse verdeutlicht. Abschließend werden die Erkenntnisse dieser Arbeit in einem Fazit zusammengetragen und es wird ein Ausblick auf die kommende Entwicklung gewährt.

2. Theoretische Grundlagen

2.1 Grundlagen der Fertigungstechnik

2.1.1 Einführung

„Die Fertigungstechnik ist ein Teil der übergeordneten Produktionstechnik.“[6] Mithilfe der Fertigungstechnik und ihrer Verfahren können formschaffende, formverändernde und stoffeigenschaftsändernde Vorgänge realisiert werden. Die Fertigungstechnik ist das Fundament für die Hauptgeometrie (Teileform), die Fehlergeometrie (funktionsbedingte Toleranzen) und die Mengenleistung (Produktivität) bei der Produktion industrieller Erzeugnisse.[7] Das Ziel der Fertigungstechnik ist die ökonomische Produktion eines durch einen Informationsträger vorgegebenen Werkstücks.[8]

Nach DIN 8580 werden alle Verfahren zur Produktion von geometrisch bestimmten festen Körpern als Fertigungsverfahren bezeichnet. Dies schließt auch Verfahren zur Gewinnung erster Formen aus dem formlosen Zustand, zur Veränderung der Form und zur Veränderung der Stoffeigenschaften ein, siehe Abbildung 1.[9] Des Weiteren werden nach DIN 8580 die Fertigungsverfahren in fünf Hauptgruppen untergliedert. Die Verfahrenshauptgruppen werden nach den nachfolgenden Kriterien des Zusammenhaltes und der Formänderung klassifiziert:

1. Zusammenhalt und Form schaffen: Urformen,
2. Zusammenhalt beibehalten und Form ändern: Umformen,
3. Zusammenhalt vermindern und Form ändern: Trennen,
4. Zusammenhalt vermehren und Form ändern: Fügen,
5. Zusammenhalt vermehren und Form beibehalten: Beschichten,
6. Zusammenhalt und Form nicht ändern: Stoffeigenschaftsändern.[10]

Aufgrund der Vielfalt der Fertigungsverfahren enthält die Norm DIN 8580 diese systematische Einteilung der Fertigungsverfahren. Die systematische Einteilung wird in einer zweidimensionalen Ordnungsmatrix mit den sechs Hauptgruppen dargestellt. In diesem Ordnungssystem hat jedes Fertigungsverfahren eine spezifische mehrstellige Ordnungsnummer (ON), die sich wie folgt bildet: Hauptgruppe (1. Stelle der ON: Einteilung), Gruppen (2. Stelle der ON: Unterteilung) und Untergruppen (3. Stelle der ON: Verfahren), siehe Abbildung 2.[11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Einteilung der Fertigungsverfahren. Risse (2012): 2.

Abbildung 2: Ausschnitt der Einteilung von Fertigungsverfahren (nach DIN 8580). In Klammern: Beispiele. Fritz (2015): 3.

Die verschiedenen Fertigungsverfahren legen, zusätzlich zu den stofflichen Eigenschaften und der Hauptgeometrie, die Fehlergeometrie der Werkstückgestalt als wesentliche Größe der Qualität des zu fertigenden Teils fest. Die Werkstückgestalt bildet sich aus zwei Gestalten. Zum einen aus der Grobgestalt, die durch Maß, Form und Lage bestimmt wird, und zum anderem aus der Feingestalt (Oberflächengüte), die durch Welligkeit und Rauheit ausgedrückt wird. Die Erfüllung der geforderten Maße, der Form und Lage bestimmter geometrischer Elemente und die Oberflächengüte bilden die Fehlergeometrie eines Werkstücks. Jedes Werkstück weicht vom Sollmaß ab. In einem Toleranzsystem für Maß, Form und Lage sind die erlaubten Abweichungen für einzelne Bestandteile der Fehlergeometrie geregelt. Die Maß-, Form- oder Lageabweichung ist abhängig von den ausgewählten Fertigungsverfahren. Um verschiedene Produkte mit unterschiedlichen Maßen, Formen und Lagen herzustellen, gibt es unterschiedliche Fertigungsverfahren bzw. Kombinationen von Fertigungsverfahren. Eine hohe Qualität bedingt sich durch eine geringe Abweichung vom Sollmaß und die Einhaltung der Toleranzgrenzen. Je höher die Qualität, desto höher sind die Kosten. Somit sind die Kosten der Fertigung abhängig von der geforderten Qualität des Werkstückes.[12] Hier zeigt sich deutlich die Bedeutung der guten Auswahl der Fertigungsverfahren für die qualitätsgerechte und ökonomische Fertigung von Werkstücken. Durch die Entscheidung für ein Fertigungsverfahren werden die Eigenschaften und die erzielbare Qualität sowie die Kosten von Anfang an definiert. Damit werden auch der Automatisierungsgrad des gesamten Fertigungsprozesses, z. B. Handfertigung, mechanisierte, teilautomatisierte und vollautomatisierte Fertigung, siehe Abbildung 3, und die möglichen Fertigungsarten festgelegt, wie Einzelfertigung, Serienfertigung oder Massenfertigung, siehe Abbildung 4.[13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Automatisierungsgrade der Fertigung. Risse (2012): 4.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Vergleich der Fertigungsarten nach REFA. Risse (2012): 4.

Die Auswahl des bestmöglichen Fertigungsverfahrens hängt von den Anwendungsgrenzen der verschiedenen Verfahren bezüglich der zu bearbeitenden Formelemente, den form-elementspezifischen Abmessungen, Toleranzen und Oberflächenmerkmalen von Werkstoffen des zu bearbeitenden Werkstücks und von den zu realisierenden Stoffeigenschaften ab. Es gibt weitere Kriterien, die einen Einfluss auf die Entscheidung für ein Fertigungsverfahren haben, siehe Abbildung 5.[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Kriterien bei der Auswahl der Fertigungsverfahren nach Westkämper/Warnecke. Risse (2012): 9.

