Modelle, Formen, Werkzeuge

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1 Modelle,Formen,Werkzeuge InnovativeProdukteerfordernintelligenteProzeßketten vonprof.dr.detlefkochan SFMGmbH FertigerPrototypeinerkünstlichenLebermitFunktionsteilen ZudenherausragendenTriebkräftendergegenwärtigentechnischenundindustriellenEntwicklungengehören zweifellosdieneuentechnologiendesrapidprototypingandmanufacturing(rp&m).dieentwicklungundfertigung innovativerprodukteinhöhererqualitätundinimmerkürzerenzeitenistüberdasdominierendeanwendungsfeld AutomobilindustriefürzahlreicheweitereBranchen(Kommunikationstechnik,Feinmechanik/Optik,Medizintechnik, Haus undküchengeräte,kunststoff undgießereitechnik)vonbesonderemstellenwert. Dievorexakt10JahrenmitderindustriellenErstanwendungdesStereolithographie Prinzipsbegonnenedirekte Umwandlungvon3D CAD DateninkörperlicheAnschauungsobjektehateinedynamischeEntwicklung angenommen. Soermöglichengegenwärtigweltweitmehrals3500Anlagenmit12unterschiedlichenphysikalischenPrinzipienin VerbindungmitbewährtenabformtechnischenFolgeprozessendieFertigunggeometrischkomplizierterBauteilein nahezuallenwesentlichenkonstruktionsmaterialien. EsisteineerfreulicheTatsache,daßinsächsischenUnternehmenundForschungseinrichtungenmit3D CAD Modellierung,Werkzeugkonstruktionundinsgesamt12Anlagenund5unterschiedlichenPrinzipienbeachtliche kapazitivevoraussetzungengegebensind. DieSFM GesellschaftzurSchnellenFertigungvonModellenmbHhatalseinesderersteninnovativen DienstleistungsunternehmenindenNBLlangjährigeErfahrungenundKompetenzenmitschnellenBauprozessen mittels Stereolithographie(STL)und LaminatedObjectManufacturing(LOM) unddarüberhinausmitallenindustriellbewährtenverfahren. ErgänzendzudendamitverbundenenspezifischenVerfahrens KnowhowistdabeidiefundierteKenntnisder gesamtengestaltunginformationellerundtechnologischerprozeßkettenvongravierenderbedeutung.mehrnochalsin dertraditionellenproduktionstechnikermöglichenganzheitlicheundkomplexebetrachtungendasbestmögliche AusnutzendermitdenneuenTechnologiengegebenenPotenzen. DieinzahlreichenAnwendungsbeispielennachgewiesenenEffektesindbezüglichZeit undkosteneinsparungenbei gleichzeitigererhöhungderproduktqualitätamgrößten,wennallewesentlichenprozeßschrittederjeweilsgesamten Wertschöpfungsketteeinbezogenwerden. SchoninderStartphasederUnternehmensentwicklungkonntendieVorzügedesRapidPrototypingüberzeugend nachgewiesenwerden.untereinbeziehungdiesertechnologiegelanges,dieentwicklungszeitfüreineneue PanoramakamerazuhalbierenundgleichzeitigdieQualitätdeutlichzuerhöhen.Dabeiwarenfolgendegenerellen

2 Forderungenzuerfüllen,diealsdurchausallgemeingültigfürgegenwärtigeProduktentwicklungenmitAusnutzungder neuentechnologienangesehenwerdenkönnen: ReduzierendesGewichtesundderAbmessungendurchverbessertetechnischeMerkmaleundein anspruchsvollesdesign VerkürzenderEntwicklungszeitendurchParallelisierungvonEntwicklungsschritten KomplexeFunktionstestsineinerfrüherenEntwicklungsphase ReduzierenderKostenfürdenWerkzeugbau,auchfürdieBedingungenderKlein undmittelserienfertigung. AusgehendvoneinemästhetischundfunktionelloptimiertenProduktentwurfwerdendieseundähnliche AnforderungeninfolgendengrundsätzlichenArbeitschrittenrealisiert. Komplette3D ModellierungallerGehäuseteile.GegebenenfallsdigitalisierenausgewählterFormelementemit FreiformflächenundEinbeziehungdieserFlächenindiegesamten3D DatenmodellemittelsReverse Engineering;SchnelleObjektgenerierungmittelsSTLbzw.LOM HerstellungfunktionellerPrototypenmitdemtypischenFolgeprozeßVakuumgießen NachderFunktionserprobungundMarkttestungkanndas3D CAD Datenmodellweiterverbessertunddieses fürunterschiedlichefolgeprozesseaufbereitetwerden FertigungderSerienwerkzeugeunterNutzungdermehrachsigenFräsbearbeitung Hochgeschwindigkeitsbearbeitung(HSC),ggf.ErodierenoderauchneueRapidToolingVerfahren.