Konstruktionsregeln für Additive Fertigungsverfahren

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1 für Additive Fertigungsverfahren Eine Grundlage für die Ausbildung und Lehre OptoNet-Workshop 6. November 2013 Dipl.-Ing. Guido Adam 1

2 Agenda Motivation Konstruktionsregeln Ausbildung und Lehre Hinweis zu normativen Aktivitäten (Verein Deutscher Ingenieure) 2

3 Motivation Zur Erarbeitung von Konstruktionsregeln Situation der additiven Fertigungsverfahren bezüglich ihrer Potentiale Verkürzen der Markteinführungszeit Reduzieren der Entwicklungskosten Große gestalterische Freiheiten bezüglich ihrer Verbreitung Etabliert in Forschungseinrichtungen und technologieführenden Unternehmen Gestaltungsmöglichkeiten kaum bekannt Keine Konstruktionsregeln für die Ausbildung und Lehre bekannt Ziel günstig Keine Hinterschnitte Beispiel: Gestaltungsregel für Spritzgusstechnologie 3

4 Methodisches Vorgehen zur Erarbeitung Definition von Standardelementen Geometrische Elemente (z.b. Wand, Zylinder ) Identifizierung von Attributen (z.b. Wanddicke) Fertigung der Standardelemente Mit unterschiedlichen Attributsausprägungen Lasersintern / Laserschmelzen / FDM Qualitätsprüfung Untersuchung verschiedener Qualitätsmerkmale (z.b. Maßabweichung, Rundheitsabweichung ) Ableiten von Konstruktionsregeln Vergleich der Qualität mit Attributsausprägungen Quervergleich zwischen den Verfahren 4

5 Wanddicke 1/3 [ZA13] Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung fertigungsgerecht Die Dicke von Wänden sollte so groß sein, dass jede Bauteilschicht aus einer Kontur mit einbeschriebenem Raster besteht. X X X LS: d 1,0 mm LM: d 0,6 mm FDM: d 1,5 mm Kontur- und Rasterbahnen benötigen ausreichend Platz in x-y-richtung Bei kleinen Solldicken d ist nicht ausreichend Platz für die Bahnen gegeben Maßabweichungen entstehen d ist [mm] 3,0 2,0 1,0 Laserschmelzen LS LM Ori = 0 Soll FDM 0,0 d [mm] 0,0 1,0 2,0 3,0 5

6 Wanddicke 2/3 Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung Da das Schmelzbad tiefer als nur durch eine Schicht dringt, weisen Dicken, die hauptsächlich durch Schichten approximiert werden ( Ori 0 ), Übermaße auf. Diese können nachträglich entfernt werden fertigungsgerecht LS LM FDM X X LS: LM: d Ü 0,2 mm d Ü 1,5 mm Lasersintern und -schmelzen: Das Schmelzbad entsteht durch den Energieeintrag des Lasers in das Pulver Die Eindringtiefe des Schmelzbades ist größer als eine Schichtdicke (s Et > d s ) Die aktuell gefertigte Schicht wird mit dem teilfertigen Bauteil unterhalb verbunden Aber: An nach unten weisenden Flächen wird Pulver mit dem Bauteil verbunden, das nicht zum Bauteil gehört Übermaß entsteht [ZA13] 6

7 Wanddicke 3/3 Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung Dicken, die hauptsächlich durch Schichten approximiert werden ( Ori 0 ), sollten so groß sein, dass die abgelegten Rasterbahnen durch Überlagerung eine möglichst geschlossene Fläche bilden. fertigungsgerecht LS LM FDM X FDM: d 0,8 mm [ZA13] Fused Deposition Modeling: Keine Überlappung von Rasterbahnen in der Bauteilschicht Teilweise Spalte zwischen Rasterbahnen Durch Überdeckung von Rasterbahnen mehrerer Bauteilschichten entstehen geschlossene Flächen d = 0,2 mm 1 Bauteilschicht d = 0,8 mm 3 Bauteilschicht 7

8 Bohrungsdurchmesser ohne Stützstrukturen Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung fertigungsgerecht Sollen 0 -orientierte Bohrungen ohne solide Stützstrukturen im Inneren gefertigt werden, so muss der Innenradius ausreichend klein sein. X X LM: r i 4,5 mm FDM: r i 5,0 mm LS LM FDM Laserschmelzen: Eigenspannungen an den Innenseiten der Elemente erfordern solide Stützstrukturen Kleine Radien reduzieren Eigenspannungen Fused Deposition Modeling: Unterbauung der Stränge mit soliden Stützen bei großen Innenradien notwendig Steifigkeit der Stränge ausreichend bei kleinen Radien Prüfkörper LM: Abgebrochen aufgrund Eigenspannungen Prüfkörper FDM: Oberflächenfehler aufgrund mangelnder Steifigkeit der Stränge [AZ13] 8

9 Ecken 1/2 Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung fertigungsgerecht LS LM FDM Ecken, die eine vertikale Extremstelle bilden sollten parallel zur Bauebene gefast werden. Die Abmessungen der Fasen sollten größer als die minimale Dicke von Wänden sein. X X X Minimale Abmessungen limitiert durch Bahnen in der Bauteilschicht Verdickungen entstehen an den Spitzen Verdickungen durch Fasen vermeiden Fasen, die parallel zur Bauebene verlaufen sind einfach zu fertigen (nicht durch Schichten approximiert) Ecken mit Spitzer Sollkontur: [ZA13] 9

