Additive Manufacturing

Forschungsbereich: Additive Manufacturing

Hier finden Sie Informationen über den Forschungsbereich: Additive Manufacturing.

Additive Manufacturing

Die additive Fertigung von Produkten wird im Kontext der zunehmenden Digitalisierung der Fertigung, dem steigenden Kostendruck, dem Vorteil der werkzeuglosen Fertigung, den besonderen geometrischen Gestaltungsfreiheiten sowie durch einen steigenden Bedarf an Kundenindividualisierung zu einem wichtigen Wettbewerbsfaktor. Die sich hieraus ergebenden Potentiale für die Gestaltung additiv gefertigter Produkte werden bisher insbesondere bei der Lösungssuche noch nicht systematisch ausgenutzt.

Die additiven Fertigungsverfahren benötigen zur Herstellung von Produkten digitale 3D-Konstruktionsdaten. Diese werden in einem nachfolgenden Schritt für den additiven Fertigungsprozess aufbereitet und der Maschine übergeben, Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren wird die Endgeometrie nicht durch Abtragen von Material erreicht, sondern durch schichtweises Auftragen von Material. Ursprünglich wurde die additive Fertigung zur Herstellung von Prototypen eingesetzt (Rapid Prototyping), heute sind die Eigenschaften additiv gefertigter Produkte ausreichend, um darüber hinaus Werkzeuge (Rapid Tooling) und fertige Produkte (Rapid Manufacturing) herzustellen. Die additiven Fertigungsverfahren haben somit das Potential, die Herstellzeit und –kosten eines Bauteils zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Individualisierbarkeit zu gewährleisten. Die Konstruktion additiv gefertigter Bauteile erfordert jedoch eine gegenüber der klassischen Konstruktionslehre angepasste Denkweise des Entwicklers, um die spezifischen Potentiale des Fertigungsverfahrens gegenüber konventionellen Verfahren zu nutzen.

Ziel

Ein zentrales Ziel des Arbeitsbereichs ist die Entwicklung einer auf projektspezifische Anforderungen abgestimmten, methodischen Unterstützung für den Entwickler, um das Potential der additiven Fertigung bereits in der Konzeptphase der Produktentwicklung besser nutzen zu können. Dadurch soll die Befähigung des Entwicklers gefördert werden, additiv zu denken, d.h. die verfahrensbedingten Vorteile umfänglich zu nutzen und dadurch die höheren Fertigungskosten des Verfahrens einem deutlich höheren funktionalen Mehrwert der Produkte entgegenzustellen. Des Weiteren werden am Arbeitsbereich neue Potentiale der additiven Fertigung erschlossen, wodurch das technisch sinnvolle Anwendungsgebiet dieser Technologie erweitert werden kann. Durch methodische Ansätze sollen dem Entwickler außerdem Werkzeuge zur Reduzierung der Fertigungskosten an die Hand gegeben werden.

Forschungsansatz

Im Forschungsansatz wird die Entwicklung von Konstruktionshinweisen und – richtlinien sowie prinzipiellen Teillösungen als gedankliche Anregungen für bestehende Entwicklungs- und Gestaltungsaufgaben angestrebt.

Zusätzlich findet eine Analyse der Einschränkungen additiver Fertigungsverfahrens statt, um diese durch eine gezielte Gestaltung der Bauteile zu überwinden. Beispielsweise werden Bauteile im Gegensatz zu generellen Bestrebungen zur Integralbauweise getrennt, um Stützkonstruktionen zu verringern, die Auslastung des Bauraums zu erhöhen oder die Oberflächenqualität zu verbessern, indem Teile des Bauteils mit anderen spanenden Fertigungsverfahren hergestellt werden.

Zur Optimierung des Leichtbaupotentials werden zudem die Gradierung der Mikrostruktur des Werkstoffes und die Mesostruktur der Bauteile untersucht, um durch die gezielte Einstellung der Steifigkeit des Gefüges die Kraftleitung zu verbessern.

Ein weiterer Ansatz ist die Entwicklung prototypischer additiver Fertigungsverfahren, um verfahrensbedingte Vorteile identifizieren und im Rahmen von Konstruktionshinweisen nutzen zu können.

Forschungsprojekte

  • Umbau und Erweiterung von FFF-Druckern zur Integration von kontinuierlichen Filamenten
  • Konstruieren und Herstellen von Bauteilen mit gradierten Eigenschaften sowie Gitterstrukturen mittels Laser Powder Bed Fusion
  • Konstruktionsmethodik zur gezielten Bauteilverbindung und -aufteilung
  • Entwicklung neuer/Anpassung bestehender Bauteilverbindungen für die additive Fertigung

Lehre

Das Thema Gestaltung für die additive Fertigung ist Bestandteil verschiedener Lehrveranstaltungen des pmd. Eine grundlegende Einführung findet im Rahmen von „Maschinenelemente und Mechatronik II“ statt. In der Ringvorlesung „Einführung 3D-Druck und additive Fertigung“ wird das Thema ausführlicher behandelt. Welche Potentiale der additiven Fertigung es gibt und wie diese sich ausnutzen lassen, wird im Kapitel „Rapid Manufacturing“ der Lehrveranstaltung „Smart Products, Services and Engineering“ (SPES) gelehrt.

Zur praktischen Erprobung der gelehrten Inhalte wurde am pmd ein Makerspace aufgebaut, der sich aus 8 Filamentdruckern (Prusa i3 MK3S+), einem Kunstharzdrucker (Formlabs Form 3+) und einem Lasercutter (Trotec RayJet 50) zusammensetzt. In der Projektphase von SPES nutzen die Studierenden die Verfahren im Sinne des Rapid Manufacturing, um schnell ein funktionstüchtiges Produkt zu entwickeln und herzustellen. Weiterhin wird in Zusammenarbeit mit den Fachbereichen des Bauingenieurwesens, der Elektrotechnik und der Wirtschaftswissenschaften das Tutorium „Design for Additive Manufacturing“ für die Studierenden dieser Fachrichtungen angeboten. Dort nutzen die Studierenden die Potentiale der additiven Fertigung, um im Rahmen einer Entwicklungsaufgabe verschiedene Fragestellungen aus den genannten Fachrichtungen zu lösen.

Industrie

Wir streben eine intensive Kooperation mit Partnern aus der Industrie an, um unsere Forschungsergebnisse in industriellen Entwicklungs- und Forschungsprojekten anzuwenden und zu verbessern. Sprechen Sie uns einfach an!