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Additive Fertigungsverfahren

 

Im Bereich der additiven Fertigung existiert eine Vielzahl von unterschiedlichen Fertigungsverfahren (z.B. 3DP, FLM, SLM,…). Forschungsschwerpunkt am Fachgebiet Maschinenelemente ist das Fused Layer Manufacturing - Verfahren (kurz: FLM, auch unter FDM® bekannt). Bei dem FLM-Verfahren werden Bahnen geschmolzenen Kunststoffs mittels einer Düse schichtweise aufgebracht. Die angetriebenen Achsen des Systems bewegen die Düse dabei entlang der frei wählbaren Bauteilgeometrie, sodass nach Beendigung des Prozesses das nahezu nachbearbeitungsfreie Bauteil zur Verfügung steht. Durch die geringen Anforderungen an das Ausgangsmaterial können verschiedenste Thermoplaste mit unterschiedlichen Eigenschaften eingesetzt werden. So sind beispielsweise elastische, biologisch abbaubare, fluoreszierende, leitfähige, lösliche oder tribologisch verbesserte Materialien einsetzbar und bereits verfügbar. Neben der frei wählbaren Geometrie können durch den Einsatz dieser Materialien Komponenten mit höchster Funktionsintegration in einem Arbeitsgang vollautomatisch hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil, der das FLM-Verfahren weiter von etablierten Verfahren des 3D-Drucks wie dem SLM-Verfahren (Selective-Laser-Melting) abgrenzt, ist die Einbringung von Leichtbaustrukturen in geschlossenen Körpern. Da kein Pulver (vgl. SLM-Verfahren) eingeschlossen wird, können mechanisch belastete Strukturen als Hohlkörper mit innenliegender Leichtbaustruktur (z.B. biologisch inspirierter Wabenstruktur) ausgeführt werden.

LaOnDe – Ladungsträger on Demand

Ziel des Projektes LaOnDe – Ladungsträger On Demand – ist die Entwicklung additiv gefertigter, individualisierter Ladungsträger im Bereich B2B sowie B2C.
Hierbei sollen bedarfsabhängig kunden- bzw. produktindividuelle Ladungsträger und -komponenten innerhalb kurzer Zeit im 3D-Druckverfahren aus recyclebaren Kunststoffen hergestellt werden.

Die gedruckten Ladungsträger sollen insbesondere für hochwertige Industriegüter, bspw. Maschinen- und Anlagenteile, und sperrige, nicht mit Standardladungsträgern transportierbare Waren geeignet sein. Für diese werden bisher entweder sehr teure Einzelanfertigungen hergestellt, bei denen hohe Material und/oder Werkzeugkosten entstehen und deren Entwicklungszeit zum Teil mehrere Wochen in Anspruch nimmt. Oder es werden von Hand meist aus Holz Sonderlösungen angefertigt, die ebenso teuer und nicht immer transport- und belastungsgerecht ausgelegt sind.

Die gedruckten Ladungsträger erfüllen höchste Ansprüche in Bezug auf eine anforderungsgerechte Ladeeinheiten- und Ladungssicherung, einen effizienten und optimierten Rohstoffeinsatz bei der Fertigung und die Anpassung an die Ladungsgeometrie und -eigenschaften, wie Oberflächenbeschaffenheit, Härte oder Stabilität des Produkts.

Die effizientere, anforderungsgerechte Beladung führt zu einem wirtschaftlicheren Warentransport und zu einer Reduktion des CO2- Ausstoßes. Durch den Einsatz des 3-D-Druckverfahrens wird die Verwendung teurer Spezialanfertigungen aus Metall oder mit hohem manuellen Aufwand angefertigter Lösungen aus Holz deutlich reduziert oder sogar substituiert, was direkt zu einer Minimierung der Kosten für den Mitarbeitereinsatz und die Lagerhaltung für die Unternehmensbereiche der Verpackung und der Versandvorbereitung führt. Ebenso werden die Kosten für die Entwicklung und die Herstellung der individuellen Ladungsträger drastisch reduziert. Die ausgedienten Ladungsträger werden im Sinne einer Wiederverwertung in den Rohstoffkreislauf zurückgeführt. 

Die technologische Vielfalt an Angeboten von On-Demand-Ladungsträgern für individuelle Verpackungslösungen ist beschränkt, sodass die Logistikbranche in NRW mit LaOnDe die Möglichkeit erhält, sich mit diesem neuen Konzept frühzeitig zu positionieren. Momentan ist weder national noch international ein vergleichbares und marktfähiges Produkt erhältlich. So wird im Rahmen dieses skizzierten Vorhabens die Markteinführung ins Visier genommen und das Land NRW profiliert sich als Standort für innovative Ansätze in der Logistik und der Hochtechnologie.

Das Fachgebiet Maschinenelemente des Instituts für Konstruktion und Werkstoffprüfung (IKW) unterstützt das Kooperationsvorhaben durch seine Expertise im Bereich der Konstruktion während der Definition der Arbeitsgrundlagen, bei der Erstellung von Ladungsträgerkonzepten und Konstruktionsrichtlinien und im Speziellen bei der Entwicklung der Granulatzuführung und –extrusion.  Des Weiteren übernimmt es die Evaluierung von möglichen Granulaten. Im Anschluss übernimmt das IKW die Modellierung von Ladungsträger- Demonstratoren. Dies erfolgt im ersten Schritt auf Basis eines 3D-CAD-Modells. Es folgt die Ladungsträgererstellung mittels 3D-Flächenrückführung eines Ladungselements. Abschließend werden durch das IKW Topologieoptimierungen der modellierten Ladungsträger durchgeführt. Bei der Erprobung des Drucksystems und der Validierung der Ladungsträgerkonzepte unterstützt das IKW das Kooperationsvorhaben durch statistische Auswertmethoden. Arbeitspaketübergreifend unterstützt das IKW die Projektkoordination.