(Unter RapidToolingverstehtmandiedirekteGenerierungvonWerkzeugeinsätzenaus3D CAD Datenbzw.mittels AbformtechnikenausRapidPrototypingObjekten). Esistzubetonen,daßdieangestrebteZeit undkosteneinsparungauf30%bzw.50%(kosten!)imvergleichzur traditionellenvorgehensweiseüberzeugendnachgewiesenwerdenkonnte.dererreichtehohequalitätsanspruchistin VerbindungmitdemsächsischenDesignpreis1995unddemBundes DesignpreisandasproduzierendeUnternehmen (KamerawerkeDresden)herauszustellen.DiesePreisewerdennurfürerfolgreicheProduktionseinführungundExport vergeben. InzahlreichennachfolgendenProjektenwurdenvergleichbarepositiveErgebnisseerreicht,wobeivielfältigeweitere Anwendungsgebieteerschlossenwurden.AlseinigeweitereBeispieleausunterschiedlichenAnwendungsbereichen könnengenanntwerden: HeckenscheredesUnternehmensMOGATECModerneGartentechnikGmbH&Co.inEhrenfriedersdorf (AuszeichnungmitSächsischemDesignpreis1996) MobilesDatenübertragungssystemdesUnternehmensSchneiderFunk unddatensystemegmbhindresden GehäusefürISDN AnschlüssederBoschTelecomRadebergGmbH Design ModellderkünstlichenLeber EineaktuelleEntwicklungbetrifftdasMitwirkenandenmechanischen,tragendenKomponenteneinerkünstlichen Leber.FürdiesesmedizinischeGerätwurdenschonimErgebnisderklinischenTestungaufGrundderhervorragenden Ergebnisse(Rettungvon60Menschenleben)hoheAuszeichnungenvergeben,sodaßfürdieHerstellungder PrototypenundSeriengerätehoheEilegebotenist. ZurbeschleunigtenVerbreitungderfortgeschrittenenErfahrungeninSachsenwurdeam1.Januar1998das Technologietransfer und demonstrationszentrumprodukt undprozeßinnovationrapidprototyping&manufacturing (ZPP)gegründet.

3 Wo guter Rat nicht teuer ist - Technologieberatung Online TechnologieberatungzuRapid Prototyping Verfahren Online Technologieberatung TechnologieberatungperInternetzumeffektivenEinsatzvonRapidPrototypinginsächsischenUnternehmen deswerkzeug undformenbaus Seitdem wirdmitweiterenPartnern,gefördertvomSächsischenStaatsministeriumfürWirtschaftund Arbeit,aneinemInformationssystemüberRapidPrototyping(RP)gearbeitet. ZieldesVorhabensistdieErstellungeinesModulszurOnline Technologieberatung,derdieAkzeptanzunddie WirksamkeitmodernerTechnologienwieInternetundRapidPrototypingindensächsischenUnternehmenerhöhtund UnternehmendesWerkzeug undformenbausengermitrp Dienstleisternverknüpft. Online TechnologieberatungumfaßtfolgendeFunktionalitäten: AllgemeineInformationenzueinzelnenRP TechnologiensowieinderProzeßkettevor undnachgelagerten Verfahren ErfassungvonInformationenüberForschungsthemen,aktuelleVeröffentlichungen,Veranstaltungenetc. EmpfehlunggeeigneterProzeßketteninAbhängigkeitvonEingangsparametern(Stückzahl,gewünschte Materialien,Verwendungsszweck)desNachfragenden RegistrierungvonTechnologiedienstleisternalsVoraussetzungfürderenVermittlungalsSelbsteintragung AuskunftüberverfügbareTechnologiedienstleisterdurchAbrufausderDatenbankentsprechenddem