Nach Fritz müssen die Fertigungsverfahren und Fertigungssysteme so ausgewählt werden, dass die Werkstücke in ausreichender Stückzahl und Qualität bei kleinstmöglichen Kosten sowie unter ergonomischen und umweltverträglichen Bedingungen hergestellt werden können.[15] Das Fundament dieser Verbesserungsstrategie ist die Kenntnis der einzelnen Fertigungsverfahren. Die einzelnen Fertigungsverfahren lassen sich nicht mehr isoliert betrachten, sondern müssen als Kette von vor- und nachgelagerten und teilweise bedingenden Fertigungsstufen im technologischen Prozess umfassend betrachtet werden.[16] Daraus ergeben sich wichtige Strategien bei der Verbesserung von Fertigungsfolgen:

- die Minimierung von Kosten, von Fertigungszeiten bzw. Durchlaufzeiten und von Kapitalbindung
- die Maximierung der zeitlichen und technischen Ausnutzung der jeweiligen einzelnen Fertigungsverfahren[17]

Dies kann durch die Reduzierung der Anzahl erforderlicher Fertigungsschritte erreicht werden, indem die größer werdende Anwendungsbreite und Formgebungsmöglichkeiten von Fertigungsverfahren sowie die weitgehende Annäherung der Ausgangsform (Rohteil) an das Fertigteil („Near-Net-Shape“-Technologie oder endkonturnahe Teilefertigung zur Erhöhung der Energie-Effizienz und Werkstoffausnutzung) ausgenutzt werden. Damit könnten die Produktivität, Flexibilität, Zuverlässigkeit und die Qualität von Produktion und Produkt gesteigert werden.[18]

Zusammenfassend stellt sich die Frage nach der Auswahl der bestmöglichen Fertigungsverfahren immer auch als Frage nach der Kenntnis der Besonderheiten der eingesetzten Materialien, der Verfahren bezüglich ihrer Anwendungsgrenzen für die spezielle Fertigungsaufgabe und ihrer Wirtschaftlichkeit sowie der Umsetzbarkeit unter ergonomischen Bedingungen.[19] In den nächsten Kapiteln werden die genannten 6 Hauptgruppen näher betrachtet.

2.1.2 Urformen

Nach DIN 8580 ist Urformen, als formschaffendes Fertigungsverfahren, das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes.[20] Hierbei lassen sich die Stoffeigenschaften des Werkstückes messtechnisch bestimmen.[21] Formlose Stoffe sind z. B. Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Fasern und Späne.[22] Auch die Übergangszustände wie Dampf, Brei, Paste gehören zu den formlosen Stoffen. Somit ergeben sich folgende mögliche Urformvarianten:

1. Urformen aus dem flüssigen Zustand,
2. Urformen aus dem plastischen Zustand,
3. Urformen aus dem breiigen Zustand,
4. Urformen aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand,
5. Urformen aus dem span- und faserförmigen Zustand,
6. Urformen aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand,
7. Urformen aus dem ionisierten Zustand.

Verschiedene Autoren zeigen weitere Strukturierungen der Verfahren, da die weiteren Einteilungskriterien noch nicht strukturiert und standardisiert sind.[23] Die Erzeugung fester Körper (zum Großteil Metalle) mithilfe des Urformens wird durch die nachfolgenden wichtigsten Verfahren ermöglicht:

- Gießen von metallischen Materialien (Herstellung aus dem flüssigen oder breiigen Zustand),
- Pulvermetallurgie: Pressen, im Anschluss Sintern (Herstellung aus dem festen, körnigen, oder pulverigen Zustand),
- Additive Fertigungsverfahren (schichtweiser Aufbau von Bauteilen mit fast beliebiger Geometrie).[24]

Die Qualitätskriterien der Werkstücke wie Form-, Maß- und Oberflächengüte sowie ihre mechanischen und physikochemischen Eigenschaften werden mit der Auswahl eines Urformverfahrens festgelegt. Darüber hinaus werden durch die Auswahl auch die ökonomischen Kennzahlen beeinflusst.[25]

2.1.3 Umformen

Nach Din 8582 ist Umformen ein Fertigungsverfahren, bei dem ein fester Körper mithilfe von bildsamem (plastischem) Ändern der Form gefertigt wird.[26] Hierbei wird eine Roh- oder Werkstückform in eine andere ausgewählte Zwischen- oder Fertigteilform verformt.[27] Die Verformung des Werkstoffs verändert die Masse und den Stoffzusammenhang des Werkstoffes nicht.[28] Für diesen Vorgang wird vorausgesetzt, dass das Werkstück sich bei ausreichender Krafteinwirkung plastisch verformt. Die Fähigkeit eines Werkstoffes, sich ohne Änderung des Stoffzusammenhaltes zu verformen, wird Bildsamkeit genannt. Die Bildsamkeit hängt von dem Werkstoff, dem Spannungszustand, der Temperatur und der Umformgeschwindigkeit ab. Die Einteilung der Umformverfahren nach den Nennbeanspruchungen und den Hauptbewegungen resultiert aus dieser Abhängigkeit. Äußere Betätigungskräfte oder -momente sind Hauptbewegungen, die Relativbewegungen zwischen Werkzeugelementen erzeugen, die in ihrem Zusammenwirken das Auftreten plastischer Formänderungen zufolge haben.[29] Nach DIN 8552 werden die Umformverfahren, neben Hauptbewegungen, bei der Berücksichtigung der wirksamen Spannungen in der Umformzone in die nachfolgenden fünf Beanspruchungsgruppen eingeteilt:[30]

- Druckumformen: ein fester Körper wird durch eine ein- oder mehrachsige Druckbeanspruchung plastisch umgeformt,
- Zugdruckumformen: ein fester Körper wird durch eine zusammengesetzte Zug- und Druckbeanspruchung plastisch umgeformt,
- Biegeumformen: ein fester Körper wird durch eine Biegebeanspruchung plastisch umgeformt,
- Schubumformen: ein fester Körper wird durch eine Biegebeanspruchung plastisch umgeformt.[31]

