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Additive Fertigung Geeignete Bauteile für die Additive Fertigung identifizieren

| Autor/ Redakteur: Bastian Leutenecker-Twelsiek, Filippo Fontana * / Dorothee Quitter

Die Additive Fertigung eröffnet durch die Geometriefreiheit ein großes Potenzial für einen zusätzlichen Mehrwert im Produkt. Geringe Produktivität und hohe Kosten zwingen jedoch zu einer sinnvollen Bauteilauswahl. Wie vorgehen, wenn die Bauteilform verändert werden darf? Der Beitrag gibt Orientierung.

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Bei der Bauteilkombination können, wie am Beispiel eines Temperiermoduls, ganze Baugruppen zusammengefasst und so Teileanzahl und Montageaufwand reduziert werden: links – konventionelle Baugruppe aus 78 einzelnen Elementen, rechts – Re-Design für AM als einzelnes Bauteil.
Bei der Bauteilkombination können, wie am Beispiel eines Temperiermoduls, ganze Baugruppen zusammengefasst und so Teileanzahl und Montageaufwand reduziert werden: links – konventionelle Baugruppe aus 78 einzelnen Elementen, rechts – Re-Design für AM als einzelnes Bauteil.
(Bild: Leutenecker-Twelsiek)

Additive Manufacturing (AM) hat bereits durch viele industrielle Beispiele gezeigt, dass sich durch die Ausnutzung der Gestaltungsfreiheit ein Mehrwert im Produkt erzeugen lässt. Diese Möglichkeit, einen zusätzlichen Nutzen zu schaffen, und der damit verbundene finanzielle Vorteil lassen sich allerdings nur schwer automatisiert abschätzen. Anhand von vorhandenen Daten kann daher höchstens eine Vorauswahl getroffen werden. Die eigentliche Beurteilung muss durch eine Person erfolgen, die die Bauteile, ihre Funktion und den Kontext der Anwendung kennt.

Vor der personengebundenen Bauteilsuche kann das Suchfeld reduziert werden, indem nach festen Kriterien Bauteile ausgeschlossen werden. Für diesen Vorfilter eignen sich Kriterien, die sich bei einer Neukonstruktion nur geringfügig ändern oder bei denen bekannt ist, dass sie sich in eine unvorteilhafte Richtung entwickeln werden. Ein Beispiel für Eigenschaften, die sich durch eine Neukonstruktion kaum verändern, sind die Anschlussmaße der Bauteile. Wenn das Bauteil in ein bestehendes System passen soll, verändern sich die Schnittstellen nur wenig. Bauteile, die in der bestehenden Konstruktion nicht in den Bauraum von AM-Maschinen passen, können daher frühzeitig aussortiert werden.

BUCHTIPP Dieser Fachbeitrag ist dem Buch „Entwicklung und Konstruktion für die Additive Fertigung“ entnommen. Das Fachbuch des Autorenteams der ETH Zürich beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie und richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

Ein Beispiel für Kennzahlen, die sich bei einer Umkonstruktion verschlechtern, sind häufig die Herstellkosten. Bauteile für einfache Funktionen, die im bestehenden Herstellungsprozess bereits sehr günstig sind, werden selten durch eine Additive Fertigung noch günstiger. Normteile, einfache Blechbiegeteile und andere simple Teile können daher ebenfalls frühzeitig aus dem Suchfeld entfernt werden. Ist ein komplexeres Bauteil für eine Neukonstruktion ausgewählt, so sollten ggf. zuvor ausgeschlossene Teile in räumlicher Nähe zum ausgewählten Bauteil wieder betrachtet werden, da ihre Funktion möglicherweise in das Bauteil integriert werden kann. Gleiches gilt für Baugruppen aus vielen simplen Teilen, bei denen jedes Teil einzeln betrachtet für die Additive Fertigung uninteressant ist, als Ganzes aber der Ersatz durch ein AM-Bauteil lohnt, um so den Fertigungs- und Montageaufwand zu reduzieren.

Nach dieser Vorauswahl kann in den verbliebenen Bauteilen nur manuell nach geeigneten Bauteilen für eine Neukonstruktion gesucht werden. Als Orientierungshilfe für diese personenbezogene Identifikation werden die Möglichkeiten, einen zusätzlichen Mehrwert zu schaffen, in Potenzialcluster zusammengefasst. Da die Identifikation manuell erfolgt, ist die Anzahl an Potenzialclustern auf eine Menge beschränkt, die ein Produktentwickler schnell im Kopf abfragen kann und mit denen er einen kurzen Potenzialcheck bei einem Bauteil jederzeit ohne weitere Hilfsmittel durchführen kann.

Funktionsintegration

Die Funktionsintegration ist eines der größten Potenziale der Additiven Fertigung und nutzt die Gestaltungsfreiheit aus, um einerseits mehrere Bauteile zu einem zusammenzufassen und andererseits neue Funktionen in ein bestehendes Bauteil zu integrieren. Dieses Potenzialcluster ist daher sehr vielschichtig und kann auf unterschiedlichste Weise umgesetzt werden.