VerfahrenoderderRegion AbwicklungderAufträgeperelektronischerKommunikation(elektronischeAngebotserstellung,Filetransfer derauftragsdaten,kommunikationzwischenauftragnehmerundauftraggeber) DasSystemwirdaufBasisvonLotusNoteserstelltundgewährleistetdenZugangzumInformationssystemperInternet oderpernotes Client.HauptanwendersollenKlein undmittelständischeunternehmendesformen und WerkzeugbausinSachsensein.ParalleldazuisteineAnwendunginderAus undweiterbildungdenkbar. AlsVorteileeinessolchenInformationssystemskönnendieUnternehmenerwarten: BeschleunigungderPrototypenentwicklung VerbesserungdesProduktentwicklungsprozessesdurchdenumfassendenEinsatzvonDesign und Funktionsmodellen VereinfachteAuswahlvonDienstleisternfürdiePrototypen undwerkzeugherstellung AuchausSichtderRP DienstleisterergebensichVorteile.NebendergrößerenVerbreitungderKenntnisseüberdie vonihnenangebotenentechnologien,kanngezieltauffehlerquellenundkritischestellenbeiderkonstruktionfürdie

4 Prototypenherstellunghingewiesenwerden,derenAusschlußwiederumeineBeschleunigungderAuftragsabwicklung ermöglicht. BearbeitungvonNutenundanderenFormelementenaufFreiformflächen RegelmäßigeNutenoderähnlicheFormelementeaufFlächenmitfreierFormundihrerAusrichtunganden FlächennormalenerforderndiefunktionaleFünfachsbearbeitung.Beispiellösungenundmethodische Vorgehensweisesindgeschaffenworden. DerModell,Formen undwerkzeugbaubekommtesimmeröftermitflächenanbauteilenzutun,diefreigeformt sind,wasentsprechendgestaltetewerkzeugenachsichzieht.insbesonderedieautomobilindustrieoderihre ZulieferbetriebestellensolcheAufgaben.InKörpermitFreiformflächenmüssenauchFormelementevonregelmäßiger Gestalt,wiebeispielsweiseNuten,eingearbeitetwerden,diesichdanninRichtungderFlächennormalenerstrecken, kurzgesagt,flächennormalengerechtverlaufen.dieseaussagesolldieabbildung1verdeutlichen. Abb.1:SchnittdurcheineFreiformflächemitumlaufenderNut IneinervoneinemZuliefererfürdieAutomobilindustrieherangetragenenProblemstellunggingesumdieHerstellung einesfertigungshilfsmittels,mitdemtiefgezogenekarosserieblecheaufgenommenundtransportiertwerdensollen.für diehierbeiverwendetendichtgummisaufdeninrichtungdesblechesfreigeformtenanlageblöckenwareinenut flächennormalengerechtindiefreiformflächeeinzuarbeiten.dielösungdieserproblemstellungverlangt,denfräser entlangdernutmittellinie5 achsigfunktionalzubewegen.dazumußfürjedennc SatzzurNutherstellung,die FlächennormaleaufderNutmittelliniebenutztwerden,umdiePositionderFräserspitzeunddieRichtungder Fräserachsebestimmenzukönnen. AlsVorgehensweisebotsichinsgesamtdiefolgendean: AnalysederFreiformflächenentlangderNutmittellinieaufLücken undüberschneidungsfreiheit AusführungeventuellnotwendigerKorrekturenandiesenFlächen BestimmungvonZwischenkoordinatenaufderNutmittellinie ErmittlungderFlächennormalenindiesenPunkten BerechnungderZielkoordinatenaufdemNutgrund(fürdieFräserspitze)unterHinzuziehungder FlächennormalenundderNuttiefe Aufbereitungder5KoordinatenwertefürdieFräsmaschineMAHO800C(X,Y,Z,B,C)ausden FräserspitzenpositionenunddenFräserachsrichtungen IndieProblemlösungwurdendieSoftwarepaketeGIBcam1undAHORN2einbezogen. DieskizzierteVorgehensweiseistinihrenGrundzügengleichermaßenanwendbar,wennandereprismatische Formelemente,wieAnflächungen,oderrotatorische,wieBohrungenundGewinde,aufFreiformflächenoderauf