2.1.4 Trennen

Nach DIN 8580 ist Trennen das Aufheben des Stoffzusammenhaltens von Körpern beim Fertigen. Hierbei wird der Zusammenhalt zum Teil oder komplett verringert.[32] Beim Trenn-verfahren wird somit die Form eines Körpers geändert und der Zusammenhalt örtlich aufgehoben.[33] Das Werkstück wird an einer Stelle, der sogenannten Wirkstelle, an der das Werkzeug während des Trennprozesses Kraft auf das Werkstück ausübt, getrennt. Zusammen werden das Werkzeug und das Werkstück als Wirkpaar bezeichnet. Für die Realisierung des Trennprozesses sind Relativbewegungen (Schnitt-, Vorschub- und Zustellbewegungen) zwischen Werkzeug und Werkstück erforderlich, die von einem oder beiden Teilen des Wirkpaares durchgeführt werden. Die Umwandlung der von außen zugeführten Energie bzw. Leistung beim Trennprozess in Trenn-, Verformungs- und Reibungsleitung findet an der Wirkstelle statt und wird über das Wirkpaar als Wärme abgeführt.[34] Das Trennverfahren wird in die Hauptgruppe 3 eingeordnet und unterteilt sich nach DIN 8580 in mehrere Fertigungsverfahren.[35] Nachfolgend die wichtigsten Fertigungsverfahren für die industrielle Produktion:

- Zerteilen (Scherschneiden von Blechen): mechanisches Trennen von Werkstücken ohne die Bildung von formlosem Stoff,
- Spanen (mit geometrisch bestimmten/unbestimmten Schneiden): Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidkeile und Lage der Schneiden sind zum Werkstück definiert / nicht definiert,
- und Abtragen: Abtrennen von Stoffteilchen von einem festen Körper auf nicht mechanischem Wege.[36]

2.1.5 Fügen

Nach DIN 8580 ist Fügen ein Verfahren, bei dem ein dauerhaft angelegtes Verbinden oder sonstiges Zusammenbringen von zwei oder mehreren Werkstücken geometrisch bestimmter fester Form oder von anderen Werkstücken mit formlosem Stoff ermöglicht wird. Daraus resultierend wird der Zusammenhalt lokal erzeugt und in der Gesamtheit vermehrt.[37] Durch Fügen werden die Werkstücke miteinander verbunden oder es wird eine fest anhaftende Oberflächenschicht erzeugt.[38] Nach Risse hat die Fügetechnik die Aufgabe, „die bis auf einfach gestaltete und wirtschaftlich zu fertigende Bauelemente aufgegliederte Konstruktion zu Bauteilen, Baugruppen und zum Erzeugnis zusammenzufügen und zwar so, dass alle Sicherheits- und Funktionsanforderungen erfüllt werden.“[39] Bei dem Fertigungsprozess ist der Fügeprozess eine Prozessstufe mit vor- und nachgelagerten Prozessstufen und Arbeitsvorgängen, die eine bestimmte Verkettung zum Teilprozess Fügen haben, beispielsweise die erforderliche Fügeflächenvorhandlung oder die nachfolgende Wärmebehandlung.

Nachfolgend einige realisierte Fügeverfahren:

- Fügen durch An- und Einpressen: größtenteils lösbare Verbindungen, z. B. Stiftverbindung oder Keilverbindung,
- Fügen durch Umformen: durch Umformen der Fügeteile ohne oder mit bestimmten Verbindungselementen,
- Fügen durch Schweißen: Verbindung durch größtenteils kohäsive Kräfte (innere Festigkeitsverbindung), Einsatz von Wärme oder Kraft zur Vereinigung der Fügeteile, Veränderung des Werkstoffzustands in flüssiger oder plastischer Form,
- Fügen durch Kleben: Verbindung durch größtenteils adhäsive Kräfte (Flächenhaftungsverbindung) an den Fügeflächen und kohäsive Kräfte (innere Festigkeitsverbindung) im Klebstoff, feste Verbindung zwischen Fügeteilen mithilfe von größtenteils flüssigen synthetischen Werkstoffen,
- Fügen durch Löten: Verbindung durch größtenteils adhäsive Kräfte (Flächenhaftungsverbindung) an den Fügeflächen und kohäsive Kräfte (innere Festigkeitsverbindung) im Lot, Verbindung von meistens metallischen Werkstoffen mithilfe eines geschmolzenen Zusatzmetalls (Lot).[40]

2.1.6 Beschichten

In DIN 8580 wird Beschichten als Fertigen bezeichnet, bei dem auf ein Werkstück eine festhaftende Schicht aus einem formlosen Stoff aufgebracht wird. Der herrschende Beschichtungsstoffzustand kurz vor dem Beschichten ist ausschlaggebend für die Realisierung des Prozesses.[41] Nach DIN 8580 wird die Hauptgruppe Beschichten nach verfahrenstechnischen Aspekten bzw. nach dem Aggregatzustand des Beschichtungsstoffes unterteilt. Mögliche Beschichtungsstoffe können aus metallischen, anorganisch-nichtmetallischen (Keramik) oder organischen (Lack) Werkstoffen bestehen. Technisch betrachtet drückt der Begriff „Beschichten“ das Aufbringen funktioneller Schichten auf Grundmaterial (Werkstücke bzw. Bauteile) mithilfe unterschiedlicher Verfahren aus.[42] Mögliche Eigenschaften funktioneller Schichten können die Erhöhung der Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit sowie definierte physikalische oder chemische Eigenschaften, wie elektrisch leitende oder isolierende Schichten oder bestimmte optische Eigenschaften sein.[43]

Nachfolgend werden ausgewählte Untergruppen der Hauptgruppe Beschichten kurz beschrieben:

- Beschichten aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand: Bildung von dünnen Schichten durch Transportation atomarer Teilchen auf einem Substrat mithilfe der Dünnschichtverfahren,

- Beschichten aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand: wichtigstes und am weitesten verbreiteten Verfahren ist das Lackierverfahren. Lackieren charakterisiert den Prozess für die Bildung einer zusammenhängenden Beschichtung (Lackfilm) mit einem Beschichtungsstoff (Lack) auf Grundlage organischer Bindemittel,

- Beschichten aus dem ionisierten Zustand: Durchführung der Beschichtung von Werkstücken in Elektrolyten (elektrische Leiter meistens wässrige Metallsalzlösung), Erzeugung der Leitfähigkeit durch elektrolytische Dissoziation in Ionen.[44]

