Additive Serienfertigung: Erfolgsfaktoren und Handlungsfelder für die Anwendung (German Edition)

Bei der additiven Fertigung wird anders als bei konventionellen Verfahren ein Bauteil nicht aus einem Block herausgefräst oder in einem Werkzeug gegossen, sondern es wird Schicht für Schicht generiert. Dieses Buch stellt eine Vielzahl verschiedener Aspekte der additiven Fertigung vor und erläutert anhand von Praxisbeispielen die Anwendungen und die Potenziale der Verfahren für eine Serienfertigung: Wo und wie kann die additive Fertigung erfolgreich eingesetzt werden? Die Autoren zeigen vor dem Hintergrund eines ganzheitlichen Entwicklungs- und Fertigungsprozesses mögliche Geschäftsmodelle auf, unter anderem die Fertigung in Microfactories. Leser erfahren, wie sich die Fertigungszeit und -kosten vorhersagen lassen, wie zuverlässig additiv gefertigte Strukturbauteile sind und inwieweit additive Fertigungsverfahren für die Herstellung von Endprodukten geeignet sind. Ferner diskutieren die Autoren, wie Pre- und Post-Prozesse genutzt werden können, um Serienanwendungen zu etablieren und diese iterativ zu verbessern. Neben den Möglichkeiten zur Qualitätssicherung bei der additiven Serienfertigung wird erläutert, wann es sinnvoll sein kann, konventionelle Fertigungsverfahren durch hybride Ansätze zu ergänzen. Die additive Instandsetzung als Alternative zum Entsorgen von verschlissenen Bauteilen wird ebenfalls erörtert. Im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung diskutieren die Autoren Sicherheitsaspekte und legen Lösungsansätze bei Problemen im Umgang mit der additiven Serienfertigung dar. Vorwort 5 Inhaltsverzeichnis 7 Autorenverzeichnis 13 Die Autoren 14 Automatisierung in der kundenindividuellen Additiven Serienfertigung 17 1 Einleitung 18 2 Ausgangslage und Stand der Technik 19 2.1 Projekt autoADD 20 2.2 Prozesskette zur kundenindividuellen Additiven Fertigung 20 3 Handlungsbedarf und Zieldefinition 25 4 Konzepte zu autoADD 26 5 Ausblick 29 6 Zusammenfassung 29 7 Danksagung und Projektinformationen 30 Literatur 31 Ermittlung des Potentials der additiven Fertigung für Stentstrukturen aus Nickel-Titan 32 1 Einleitung und Zielsetzung 33 2 Stand von Wissenschaft und Technik 34 2.1 Selektives Laserstrahlschmelzverfahren 34 2.2 Grundlagen zum Werkstoff Nickel-Titan 35 2.3 Vaskuläre Implantate aus Nickel-Titan 35 3 Materialien und Versuchstechnik 36 3.1 Materialien 36 3.2 Anlagentechnik 37 3.3 Darstellung des Prozessablaufes 37 4 Prozessentwicklung 37 4.1 Versuchsplanung 38 4.2 Durchführung der Parameterstudien 38 4.3 Auswertung der Parameterstudien 38 4.4 Konstruktion von Stentstrukturen 39 4.5 Fertigung von Stentstrukturen 40 5 Ergebnisdarstellung und Auswertung 40 5.1 Aufbau dünnwandiger Strukturen aus Edelstahl 40 5.2 Aufbau dünnwandiger Strukturen aus Nickel-Titan 43 5.3 Vergleichbarkeit der Nickel-Titan- und Edelstahlparameterstudien 44 5.4 Fertigung stentartiger Strukturen aus Edelstahl 45 5.5 Fertigung stentartiger Strukturen aus Nickel-Titan 46 6 Diskussion 47 7 Zusammenfassung und Ausblick 50 8 Danksagung 51 Literatur 52 Validierung laserstrahlgeschmolzener Strukturbauteile aus AlSi10Mg 54 1 Einleitung 55 2 Simulation laserstrahlgeschmolzener Strukturbauteile 56 3 Materialdaten für AlSi10Mg 57 4 Untersuchung genormter Prüfkörper 58 5 Validierung eines Demonstrators 61 6 Zusammenfassung und Ausblick 64 