5 regelmäßigenflächen,danninräumlichbeliebigerposition,zubearbeitensind. 1ProduktderGesellschaftfürIndustrieberatungDresden 2PrototypsoftwarederTUDresdenfürdiefunktionaleFünfachsbearbeitung SächsischeKompetenzauseinerHand ZurbeschleunigtenVerbreitungundNutzungderfortgeschrittenenErfahrungenwerdendurchdas Technologietransfer und demonstrationszentrumprodukt undprozeßinnovationen RapidPrototyping& Manufacturing ZPPwesentlicheAktivitätenge bündelt. DasZentrumfürProdukt undprozeßinnovation(zpp)bündeltdieaktivitätendercim Technologietransferzentren dertechnischenuniversitätendresdenundchemnitz,desbeckmann Institutes RapidEngineering Chemnitz e.v.unddesvereinszur AnwendungvonRapid Technologiene.V.. DasZieldesZPPbestehtinderVerbesserungdesTechnologietransferszwischenTechnologieanbieternund TechnologienutzerninsbesondereaufdemGebietdesRapidPrototyping&Manufacturing.DerWissensstandzu RP&MsollentscheidendverbessertunddieumfassendeAnwendungdurchTechnologietransferundaktive UnterstützungbeiderEinführungfortschrittlicherVerfahrendieWettbewerbsfähigkeitderindustriellenUnternehmen verbessertwerden. DasZPPbildeteinenvirtuellenVerbundfürAngeboteeigenerLeistungenundzurLeistungsvermittlungzuRP.Die IntegrationvonForschung,innovativerModellierungundMusterfertigung,Anwendungfortgeschrittener internationalerfertigungsverfahrenundanwendungsapplikationensollenden virtuellenleistungsverbund"zpprp&m" zueinerwirtschaftlichentriebkraftundgefragtenkonsultationsstelle entwickeln. GeradefürdiekleinenundmittlerenUnternehmenimsächsischenRaumbestehtdieeinzigeChancezurRealisierung komplexerleistungenfüreinezukunftsorientierteweiterentwicklungingeeignetenformenderkooperativen Wertschöpfung.DasBündeln,KoordinierenunddiegemeinsameRealisierunginnovativerWertschöpfungsketten gehörtdeshalbzudenkernaufgabendeszentrumsfürprodukt undprozeßinnovation(zpp)mittelsrapidprototyping &Manufacturing.

6 ModerneDienstleistungenfürFormenbauerundSpritzgießer:Werkzeugabmusterungen ModerneSpritzgießmaschinefürWerkzeugabmusterungenundVerfahrensentwicklungen AlsinnovativesUnternehmenbietetdieReichertGmbHEngineering LeistungenzurKostensenkungrundum diespritzgießmaschineundderenformenan. FürAbmusterungenvonWerkzeugenbis1300kNerforderlicheZuhaltekraftstehteinemoderneSpritzgießmaschine mitentsprechendemzubehör(granulattrockner,temperiergeräte,usw.)zurverfügung.vorauslieferungder WerkzeugekönnendiesesomitaufFunktionsfähigkeithinsichtlichFormteilqualitätunderreichbarerZykluszeitgeprüft werden.ebensomöglichistdamitdieherstellungvonmusterteileninkleinseriensowiedieermittlungund OptimierungvonMaschineneinstelldatensätzen. WährendunsererlangjährigenTätigkeitkonntenwirumfangreicheErfahrungenbeiInbetriebnahmeneuerWerkzeuge aufspritzgießmaschinensammeln,sodaßwirinderlagesind,diewerkzeug ProblemeunsererKundenvorder Produktionsaufnahmezulösen.NachAbklärungdertechnischenEinzelheitenzumWerkzeug(Aufspannmaße, Medienanschlüsse,...)undeventuellvorhandenerZusatzeinrichtungen(Kernzüge,Heißkanal)werdendieEinzelheiten derabmusterungmitdemkundenvereinbart. DieAbmusterungbeinhaltetinderRegeldieErmittlungdesFüllbildes,dieBestimmungoptimalerEinstellparameter derspritzgießmaschineunddieherstellungeinerbestimmtenanzahlvonmusterteilen.tretenbeiderabmusterung Problemeauf,erhaltendieKundenvonunserenVerfahrenstechnikernHinweisezuderenBeseitigungamWerkzeug. DieErgebnissederAbmusterungenwerdendokumentiert.