2.1.7 Stoffeigenschaft ändern

In DIN 8580 wird das Fertigen bei dem die Werkstofffunktionen, aus denen ein Werkstück besteht, verändert werden als Stoffeigenschaft ändern bezeichnet. Die Veränderung kann im submikroskopischen bzw. atomaren Bereich stattfinden, beispielsweise durch Diffusion von Atomen, Bildung und Bewegung von Versetzungen im Atomgitter oder chemische Reaktionen. Formänderungen, die unvermeidbar auftreten, gehören nicht zu diesen Verfahren.[45] In Unternehmen sind Stoffeigenschaften bei der Herstellung von Werkstücken erforderlich, die eine ökonomische Bearbeitung ermöglichen (schnell, minimaler Energieaufwand und geringer Werkzeugverschleiß), jedoch für das hergestellte Werkstück größtenteils ungeeignet sind. Die Stoffeigenschaft ändern, besonders das Wärmebehandeln, hat das Ziel eine Optimierung der Eigenschaften des Werkstücks nach der Formgebung zu erreichen, wie z. B. bei den Festigkeits- und Verschleißeigenschaften oder der Zähigkeit. Durch Umwandeln (beispielsweise beim Glühen oder Härten), Einbringen (z. B. beim Aufkohlen) oder Aussondern (beim Entkohlen) von Stoffteilchen kann die Änderung der Stoffeigenschaften realisiert werden.[46]

2.2 Generative Fertigungsverfahren

2.2.1 Entstehung generativer Fertigungstechnologien

Die Generativen Fertigungsverfahren basieren auf dem schichtweisen Aufbau von Bauteilen, bei dem durch schichtweises Aneinanderfügen von Volumenelementen ein Bauteil mit fast beliebiger Geometrie gefertigt wird.[47] Die elementare Erfindung der schichtweisen Erzeugung von dreidimensionalen Werkstücken wurde schon Anfang der 1950er-Jahre von Munz patentiert. Mithilfe der örtlichen Aushärtung von Photopolymeren war eine schichtweise Herstellung möglich.[48] Der entscheidende Motor für die Realisierung von Generativen Fertigungsverfahren im Rahmen der Produktentstehung war die Lösungssuche zur erheblichen Kürzung des industriellen Modellbauprozesses. Mit der Idee ein Fertigungs-verfahren zu besitzen, das neben dem Zeichnungsplotter im Entwicklungsbüro steht und physische Bauteile in kürzester Zeit und in Originalgröße herstellen kann, wurden zahlreiche Patentanmeldungen beantragt und zum Teil umgesetzt. Ein Entwurf für ein Generatives Fertigungsverfahren findet sich beispielsweise bei Ciraud im Jahre 1971. Anfang der 1980er-Jahre beschrieben Hideo Kodama und Charles Hull als erste eine Maschine, die die generative Fertigung von prototypischen Werkstücken ermöglichte. Die Maschine wurde im Jahre 1987 auf der Autofact Messe in Detroit vorgestellt.[49] Die Maschine diente zur schnellen Herstellung von Prototypen ohne Werkzeuge und wurde aus diesem Grund auch Rapid Prototyping genannt.[50] Durch die rasche Weiterentwicklung können Generative Fertigungsverfahren nun mehrere Fertigungsschritte ersetzen und so Werkzeugeinsätze (Rapid Tooling) sowie vollständige Produkte (Rapid Manufacturing) fertigen.[51] Das Hauptziel ist es, die Produktentstehungsprozesse durch schnelle generative Fertigung (also die Produktentwicklung und -produktion) zu kürzen.

2.2.2 Einordnung und Begriffsbestimmung Generativer Fertigungsverfahren

In DIN 8580 sind die Fertigungsverfahren in sechs Hauptgruppen mit zahlreichen tief gestaffelten Untergruppen gegliedert. Nach Fritz[52] können die Generativen / Additiven Fertigungsverfahren der ersten Hauptgruppe (Urformen) zugeordnet werden. Nach Gebhardt[53] ist eine eindeutige Zuordnung in eine der Hauptgruppen nicht einfach. Eine bessere Zuordnung ist mit der gröberen im Angelsächsischen gebräuchlichen Einteilung möglich.

Hier werden die Fertigungsverfahren unterteilt in:

- Subtraktive Fertigungsverfahren
· Formative Fertigungsverfahren
· Additive Fertigungsverfahren.[54]

Subtraktive Fertigungsverfahren bilden die zu erzielende Geometrie aus einem Halbzeug durch Abtragen bestimmter Bereiche, wie beispielsweise durch Drehen oder Fräsen. Formative Verfahren realisieren die zu erzielende Geometrie durch Umformen eines gegebenen Volumens. Die Volumenkonstanz ist die Randbedingung. Mögliche Verfahren sind Schmieden oder Tiefziehen. Additive Fertigungsverfahren erzeugen die zu erzielende Geometrie durch Aneinanderfügen von Volumenelementen. Das Verfahren, bei dem die Geometrie durch die Zusammensetzung von einzelnen Schichten erzeugt wird, wird auch Schichtbauverfahren genannt.[55]

Der Einstieg für Anfänger in Generative / Additive Fertigungsverfahren (Herkunft aus dem Englischen Additive Manufacturing), auch Rapid-Technologien genannt, gestaltet sich als eine Herausforderung, da eine Vielfalt von unterschiedlichen Nomenklaturen und Begrifflichkeiten für verschiedene Verfahren von den Anlagenherstellern angewandt werden. Um die Thematik leichter zu verstehen, ist eine Definition von den Begriffen erforderlich, die auch in der VDI Richtlinie (VDI 3405)[56] enthalten sind.[57]

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Abbildung 6: Technologie der Generativen Fertigungsverfahren / Additive Manufacturing / 3D Printing und ihre Gliederung in die Anwendungen Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing und Rapid Tooling. Gebhardt (2013): 7.

Nachfolgend werden die Begriffe erläutert, die in Generativen / Additiven Fertigungsverfahren bzw. Rapid-Technologien genutzt werden.