10 Ecken 2/2 Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung fertigungsgerecht LS LM FDM Ecken, die nach innen weisen, sollten rund gestaltet werden, um in ihnen enthaltene disperse Stützstrukturen (z.b. Pulver) einfacher entfernen zu können. X X Disperse Stützstrukturen werden üblicherweise mit Druckluft entfernt Spitze Ecken können Bereiche bilden, in denen disperse Stützstrukturen nur schwer entfernbar sind Verbesserte Entfernbarkeit der Stützstrukturen bei gerundeter und gefaster Gestaltung Pulverrückstände [ZA13] 10

11 Inselhöhen Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung fertigungsgerecht LS LM FDM Die Höhe einer Insel sollte so gering wie möglich sein, da große Höhen die Bauzeit eines Bauteils deutlich verlängern. X Fused Deposition Modeling Unterbauung von Inseln durch solide Stützstrukturen notwendig Erzeugung von soliden Stützen erfordert Düsenwechsel in jeder Schicht Zunehmende Inselhöhe erhöht Anzahl von Schichten mit soliden Stützstrukturen Anzahl Düsenwechsel steigt Bauzeit wird verlängert [AZ13a] t [min] Fused Deposition Modeling h Isl [mm] 11

12 Oberflächenwinkel Allgemeine Beschreibung Spezifische Beschreibung fertigungsgerecht LS LM FDM Oberflächenwinkel sollten so groß sein, dass solide Stützstrukturen vermieden werden können. X X LM: Of 45 FDM: Of 35 Laserschmelzen: Geringe Oberflächenwinkel verlängern den Weg, entlang dem die Energie abgeführt werden kann. Eigenspannungen entstehen Fused Deposition Modeling: Geringe Überdeckung abgelegter Strängen mit dem teilfertigen Bauteil bei kleinen Oberflächenwinkeln Stränge fallen aus Nennposition heraus [ZA13] 12

13 Ausbildung und Lehre Vorlesungen an der Universität Paderborn Wahlpflichtmodul: Additive Fertigung Vorlesungen mit Inhalten zur Additiven Fertigung Prof. Zimmer: Konstruktive Gestaltung Fokus: - Fertigungsgerechtes Gestalten für Additive Fertigungsverfahren - Detailliertes Hintergrundwissen zu den Regeln Ebenfalls enthalten: - Grundlagen der Additiven Fertigung - Beispiele / Bauteile Dr. Klemp: Additive Fertigung Fokus: - Grundlagen der Additiven Fertigung - Potentiale und Nutzen der Additiven Fertigung - Gestalterische Freiheiten Ebenfalls enthalten: - Einzelne Regeln 13

14 Ausbildung und Lehre Seminare Projektseminare Bisher drei Seminare Über 60 Studenten haben bisher teilgenommen Aufgaben: - Gestaltung von Bauteilen - Funktion war gegeben - Beachtung der Konstruktionsregeln für die Additive Fertigung - Fertigung der Bauteile (und eventuelle Überarbeitung) Sichtbarer Erfolg: - Studenten lernten das Gestalten für Additive Fertigungsverfahren - Bauteile erfüllten ihre Funktion (in den meisten Fällen) - Akquise studentischer Mitarbeiter für das DMRC Industrieseminare Das DMRC plant umfassende Industrie Seminare Ziele: - Übertragung der Forschungsergeb. in die Industrie - Vermittlung von Möglichkeiten und Restriktionen - Unterstützung bei praktischen Herausforderungen 14

15 VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik VDI-GPL FA Rapid Manufacturing - Konstruktionsempfehlungen Aktuelles Projekt Richtlinie VDI 3406 Blatt 1 Konstruktionsempfehlungen - Grundlagen Terminologie Besonderheiten additiver Fertigung Konstruktionsempfehlungen für Lasersintern und Strahlschmelzen Nächste Sitzung FA KW 5/2014 Ansprechpartner: Dr. Olaf Rehme Guido Adam Dr. Erik Marquardt (olaf.rehme@siemens.com) (guido.adam@uni-paderborn.de) (gpl@vdi.de) Seite 15 / Dr. Erik Marquardt /

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit [AZ13] [AZ13a] [ZA13] Adam, G.; Zimmer, D.: Design Rules for Additive Manufacturing Basic Elements. Rapid Prototyping Journal, Emerald Verlag, submitted and accepted Adam, G.; Zimmer, D.: Design Rules for Additive Manufacturing Element Transitions & Aggregated Structures. CIRP-Journal of Manufacturing Science and Technology, Elsevier Verlag, submitted and accepte Zimmer, D.; Adam, G.: Konstruktionsregeln für Additive Fertigungsverfahren. Zeitschrift Konstruktion, Springer Verlag, Ausgabe 07/ , S Dipl.-Ing. Guido Adam DMRC Direct Manufacturing Research Center KAt Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik Universität Paderborn Fakultät für Maschinenbau