7 Simulation und Analyse von Umformvorgängen WerkzeugführungsgestellalsAnalysesystem Werkzeugführungsgestell ErmittlungvonStörgrößenalsBasiszurErhöhungderProzeßgenauigkeitbeiUmformvorgängen DirekteEinflußgrößenbeiUmformprozessenaufdieWerkstückqualitätstellendierelativeKippungundderVersatz desober gegenüberdemunterteileineswerkzeugesdar. ImRahmeneinesEFB ForschungsprojekteswurdeeinMeß undauswertesystementwickelt,dasdiewirkstellennahe ErmittlungdieserProzeßgrößengestattet.AlsSensorendienenandenSäulenfüßenapplizierteDMS,diealsIndikatoren fürdiebeanspru chungeninderschließebenegenutztwerden. DasMeßsystemunddieVisualisierungssoftwarewurdenanderGhKKasselerarbeitet,dieGrundlagenzurErmittlung derbelastungsgrößensindandertudresdenentwickeltworden.dazuwurdedaskontakt undverformungsverhalten eineswerkzeugführungsgestellsmithilfederfemexemplarischuntersucht. DieErgebnissegehenalsModellbasisineineNäherungslösungein,dieaufderGleichungderelastischenLiniefürden Balkenberuht.DerKontakteinflußwirdvereinfachtalslineareFederindieBerechnungeinbezogen.InAbhängigkeit dereintauchtiefe/stößelstellungsindderrelativeversatzunddiekippungdeswerkzeugoberteilsausden Säulensignalenberechenbar. DieanalytischeNäherungslösungermöglichtsomitdieRealisierungdesOnline KonzeptsdesSystemsauchfür quantitativeanalysen.

8 SimulationvonUmformvorgängenmitFEM EinMittelzurWerkzeugoptimierung VerteilungdermittlerenHauptspannungbeimFeinschneideneinerScheibe KompetenzangebotzurSimulationvonUmformoperationen DurchdieOptimierungderBerechnungs algorithmen,derweiterentwicklungauto matischervernetzungstechnologien undderreduzierungderrechenkostenerschließtdiefiniteelementmethodeimmerbreitereanwendungsgebiete, insbesondereauchbeidersimulationvonumformvorgängen. ImRahmeneinesAIF gefördertengemeinsamenforschungsprojektesdertudresdenunddertumünchenwurden EinflußgrößenaufdenFeinschneidvorganguntersucht.DieSimulationmittelsderFEMermöglichtedieInterpretation derwirkungeneinzelnerverfahrensgrößen,diedarstellungvonspannungs undverformungszuständenunddie ErmittlungvonProzeßkräftenbeimFeinschneiden.DieSimulationverschiedenerVerfahrensvariantenerlaubtedie MinimierungderAnzahlbzw.einedeterminierteAuswahlvonVariantenfürexperimentelleUntersuchungen. UntersuchtwurdederEinflußderSchneidkantengeometrieundderEinflußvonFormundAnordnungderRingzacke aufdenspannungszustandunddamitaufdiequalitätderschnittfläche.damitwirddiesicherheitbeiderauslegung derumformwerkzeugeundderprozeßparametererhöht. WerkzeugentwicklungdurchBlechumformsimulation DieEndgeometrievonWerkstückundWerkzeugläßtsichaufgrundderRückfederungundderkonkreten BeanspruchungsverhältnissezwischenWerkstückundWerkzeugimvorausungenügendbestimmen.Zur ProduktioneinesumformendhergestelltenqualitätsgerechtenBlechteilessindimallgemeinenmehrere Umformstufenerforderlich,derenAbfolgeundPlanungentscheidendfürdieQualitätundu.U.fürdie LebensdauerdesBauteilesist. DiefertigungssichereHerstellungeinesUmformteileswirddabeivorrangigdurchdenErfahrungsschatzder SpezialisteninKonstruktionundWerkzeugbaubestimmt.DazusinddieHerstellungmehrererWerkzeugvarianten,die DurchführungumfangreicherVersuchesowieeinhoherNacharbeitungs bzw.anpassungsaufwandnotwendig. MitHilfederSimulationerfolgtdieErmittlungderGeometriederWerkzeugaktivelementeundder Werkstückgeometrieohnezeit undkostenintensiveversuchezueinemfrühenzeitpunkt,beidemänderungeninder KonstruktionnurgeringeKostenverursachen.DurcheineSimulationwirdesmöglich,mehrereGestaltungsvarianten zuerprobenunddieoptimiertewerkzeuggeometrieundtechnologischegrößen,wiez.b.dieumformkraftzu bestimmen,sowieaussagenzudenprodukteigenschaftenzutreffen.