 

Entwicklung eines 3D-Druckers zur generativen Fertigung großvolumiger Bauteile

 

Die nach dem Stand der Technik verfügbaren Drucksysteme sind nicht in der Lage, große Objekte wirtschaftlich zu erzeugen, da zwei erhebliche und bisher ungelöste Problemstellungen vorliegen. Zunächst ist die Durchsatzleistung der derzeit eingesetzten Filamentextruder deutlich zu gering, um große Bauteile in akzeptabler Produktionszeit zu erzeugen. Eine weitere Schwachstelle, die ebenfalls die Extrudertechnik betrifft, sind die nach dem Stand der Technik einsetzbaren Kunststoffe. Keines der etablierten Drucksysteme ist in Lage, wirtschaftliche Kunststoffe wie Polypropylen (kurz: PP) und Polyethylen (kurz: PE) einzusetzen. Da bei entsprechend großvolumigen Bauteilen jedoch große Materialmengen verbraucht werden, ist die Fähigkeit der Extruder, günstige Kunststoffe zu verarbeiten, zwingend erforderlich, um gegenüber alternativen Verfahren einen wirtschaftlichen Vorteil zu bieten. Ein Forschungsziel des Fachgebiets Maschinenelemente ist in diesem Zusammenhang die Lösung der aufgeführten Problemstellung durch die Entwicklung eines entsprechenden 3D-Druckystems für die Herstellung großvolumiger Bauteile (bis ca. 2 m³).

Projektpartner

3win® Maschinenbau GmbH

 

 

Untersuchung der Wirkzusammenhänge der verfahrenstechnischen Prozessparameter und den Bauteileigenschaften beim FLM-Verfahren

 

Der sichere, anwendungsfallorientierte Einsatz von FLM-Produkten als Konstruktionsbauteile erfordert eine exakte Kenntnis der Bauteileigenschaften. Am Institut für Konstruktion und Werkstoffprüfung untersucht das Fachgebiet Maschinenelemente in enger Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Werkstoffprüftechnik den Einfluss der verfahrenstechnischen Prozessparameter sowohl auf die statischen als auch dynamischen Bauteileigenschaften unter Einsatz der Methode der statistischen Versuchsplanung. Mit Hilfe moderner Messverfahren erfolgt zugleich die Untersuchung der einsetzenden Schadensmechanismen unter Betriebslast. Hauptziel des Fachgebiets Maschinenelemente ist hierbei die Entwicklung und Erweiterung der Gestaltungsrichtlinien für die fertigungsrechte und anwendungsfallorientierte Auslegung von FLM-Produkten.

Qualifizierung von Werkstoffen und Werkstoffkonzepten für das FLM-Verfahren

 

Nach aktuellem Stand der Technik steht eine begrenzte Anzahl unterschiedlicher Filament-Werkstoffe zur Verfügung. Das Fachgebiet Maschinenelemente verfolgt zum einen die Herstellung von eigenem Filament, um neue Werkstoffe und Werkstoffkonzepte für das FLM-Verfahren qualifizieren zu können. Im Fokus dieser Untersuchung stehen neben wirtschaftlichen Standardkunstoffen (PP, PE), Bio-Kunststoffe, Kurzfaserverstärkte-Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe. Zum anderen werden am Fachgebiet Maschinenelemente völlig neue Materialverarbeitungskonzepte mit der Zielsetzung der Kostenreduzierung und Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit erforscht.

Optimierung und Erweiterung der Fertigungsparamater des FLM-Verfahrens

 

Basierend auf den Forschungsergebnissen der Forschungsaktivitäten im Bereich Additive Fertigungsverfahren am Fachgebiet Maschinenelemente entsteht wiederum ein neues Anforderungsprofil an die Steuerung des FLM-Prozesses. In diesem Zusammenhang erfolgt einerseits eine Optimierung der Fertigungsparameter. Andererseits werden neue Ansätze wie z.B. die Herstellung selektiver Bauteileigenschaften analysiert.

Ausstattung

 

Das Fachgebiet Maschinenelemente besitzt im Bereich der FLM-Technik verschiedene 3D Drucksysteme. Angefangen von handelsüblichen open-source und closed-source Systemen, die hinsichtlich der hauseigenen Qualitätsansprüche und der Forschungsziele intern modifiziert und optimiert worden sind, bis hin zu einem eigenentwickelten, vollvariablen 3D-Druck-Forschungssystem für großvolumige Bauteile von bis zu 2 m³, bei dem größtmöglicher Einfluss auf die Fertigungsparameter genommen werden kann. Zusammenfassend stehen dem Fachgebiete Maschinenelemente aktuell die folgenden 3D-FLM-Drucksysteme zur Verfügung:

  • Stratasys Dimension SST 1200es,
  • Makerbot Replicator 2X,
  • Leapfrog Creatr,
  • Ultimaker 2 (von Ultimaker),
  • BQ Prusa I3 Hephestos,
  • eigenentwickeltes 3D-FLM-Forschungssystem (für Bauteile bis ca. 2 m³)


Fachgebiet Maschinenelemente, TU-Dortmund, 2014      Kontakt   Impressum