Als Rapid-Technologien wurden am Anfang alle Fertigungsverfahren bezeichnet, die das Prinzip des schichtweisen Aufbaus durchführten, und mit denen Bauteile schneller gefertigt wurden als mit konventionellen Verfahren. Heutzutage werden mit Rapid-Technologien nicht nur schichtweise arbeitende Verfahren bezeichnet, sondern auch Hochgeschwindigkeits-verfahren (HSC), mit denen Bauteile schnell gefertigt werden können. Somit kann der Begriff Rapid-Technologien als Oberbegriff betrachtet werden.[58]

Als Rapid Prototyping (RP) wird die schnelle Fertigung von Modellen oder Prototypen durch schichtweisen Aufbau bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, dass in den Anfängen in den 1980er die Verfahren üblicherweise zur schnelleren Herstellung von Modellen und Prototypen als die konventionellen Verfahren genutzt wurden, hat sich der Begriff Rapid Prototyping durchgesetzt.[59]

Als Rapid Tooling (RT) wird die schnelle Fertigung von Werkzeugen, anhand des schichtweisen Aufbaus, für urformende und umformende Fertigungsverfahren bezeichnet. Mithilfe des Rapid Tooling ist eine Herstellung von Kleinserien im Serienwerkstoff möglich und nutzbar im nachfolgenden Serienfertigungsverfahren.[60]

Als Rapid Manufacturing (RM) wird die schnelle und kostengünstige Fertigung von einzelnen komplexen Bauteilen oder Kleinserien als marktfähige Produkte durch schichtweisen Aufbau bezeichnet.[61] Für die Realisierung des Hauptziels (die Reduzierung der Produktentstehungsprozesse) werden Rapid Technologien auch in Modellklassen, Modelltypen, Verfahren und Anlagen eingeteilt, siehe Abbildung 7.

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Abbildung 7: Nomenklatur von Modellklassen und -typen von Rapid Technologien. Steinbichler (2008): 43.

Die Anwendungsgebiete der Rapid Technologien werden durch die Modellklassen dargestellt. Die Modelltypen charakterisieren die Eigenschaften von Modellen und Prototypen in Bezug auf die Genauigkeit, mit der das zu entwickelnde Werkstück simuliert werden kann. Die typischen Anwendungsgebiete physischer Modelle (Prototyp) in den Phasen der Produktentstehungsprozess werdenin der Abbildung 8 dargestellt.[62]

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Abbildung 8: Typische Einsatzfelder von Prototypen im Produktentstehungsprozess. Steinbichler (2008): 43.

Neben dieser Unterteilung bezüglich des Einsatzzwecks von schichtweise gefertigten Bauteilen wurden weitere Begriffe geprägt. Diese Begriffe beschreiben vor allem die ein-gesetzten Verfahren, beispielsweise Solid Freeform Fabrication oder Layer Manufacturing.[63] Der Begriff 3D-Drucken (im Englisch 3D-Printing) wird derzeit am stärksten mit den Generativen Fertigungsverfahren assoziiert. Nach Gebhardt wird der Begriff 3D-Druck alle anderen Begriffe verdrängen und als Obergriff für die Generativen Fertigungsverfahren angesehen werden. Grund dafür ist, dass der Begriff ziemlich einfach zu vermitteln ist. Jeder, der Zeichnungen auf einem Word-Dokument mithilfe eines 2D-Druckers ausdruckt, kann verstehen, dass mithilfe eines 3D-Druckers ein dreidimensionales physisches Bauteil entstehen kann. Hierbei sollte der Oberbegriff 3D-Druck nicht mit dem gleichnamigen Pulver-Binde-Verfahren (Three Dimensional Printing (3DP)) verwechselt werden.[64] Die Verfahrensprozesse werden in Kapitel 2.2.5.4 näher beschrieben.

2.2.3 Konzept der Generativen Verfahren

2.2.3.1 Eigenschaften der Generativen Fertigungsverfahren

Aufgrund des Schichtbau-Prinzips entstehen spezielle Eigenschaften für die Generativen Fertigungsverfahren:

- Mithilfe der 3D CAD-Daten erfolgt die Generierung der Schichtgeometrie.
- Im Gegensatz zu anderen konventionellen Verfahren wird kein produktspezifisches Werkzeug benötigt.
- Die mechanisch-technologischen Eigenschaften (Materialeigenschaften) bilden sich im Bauprozess.
- Die Herstellung der Bauteile kann in fast jeder möglichen Orientierung erfolgen (Entfall der Spannproblematik).
- Es existiert ein Datenformat (eine sogenannte Stereolithographie-Datenformat), mit dem alle auf dem Markt befindlichen Maschinen angesteuert werden.[65]

Mit dem Generativen Fertigungsverfahren wird somit die direkte Umsetzung der 3D CAD-Daten (des virtuellen Bauteils) in ein physisches Bauteil ermöglicht. Mithilfe von Skalieren können Bauteile von verschiedener Größe und aus verschiedenen Materialien mit denselben Datensätzen produziert werden.[66]

2.2.3.2 Grund-Prinzip des schichtweisen Aufbaus

Das Prinzip des Schichtbaus entstammt der Vorstellung, dass alle Körper in Scheiben geschnitten und die Scheiben somit auch wieder aneinandergefügt werden können. Abbildung 9 zeigt ein Sculpture-Puzzle, das auf dem Schichtbauprinzip beruht. Eine Skulptur besteht aus mehreren Scheiben, die waagerecht in der richtigen Reihenfolge auf einer senkrechten Säule aufeinandergelegt werden.[67]

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Abbildung 9: Schichtbauprinzip am Beispiel eines Sculpture-Puzzles. Gebhardt (2013): 2.

Durch Generative Fertigungsverfahren wird das Schichtbauprinzip automatisiert. Die Einzelschichten werden aus einem Ausgangsmaterial erzeugt und dann schichtweise in der richtigen Reihenfolge aneinandergefügt.[68] Durch Einbringen von thermischer, photonischer oder chemischer Energie werden die Schichten verfestigt und miteinander verbunden. Das Ausgangsmaterial kann pulverförmig, flüssig oder auch fest sein.[69] Beide Teilprozesse werden computergesteuert durchgeführt und erfordern nur die 3D-Computerdaten des Bauteils. Generative Fertigungsverfahren haben einen Einfluss auf die Geometrie sowie auf die Stoffeigenschaften.[70] Prozesscharakteristiken, wie etwa der Pulverkorndurchmesser, bestimmen die Schichtdicke. Die Fertigungsanlage kann jede Schicht anhand ihrer Konturen ansteuern.[71] Mit der Nutzung einer Energiequelle werden im Schichtbauprozess die Kontur und der innerhalb der Kontur liegende Bereiche im ersten Schritt verfestigt. So wird die geometrische Rahmenbedingung der ersten Schicht bestimmt. Danach wird auf die erste Schicht eine neue Schicht aufgetragen. Damit diese Schicht aufgetragen werden kann, muss die Bauplattform abgesenkt werden. Erst dann kann das Material aufgetragen werden. Damit die darauffolgende Schicht mit der schon aufgetragenen Schicht verfestigt und verbunden werden kann, muss die Energieeinbringung passend gewählt werden. Die Höhe der Energieeinbringung ist vom eingesetzten Material abhängig. Dieser Prozess wiederholt sich bei jeder Schicht, bis das Produkt gefertigt ist.[72]