Bei der Bauteilkombination können Bauteile und sogar ganze Baugruppen zusammengefasst und so Teileanzahl und Montageaufwand reduziert werden. Insbesondere Baugruppen, die aus fertigungstechnischen Gründen separat hergestellt und für den Betrieb wieder statisch miteinander verbunden werden, können mittels Additiver Fertigung in einem Stück produziert werden.

Bei der Bauteilkombination können, wie am Beispiel eines Temperiermoduls, ganze Baugruppen zusammengefasst und so Teileanzahl und Montageaufwand reduziert werden: links – konventionelle Baugruppe aus 78 einzelnen Elementen, rechts – Re-Design für AM als einzelnes Bauteil.
Bei der Bauteilkombination können, wie am Beispiel eines Temperiermoduls, ganze Baugruppen zusammengefasst und so Teileanzahl und Montageaufwand reduziert werden: links – konventionelle Baugruppe aus 78 einzelnen Elementen, rechts – Re-Design für AM als einzelnes Bauteil.
(Bild: Leutenecker-Twelsiek)

Aber auch die Fertigung von beweglichen Bauteilen ist in gewissem Maße möglich. Die Bauteilkombination kann zudem die Leckagegefahr reduzieren, da Dichtungen bzw. Verbindungstellen entfallen, wenn die Bauteile in einem Stück gefertigt werden. Die Integration neuer Funktionen bietet eine große Bandbreite an Umsetzungsmöglichkeiten. Diese reicht von der einfachen Integration eines Schnappverschlusses zur verbesserten Montage über Federelemente bis hin zu Sensorik. Sehr häufig werden neue Funktionen durch die Integration von Kanälen zur Flüssigkeits-, Gas- oder Kabelführung realisiert.

Zur Ermittlung des Potenzials einer Funktionsintegration wird bei der Suche nach geeigneten Bauteilen für die Additive Fertigung nach Bauteilen und Baugruppen gesucht, die mindestens eines der folgenden Kriterien erfüllen:

  • Aus fertigungstechnischen Gründen sind mehrere Bauteile erforderlich, um eine Funktion zu erfüllen oder
  • durch weitere Funktionen kann der Nutzen für den Anwender gesteigert werden.

Performancesteigerung

Das Potenzialcluster der Performancesteigerung hilft bei der Suche nach Bauteilen, bei denen die Gestaltungsfreiheit der Additiven Fertigung genutzt werden kann, um die Leistungsfähigkeit eines Systems zu verbessern. Dies kann auf ganz unterschiedliche Arten geschehen.

In Hydraulikkomponenten fließt das Öl nicht mehr durch rechtwinklig gebohrte Kanäle, sondern durch strömungsoptimierte Kanäle ohne scharfe 
Biegungen und abrupte Querschnittsänderungen.
In Hydraulikkomponenten fließt das Öl nicht mehr durch rechtwinklig gebohrte Kanäle, sondern durch strömungsoptimierte Kanäle ohne scharfe 
Biegungen und abrupte Querschnittsänderungen.
(Bild: Schmelzle)

In Kunststoff-Spritzgusswerkzeugen ermöglichen es SLM-Werkzeugeinsätze, die Kühlkanäle sehr dicht an die Kontur der Kavität heranzuführen. Mit solch einer konturnahen Kühlung kann die Kunststoffschmelze schnell und gleichmäßig heruntergekühlt werden. Hierdurch verbessert sich die Qualität der produzierten Kunststoffartikel und die Zykluszeit wird deutlich verkürzt. In Hydraulikkomponenten fließt das Öl nicht mehr durch rechtwinklig gebohrte Kanäle, sondern durch strömungsoptimierte Kanäle ohne scharfe Biegungen und abrupte Querschnittsänderungen.

Für die Anwendung des Potenzialclusters Performancesteigerung hilft die Überlegung, welche Bauteile und Baugruppen besonders wichtig für die Erfüllung der Funktionen des Systems sind. Eine Analyse der Personen, die mit dem Produkt im Laufe des Produktlebenszyklus interagieren, hilft unterschiedliche Bedürfnisse einzelner Personengruppen zu identifizieren.

Leichtbau

Leichtbau ist eines der am häufigsten genannten Potenziale der Additiven Fertigung, vor allem bei Metallteilen. Die hohe Gestaltungsfreiheit der Verfahren erlaubt es, Material nur dort zu platzieren, wo es für die mechanische Festigkeit und die Funktionserfüllung erforderlich ist.