Literatur 66 Qualitätssicherung in der Additiven Serienfertigung von Polymerbauteilen 68 1 Einleitung 69 2 Fertigungsverfahren 70 2.1 Stereolithographie 70 2.2 Material Jetting 71 2.3 3D-Direktdruck 72 2.4 Pulverbettverfahren 73 2.5 Layer Laminated Manufacturing 74 3 Verfahren zur Qualitätssicherung 75 3.1 2D-Bildgebung 75 3.2 3D-Bildgebung 76 4 Zusammenfassung 81 Literatur 82 Vorhersage der Fertigungszeit und -kosten für die additive Serienfertigung 84 1 Einleitung 85 2 Grundlagen 86 2.1 Prozesskette der additiven Fertigung 86 2.2 Additiver Schichtaufbau 87 2.3 Abschätzung der Fertigungszeit und -kosten 87 3 Definition einer ebenen Formkomplexität 88 3.1 Größen einer geschlossenen ebenen Fläche 89 3.2 Ebene Formkomplexität 90 3.3 Verhalten der Formkomplexität des Sierpinski-Teppichs 92 4 Generisches Schichtmodell 93 4.1 Schichtmodell 93 4.2 Packen des Bauraumes 94 5 Fertigungszeit und -kosten 96 5.1 Abstrahierung eines Fertigungsverfahrens 96 5.2 Fertigung mehrerer Bauteile im Bauraum 97 5.3 Vorhersage der Fertigungszeit und -kosten 99 5.4 Implementierung in CAD-Systeme 99 6 Zusammenfassung und Ausblick 100 Literatur 101 Lichtbogenbasierte additive Fertigung – Forschungsfelder und industrielle Anwendungen 103 1 Einleitung 104 1.1 Historie 104 1.2 Relevante Lichtbogenschweißverfahren 105 2 Aktuelle und zukünftige Forschungsfelder 107 2.1 Verfahren 108 2.2 Werkstoffe 110 2.3 Pfadplanung und Automatisierung 111 2.4 Simulation von Eigenspannungen und Verzug 113 3 Industrielle Anwendungen 114 4 Zusammenfassung 116 Literatur 116 Additive Makrofertigung mit Laser-Lichtbogen Technik mit kontinuierlicher Schweißnaht 121 1 Einleitung 122 2 Stand der Technik 122 3 Versuchsaufbau und Vorgehensweise 123 4 Auswertung und Diskussion 125 Literatur 127 Hybride Additive Fertigung: Ansätze zur Kombination von additiven und gießtechnischen Fertigungsverfahren für die Serienfertigung 128 1 Einleitung 129 2 Hybride Prozesse 130 2.1 Definition „Hybride Fertigungsverfahren“ 130 2.2 Anwendungsfall Hybride Fertigung 131 2.3 Ausgewählte Hybride Fertigungsverfahren in Wissenschaft und Industrie 132 3 Forschung im Rahmen Sub-Hybrider Fertigung 136 3.1 Ansatz für Neue Sub-Hybride Fertigung 136 3.2 Vorgehensweise zur Entwicklung des Verfahrens 136 3.3 Ziele des Vorhabens 137 4 Zusammenfassung 138 Literatur 138 Die 3D Skelett Wickeltechnik auf dem Weg in die Serienfertigung 140 1 Einleitung 141 2 Vorstellung der 3D Skelett Wickeltechnik 142 2.1 Allgemeine FKV Verarbeitungsverfahren 142 2.2 Lastpfadgerechte FKV Verarbeitungsverfahren 144 2.3 Vom Hand Lay-Up zur 3D Skelett Wickeltechnik 144 3 Aspekte der Prozessfähigkeit 146 3.1 Imprägnierung der Faserhalbzeuge 146 3.2 Porosität der gewickelten Strukturen 147 3.3 Konstante Garnspannung 147 3.4 Besonderheiten biobasierter Werkstoffe 148 4 Automatisierung der Prozesskette 150 4.1 Werkstoffsysteme 150 4.2 Bauformen 151 4.3 Ziele der Automatisierung 154 5 Zusammenfassung und Ausblick 154 Literatur 155 Flexibler Manufacturer für große Funktionsbauteile und die Serienfertigung von Metall- und Kunststoffbauteilen 156 1 Einleitung 157 2 Grundkonzept des 3D-Manufacturers GULLIVER 158 2.1 Komponenten und Grundaufbau 158 2.2 GULLIVER Verfahrenskonzept 159 2.3 Aufbauprozesse 159 3 Aufbauqualität – Verzüge und Eigenspannungen 161 4 Werkstoffspektrum 162 4.1 Metalle 162 4.2 Kunststoffe 162 5 Anwendungen 163 5.1 