2.2.3.3 Übersicht der generativen Verfahrensprinzipien

Laut Kruth können die generativen Verfahren nach dem Aggregatzustand der verwendeten Ausgangsmaterialien klassifiziert werden. Die Klassifizierung, nach Kruth im Jahr 1991, abhängig vom Aggregatzustand war eine der ersten Einteilungen der generativen Verfahren, siehe Abbildung 10. Der Übergang des angewendeten Materials aus dem formbaren in den festen Zustand wird von den generativen Verfahren für die Herstellung von Bauteilen genutzt. Durch Energieeinbringung wird die Umwandlung realisiert.[73]

Abbildung 10: Klassifizierung der generativen Verfahren nach dem Aggregatzustand der verwendeten Ausgangsmaterialien. Steinbichler (2008): 44.

Nach dem Schichtbauprinzip werden die Schichten durch Einbringen von thermischer, photonischer oder chemischer Energie verfestigt und miteinander verbunden. Die Energieeinbringung basiert auf verschiedenen Verfahrensprinzipien. Im Folgenden wird eine kurze Übersicht über die Verfahrensprinzipien[74] gegeben.

Thermische Phasenumwandlung durch Lichtwellen

Hierfür werden verschiedene Laserquellen angewandt. Der Vorteil des Lasers besteht darin, dass der Laser eine geringe räumliche Ausdehnung, eine hohe skalierbare Energiedichte und eine gute Steuerbarkeit des Verfahrensweges durch schnelle Ablenkspiegel besitzt. Grundsätzlich sind alle Werkstoffe für die thermische Phasenumwandlung geeignet, die sich kontrolliert und reversibel vom flüssigen in den festen Zustand wandeln lassen. So können nahezu homogene, dicht gesinterte Werkstücke entstehen.

Thermische Phasenumwandlung durch Wärmeleitung

Voraussetzung für diese Verfahrensgruppe sind thermoplastische Materialien. Lokal im Bauraum wird die thermische Phasenumwandlung nicht realisiert. Der flüssige Werkstoff wird einem Vorratsbehälter entnommen und durch einen mobilen Kopf örtlich aufgebracht. Direkt nach dem Auftragen entsteht die Verfestigung und ermöglicht durch Anschmelzen der Vorgängerschicht die Bindung des Bauteils in Z-Richtung.

Chemische Phasenumwandlung durch Lichtwellen

Chemische Aushärtung entsteht standardmäßig durch die Vernetzung flüssiger Monomere, deren Moleküle durch Licht einer ausgewählten Wellenlänge zur Vernetzung angeregt werden. Durch feine Abwandlung der Materialzusammensetzung sind die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Bauteile in mehreren Bereichen steuerbar.

Schaffung lokaler Adhäsion

Mithilfe einer Mikrodosierung wird ein fluider Klebstoff auf ein Pulverbett aufgetragen. Durch die Verklebung der Pulverpartikel entsteht ein lokaler Materialzusammenhalt. Ein thermisch bedingter Bauteilverzug tritt nicht auf.

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Abbildung 11: Verfahrensprinzipien generativer Fertigung. Steinbichler (2008): 44.

2.2.4 Verfahrensablaufgrundlagen

2.2.4.1 Prozesskette

Durch die werkzeuglose Herstellung physischer Modelle mithilfe von generativen Verfahren können Bauteile schnell und flexibel aus den 3D-CAD-Daten hergestellt werden. Nach VDI 3404 werden die erforderlichen Prozessketten für die generativen Verfahren in drei Schritte eingeteilt:

- Direkter Prozess: Es ist möglich, ein direkt anwendbares Bauteil aus dem Bauprozess zu entnehmen.
- Direkter mehrstufiger Prozess: Zur Sicherstellung der Anwendbarkeit sind noch nachfolgende Prozesse notwendig.
- Indirekter Prozess: Dieser bestimmt ein Urmodell oder ein Werkzeug für einen anschließenden Herstellungsprozess.[75]

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Abbildung 12: Direkte und indirekte Prozesskette für die additive Fertigung. Ott (2012): 12.

Nach VDI 3405[76] werden die Prozessvorbereitung als Pre-Prozess, der Generative Fertigungsprozess als In-Prozess und der Folgeprozess als Post-Prozess bezeichnet. In den nächsten Unterkapiteln werden diese relevanten Prozesskettenphasen näher beschrieben.

2.2.4.2 Prozessvorbereitung (Pre-Prozess)

Nach VDI 3405 beschreibt der Pre-Prozess alle notwendigen Operationen, die durchgeführt werden, bevor das Bauteil in der generativen Fertigungsanlage hergestellt werden kann. Insbesondere die Datenvorbereitung, die Erzeugung von Zusatz- und Hilfsgeometrien (z. B. Stützkonstruktionen), das Anordnen der Bauteile im Bauraum und die Schichtdatengenerierung werden zu diesen Operationen gezählt. Zusätzlich zur Datenvorbereitung werden mit dem Pre-Prozess auch die prozessvorbereitenden Maßnahmen, beispielsweise die hardwareseitige Anlagenvorbereitung (z. B. Materialbefüllung) beschrieben.[77] In der Abbildung 13 wird der datenbezogene Ablauf dargestellt.

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Abbildung 13: Datenbezogener Ablauf in generativen Fertigungsverfahren. Zäh (2006): 16.