Die hohe Gestaltungsfreiheit der AM-Verfahren erlaubt es, Material nur dort zu platzieren, wo es für die mechanische Festigkeit und die Funktionserfüllung erforderlich ist: Gelenkelement einer Kapp- und Gehrungssäge konventionell gefertigt ...
Die hohe Gestaltungsfreiheit der AM-Verfahren erlaubt es, Material nur dort zu platzieren, wo es für die mechanische Festigkeit und die Funktionserfüllung erforderlich ist: Gelenkelement einer Kapp- und Gehrungssäge konventionell gefertigt ...
(Bild: Leutenecker-Twelsiek)

... und nach der Topologieoptimierung additiv gefertigt.
... und nach der Topologieoptimierung additiv gefertigt.
(Bild: Leutenecker-Twelsiek)

Um ein Bauteil zu konstruieren, bei dem das Material optimal ausgenutzt wird, benötigt ein Ingenieur ein gutes Verständnis für die Lastfälle und den Kraftfluss. Zur Unterstützung des Konstruktionsprozesses existieren in vielen FEM-Programmen neben Modulen zur Berechnung des statischen und dynamischen Bauteilverhaltens auch Module für die Topologieoptimierung. Diese berechnen aus dem verfügbaren Bauraum, Lagerbedingungen und Lastfällen die Materialverteilung, die eine maximale Steifigkeit bei einem gegebenen Gewicht bzw. das minimale Gewicht bei einer vorgegebenen Steifigkeit gewährleistet.

Die Suche nach geeigneten AM-Bauteilen mit dem Potenzialcluster Leichtbau orientiert sich an der Frage, an welchen Stellen im System sich ein hohes Bauteilgewicht besonders negativ auf die Anwendung auswirkt und somit eine leichteres AM-Teil einen Mehrwert schaffen kann. Diese Bauteile finden sich häufig in einer Reihe von typischen Anwendungen. In mobilen Maschinen wie beispielsweise Flugzeugen reduziert sich der Energieverbrauch bzw. erhöht sich die Nutzlast, wenn das Strukturgewicht geringer ist. In Produktionsmaschinen können sich die Produktivität und die Lebensdauer erhöhen, wenn beschleunigte Massen reduziert werden, beispielsweise von Greifern in Pick- &Place-Automaten. Bei Geräten, die vom Nutzer in der Hand gehalten werden, erhöht sich der Bedienkomfort und reduziert sich die Ermüdung des Nutzers, wenn er weniger Gewicht in der Hand hält.

Kleinserie / Individualisierung

Das Potenzialcluster Kleinserie / Individualisierung unterstützt Entwickler bei der Suche nach Bauteilen, die bereits in kleinen Stückzahlen gefertigt werden oder bei denen sich durch eine Differenzierung in mehrere Varianten ein Mehrwert schaffen lässt. Dabei wird vor allem die Losgrößenunabhängigkeit der Additiven Fertigung ausgenutzt.

Für Fertigungszeit und Kosten ist es bei der Additiven Fertigung unerheblich, ob x-mal das gleiche Bauteil gefertigt wird oder ob x-verschiedene Einzelteile gefertigt werden, die für die Anforderungen des jeweiligen Kunden optimiert sind. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass durch eine solche Individualisierung der Konstruktionsaufwand steigt. Daher sind die Automatisierung der Konstruktion, beispielsweise durch parametrisierte CAD-Modelle, und die Beherrschung der Prozesskette in der Datenvorbereitung zwingende Voraussetzungen für individualisierte Produkte.

Der SLS-gefertigte Fördertopf wird nach Kundenwunsch dem Fördergut angepasst.
Der SLS-gefertigte Fördertopf wird nach Kundenwunsch dem Fördergut angepasst.
(Bild: Rüfenacht AG)

Ebenfalls in dieses Potenzialcluster ist die Fertigung von Ersatzteilen zu nehmen. Bei Neuentwicklungen sollte die Möglichkeit der Additiven Fertigung in das Konzept der zukünftigen Ersatzteilversorgung einbezogen werden.

Die Leitfragen für das Potenzialcluster der Kleinserie / Individualisierung suchen nach Bauteilen, bei denen heute schon kleine Stückzahlen oder ein stark schwankender Bedarf vorliegen oder bei denen durch eine Erhöhung der Varianten besser auf den Bedarf des jeweiligen Nutzers eingegangen werden kann. (qui)

Empfehlungen der Redaktion:

SEMINARTIPP Im Seminar „3D-Druck in der direkten digitalen Fertigung“ der konstruktionspraxis-Akademie lernen die Teilnehmer verschiedene Verfahren des professionellen 3D-Drucks kennen und erhalten einen umfassenden Überblick zu den Entwicklungen, Möglichkeiten und Grenzen dieser Direct-Manufacturing-Technologie.
Mehr Informationen: www.b2bseminare.de/konstruktion/3d-druck-in-der-direkten-digitalen-fertigung
Tipp: Anwendertreff Leichtbau Auf dem Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet, können sich Teilnehmer über den Material-, Struktur- und Fertigungsleichtbau informieren. Im Mittelpunkt dieses Jahr steht unter anderem die Topologieoptimierung, die Additive Fertigung und Verbundwerkstoffe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

* Bastian Leutenecker-Twelsiek, Filippo Fontana: beide ETH Zürich, Dr.-Ing. Christoph Klahn: Inspire AG

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