Großbauteile 163 5.2 Reparaturkonzepte 164 5.3 Serienfertigung 165 6 Kosten – Nutzen 166 Literatur 166 Geschäftsmodell der dezentralen Serienfertigung: additive manufacturing als Basis für Microfactories 167 1 Einleitung 168 2 Geschäftsmodell der dezentralen Serienfertigung 169 2.1 Vorteile der dezentralen Fertigung 170 3 Bedingung für ein erfolgreiches Geschäftsmodell 172 3.1 Qualitätssicherung und Sicherheit 172 3.2 Intelligente Auftragsvergabe 173 3.3 Absicherung vor Plagiaten – Sicherheit der Datenübertragung 175 3.4 Ausstattungen der „Microfactories“ 175 4 Ausblick 175 Literatur 177 Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile 178 1 Einleitung 179 2 Die Prozesskette 180 2.1 Prozesskette Standard 180 2.2 Erweiterte Prozesskette 181 3 Mechanische Nachbearbeitung 182 3.1 Aufspannung 183 3.2 Referenzierung 186 4 Möglichkeiten einer Adaptiven Bearbeitung 188 4.1 Unterschied zwischen BestFit und Adaption 188 4.2 Software zur adaptiven Bearbeitung 189 4.3 Anwendungsmöglichkeiten innerhalb der additiven Fertigung 190 5 Schlussbemerkung 191 Literatur 191 „Additive Serienfertigung“ aus Sicht eines Ingenieurbüros 192 1 Einleitung 193 1.1 Zielsetzung dieser Arbeit 193 1.2 Gliederung dieser Arbeit 193 2 Vorgelagerte Prozesskette der Additiven Fertigung 193 2.1 Bauteilauswahl 194 2.2 Optimierung und Design 196 2.3 Druckauftrag 197 3 Zusammenfassung 200 Sachverzeichnis 210 Front Matter ....Pages I-XVII Automatisierung in der kundenindividuellen Additiven Serienfertigung (Alexander Arndt, Reiner Anderl, Kai Kegelmann, Sven Kleiner)....Pages 1-15 Ermittlung des Potentials der additiven Fertigung für Stentstrukturen aus Nickel-Titan (Yvonne Wessarges, Jörg Hermsdorf, Stefan Kaierle)....Pages 17-38 Validierung laserstrahlgeschmolzener Strukturbauteile aus AlSi10Mg (Rene Bastian Lippert, Roland Lachmayer)....Pages 39-52 Qualitätssicherung in der Additiven Serienfertigung von Polymerbauteilen (Gerrit Hohenhoff, Heiko Meyer, Oliver Suttmann, Tammo Ripken, Kotaro Obata, Dietmar Kracht et al.)....Pages 53-68 Vorhersage der Fertigungszeit und -kosten für die additive Serienfertigung (Peter Hartogh, Thomas Vietor)....Pages 69-87 Lichtbogenbasierte additive Fertigung – Forschungsfelder und industrielle Anwendungen (Uwe Reisgen, Konrad Willms, Lukas Oster)....Pages 89-106 Additive Makrofertigung mit Laser-Lichtbogen Technik mit kontinuierlicher Schweißnaht (Alexander Barroi, Jörg Hermsdorf, Stefan Kaierle)....Pages 107-113 Hybride Additive Fertigung: Ansätze zur Kombination von additiven und gießtechnischen Fertigungsverfahren für die Serienfertigung (Georg Leuteritz, Christian Demminger, Hans-Jürgen Maier, Roland Lachmayer)....Pages 115-126 Die 3D Skelett Wickeltechnik auf dem Weg in die Serienfertigung (Jonathan Haas, Kevin Bachler, Peter Eyerer, Björn Beck, Lazar Bošković)....Pages 127-142 Flexibler Manufacturer für große Funktionsbauteile und die Serienfertigung von Metall- und Kunststoffbauteilen (Christian Schmid)....Pages 143-153 Geschäftsmodell der dezentralen Serienfertigung: additive manufacturing als Basis für Microfactories (Dierk Fricke, Benjamin Henkel, Caecilie von Teichman, Bernhard Roth)....Pages 155-165 Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile (Thomas Kosche)....Pages 167-180 „Additive Serienfertigung“ aus Sicht eines Ingenieurbüros (Tayfun Süle)....Pages 181-189 Back Matter ....Pages 191-205