Im ersten Schritt wird ein 3D-CAD-Modell für das zu erstellende Bauteil konstruiert. Damit die Daten weiterverarbeitet werden können, werden die Geometriedaten in eine neutrale Datenschnittstelle überführt. Hier hat sich das STL-Format als Quasi-Industriestandard etabliert. Dafür wird die Geometrie durch Triangulation abgebildet. Für die Triangulation wird eine hohe Anzahl an Dreiecken verwendet, um eine möglichst genaue Annäherung der Geometrieaußenfläche zu erzielen. Nach der Erstellung eines STL-Formats werden die verfahrensbedingt erforderlichen Hilfsgeometrien (Stützgeometrien) und die zur Steuerung des Bauprozesses erforderlichen Anlagenparameter mit den Geometriedaten verknüpft. Mithilfe dieser Standardisierung ist der Transfer von CAD-Daten zur anschließende „Slice-Software“ durchführbar. Damit das Bauteil physikalisch in der Anlage erstellt werden kann, muss die Voraussetzung, dass das STL-Geometriemodell mathematisch in gleiche Schichten zerlegt wurde, erfüllt sein. Diesen Prozess nennt man „Slicen“. Es werden einzelne Schichten mit konstanter Höhe aus dem 3D-Prodduktmodell geschnitten. Die so generierten Schichtinformationen können z. B. im CLI-Format, einer systemübergreifenden und anlagenneutralen Form, gespeichert werden, siehe Abbildung 14. Im Format werden die inneren und äußeren Konturdaten, die Flächeninformation der Schnittebene, siehe Abbildung 15, und die prozess- und maschinenspezifischen Parameter (z. B. Verfahrensgeschwindigkeit oder Bauraumtemperatur) gespeichert.[78]

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Abbildung 14: Datenexportschritte während der generativen Fertigung. Zäh (2006): 16.

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Abbildung 15: 3D-Musterbauteil und Schnitt zur Darstellung der Konturen und Flächen. Ott (2012): 13.

Aufgrund dieser Vorgehensweise können komplexe dreidimensionale Fertigungsprobleme durch viele einfache Fertigungsschritte gelöst werden. Hier liegt die Besonderheit darin, sehr komplexe Geometrie zu fertigen, die von den konventionellen oder spanenden Verfahren schwer oder gar nicht realisierbar ist.

2.2.4.3 Generative Fertigungsprozess (In-Prozess)

In VDI 3405 wird der In-Prozess als die aus dem Pre-Prozess resultierenden Fertigungsoperationen bezeichnet, die von den generativen Fertigungsanlagen durchgeführt werden. Besonders die schichtweise Bauteilfertigung gehört dazu. Außerdem werden die Arbeitsschritte zum Entpacken und Entnehmen der Bauteile, die in der Anlage weiter ausgeführt werden, ebenfallshier eingeordnet.[79] Im Prinzip arbeitet jedes generative Verfahren in zwei Prozessschritten. Am Anfang wird das Ausgangsmaterial aufgebracht. Im Anschluss wird das Ausgangsmaterial verfestigt, siehe Abbildung 16. Je nach Fertigungsanlage und –verfahren verändern sich das Aufbringen des Materials und der Verbindungsprozess.[80]

Bei allen generativen Verfahren wird eine Materialschicht auf die Bauplattform aufgebracht. Die Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich ihres eingesetzten Materialausgangszustands (pulverförmige, flüssige, feste oder als Folien bzw. Bleche vorliegende Werkstoffe). Zusätzlich unterscheiden sich die Verfahren durch die Art der schichtweisen Verbindung. Des Weiteren gibt es Verfahren, bei denen das lose Material auf eine Grundplatte im Bauraum aufgebracht wird, z. B. beim Direkten-Metall-Lasersintern (DMLS). Hierbei werden Normalien angewendet, die vor dem Start des Bauprozesses auf dieBauplattenform zu legen sind.[81]

Das Ausgangsmaterial wird mithilfe einer Energiequelle oder durch Auftragen eines chemischen Aktivators verfestigt. Nach der Verfestigung der ersten Schicht der Fertigungsprozessvorbereitung durch eine Energiequelle wird zuerst die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue Schicht des Ausgangsmaterials aufgetragen. Das Auftragen erfolgt meistens durch einen Auftragsmechanismus, z. B. eine Walze oder einen Wischer, der eine möglichst gleichartige Ausgangsschicht fertigt. Die Verfestigung der neuen Schicht geschieht nach den Vorgabedaten aus der Fertigungsprozessvorbereitung und parallel dazu wird die neue Schicht mit der darunterliegenden Schicht verbunden. Dieser Prozess führt zu anisotropem Materialverhalten bei den generativen Verfahren, weil die Verbindung des Ausgangsmaterials in der X-/Y-Ebene üblicherweise höher ist als in Z-Richtung. Hier entsteht eine sogenannte Stufenproblematik, auch Treppenstufen-Effekt genannt.[82] Bei dieser Problematik sind bei dem schichtweisen Aufschmelzen der Schichtdaten die Übergänge der einzelnen Schichten als Treppenstufen-Effekt am hergestellten Bauteil erkennbar. Dieser Effekt kann durch Verkleinerung der Schichthöhe vermindert, aber nicht komplett beseitigt werden.[83] Des Weiteren verfügen viele generative Verfahren zurzeit über eine vergleichsweise geringe Oberflächenqualität auch ohne Berücksichtigung der Stufenproblematik. In vielen Fällen ist eine Nachbearbeitung von Bauteilen nach der Herstellung erforderlich. Eine mögliche Methode um eine verbesserte Oberflächenqualität zu erreichen, ist die Integration der Nachbearbeitung in den Fertigungsprozess, z. B. durch eine Fräsbearbeitung oder durch Erodieren.[84]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16: Bauprozess beim schichtweisen Aufbau. Zäh (2006): 17.

2.2.4.4 Folgeprozess (Post-Prozess)

Nach VDI 3405 beschreibt Post-Prozess die Arbeitsschritte, die am Bauteil nach der Entnahme aus der Fertigungsanlage durchgeführt werden müssen. Darunter fallen unter anderem die Entfernung von Pulverrückständen oder Stützkonstruktionen und zwingend notwendige Schritte zur Erzeugung der technologisch möglichen Bauteileigenschaften. Durch Nachbehandlung / -bearbeitung der generativ erzeugten Produkten können technologisch erreichbare Bauteileigenschaften erzielt, verbessert und weitere Merkmale eingebracht werden (Eliminierung des Treppenstufen-Effekts). Mögliche verbesserbare Eigenschaften sind z. B. die Oberflächengüte, die mechanischen Eigenschaften (beispielsweise Festigkeit) und die Haptik. Die zum Einsatz kommenden Verfahren gehören zu den konventionellen Verfahren, wie beispielsweise Fräsen. Die Nachbehandlung / -bearbeitung sollte die nachfolgenden Anforderungen erfüllen:

- Reproduzierbarkeit
- möglichst kurze, einfache, im besten Fall automatisierte Prozessschritte
- kleinstmögliche Fehlerquote / Ausschuss.[85]

[...]


[1] Vgl. Wedeniwski (2015): 33.

[2] Vgl. Lindemann (2006): 18.

[3] Vgl. Brecher (2011): 86 f.

[4] Vgl. Huber (2016): 2.

[5] Schulte (2017): 752 f.

[6] Fritz (2015); Fritz: 1.

[7] Vgl. Risse (2012): 1.

[8] Vgl. Fritz (2015): 1.

[9] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003a): 3.

[10] Vgl. Risse (2012): 1.

[11] Vgl. Fritz (2015): 2.

[12] Vgl. Risse (2012): 2–4.

[13] Vgl. Risse (2012): 6.

[14] Vgl. Risse (2012): 8; Fritz (2015).

[15] Vgl. Fritz (2015): 2.

[16] Vgl. Fritz (2015): 2; Risse (2012).

[17] Vgl. Risse (2012): 6.

[18] Vgl. Fritz (2015): 2.

[19] Vgl. Risse (2012): 9.

[20] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003a): 4; Risse (2012).

[21] Vgl. Fritz (2015): 7.

[22] Vgl. Böge et al. (2016): M 3.

[23] Vgl. Risse (2012): 9.

[24] Vgl. Fritz (2015): 7.

[25] Vgl. Risse (2012): 12.

[26] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003b): 3.

[27] Vgl. Fritz (2015): 429.

[28] Vgl. Böge et al. (2016): M 14.

[29] Vgl. Risse (2012): 103.

[30] Vgl. Fritz (2015): 429.

[31] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003b): 3.

[32] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003a): 4.

[33] Vgl. Risse (2012): 127.

[34] Vgl. Westkämper/Warnecke (2010): 116.

[35] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003a): 10.

[36] Vgl. Fritz (2015): 273.

[37] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003a): 5.

[38] Vgl. Fritz (2015): 125.

[39] Vgl. Risse (2012): 233.

[40] Vgl. Risse (2012): 251–302.

[41] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003a): 5.

[42] Vgl. Westkämper/Warnecke (2010): 173.

[43] Vgl. Risse (2012): 330.

[44] Vgl. Westkämper/Warnecke (2010): 172–195.

[45] Vgl. Deutsches Institut für Normung e. V. (2003a): 5.

[46] Vgl. Westkämper/Warne>

[47] Vgl. Fritz (2015): 7.

[48] Vgl. Steinbichler (2008): 44.

[49] Vgl. Dreher (2005): 7.

[50] Vgl. Gebhardt (2013): 13.

[51] Vgl. Fritz (2015): 7.

[52] Vgl. Fritz (2015): 7.

[53] Vgl. Gebhardt (2013): 1.

[54] Vgl. Gebhardt (2013): 1.

[55] Vgl. Gebhardt (2013): 1.

[56] Vgl. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (12.2014): 1–7.

[57] Vgl. Zäh (2006): 9.

[58] Vgl. Sigl (2008): 5.

[59] Vgl. Zäh (2006): 9.

[60] Vgl. Zäh (2006): 9.

[61] Vgl. Sigl (2008): 6.

[62] Vgl. Steinbichler (2008): 43.

[63] Vgl. Zäh (2006): 10.

[64] Vgl. Gebhardt (2013): 3.

[65] Vgl. Gebhardt (2013): 3.

[66] Vgl. Gebhardt (2013): 3.

[67] Vgl. Gebhardt (2013): 1.

[68] Vgl. Gebhardt (2013): 2.

[69] Vgl. Zäh (2006): 11.

[70] Vgl. Gebhardt (2013): 2.

[71] Vgl. Zäh (2006): 11.

[72] Vgl. Zäh (2006): 11.

[73] Vgl. Steinbichler (2008): 46.

[74] Vgl. Steinbichler (2008): 44 f; Dreher: 10–12.

[75] Vgl. Ott (2012): 12.

[76] Vgl. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (12.2014): 9.

[77] Vgl. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (12.2014): 6.

[78] Vgl. Zäh (2006): 16; Ott: 13.

[79] Vgl. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (12.2014): 6.

[80] Vgl. Zäh (2006): 17.

[81] Vgl. Zäh (2006): 17.

[82] Vgl. Zäh (2006): 17.

[83] Vgl. Ott (2012): 15.

[84] Vgl. Zäh (2006): 17.

[85] Vgl. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (12.2014): 6 f.

Ende der Leseprobe aus 104 Seiten

Details

Titel
Können die mit generativen Fertigungsverfahren hergestellten Produkte die Einsatzanforderungen der Automobilindustrie erfüllen?
Untertitel
Kriterienkatalog zur Unterstützung des flächendeckenden Einsatzes von 3D-Druckverfahren in der Ersatzteillogistik
Hochschule
Universität Duisburg-Essen
Veranstaltung
Automotive Engineering & Management
Note
1,3
Autor
Jahr
2017
Seiten
104
Katalognummer
V384608
ISBN (eBook)
9783668596207
ISBN (Buch)
9783668596214
Dateigröße
9335 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Logistik, 3D-Druck, generative Verfahren, additive Verfahren, Ersatzteillogistik, industrie 4.0, automobilindustrie, fahrzeugbau, kriterienkatalog, 3D-Druckverfahren, Fertigungstechnik, Generative Fertigungsverfahren, Ersatzteilmanagement, Fahrzeugbauindustrie, Scoring-Modell, Bewertungsverfahren
Arbeit zitieren
Ceasar Lohaka (Autor), 2017, Können die mit generativen Fertigungsverfahren hergestellten Produkte die Einsatzanforderungen der Automobilindustrie erfüllen?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/384608

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