9 EntscheidenddabeiistdieEinbeziehungderrelevantenPrimärdatendesBlechwerkstoffesinFormdesE Modulsund derfließkurve.eingesetztwirdeinaufderschalentheoriebasierendessimulationssystemfürrotationssymmetrische Umformteile,welchesinengerZusammenarbeitmitdemInstitutfürFestkörper undkontinuumsmechanikin nerhalb einesvonderefbundderaifgefördertenprojektesentwickeltwurde. Blechumformsimulation EinHauchgenügt MinimalmengenschmierungschontdieWerkzeuge VorgangdesDurchsetzfügens ErprobungvonSchmier bzw.trennschichtenfürdieumformungvonaluminiumwerkstoffen VerfahrendesumformtechnischenFügens,wiedasDurchsetzfügen,stellenhinsichtlichWirtschaftlichkeitund AnwenderfreundlichkeiteinepraktikableAlternativezumWiderstandspunktschweißendar. SchwierigkeitengibtesjedochbeimVerbindenvonAluminiumwerkstoffen.AufgrundderhohenWerkzeugbelastung undderbildungneueroberflächendurchdiestattfindendenmassivumformvorgängeistdereffektdesanlegierens

10 vonal WerkstoffandenStahlstempelbesondersausgeprägt.DiesführtzueinerstarkenErhöhungder StempelrückzugskräfteundzueinerpartiellenSchädigungdesFügeelementesschonbeiniedrigenStandmengen (n<100). DurchgeführteForschungsarbeitenbeschäftigtensichdeshalbmitdenUrsachenundWirkmechanismen,diezum VersagendesVerfahrensführen. NebenhartstoffbeschichtetenWerkzeugenistderEinsatzminimalerMengenflüssiger,starkverflüchtigender Schmierstoffemöglich.DiesekönnenmitspeziellenAnlagenundSprühköpfeningeringstenMengenpunktgenau sowiezeitlichgesteuertaufdiefügestelleaufgesprühtwerden.dieminimalmengensprühanlagennutzendabeiden Aerosol Effekt.Sprühmengenvonca.1mg/m²sindrealisierbar. DiehiererarbeiteteLösunghatsichauchbeiderAUDIAGbewährt.DortwerdeninderSerienfertigungFrontklappen desaudia6ausaluminiumunterzuhilfenahmediesermethodeprozeßstabil(n=ca )durchsetzgefügt. RapidPrototyping:KeramikpanzerungfüreinePreßschnecke Abbildung1:ModellierungvonSchnecke,AussparungundPlättchen AmFraunhofer InstitutfürKeramischeTechnologienundSinterwerkstoffeIKTSDresdenwerdenkeramische HochleistungswerkstoffeentwickeltundmitHilfevoninnovativenFertigungstechnologieninFuntionsmuster undkleinserienumgesetzt.mitförderungdessächsischenministeriumsfürwirtschaftundarbeitwurdemit demrapidprotyping VerfahreneinePanzerungausSiC KeramikplättchenfüreinePreßschneckezum StrangpressenvonabrasivenPulverwerkstoffenentwickelt. DasExtrudieren(Strangpressen)isteinkontinuierlichesFertigungsverfahrenfürErzeugnisseausBau oder Ingenieurkeramik.TypischeProduktesindRohre,Mehrkanalelemente,Wabenkörperu.ä..BeimExtrudierenvon abrasivenpulverwerkstoffenwerdendiemitmasseinberührungkommendenmaschienenteileextremaufverschleiß beansprucht.umdiestandzeitzuerhöhenundverunreinigungendesproduktesauszuschließen,wurdeeine verschleißfestepanzerungaussiliziumcarbidfürdiepreßschneckeeinesvakuumextruders(firmahändle,mühlacker) entwickelt. DemgrößtenVerschleißunterliegendieFlankenderSchneckengeometrieinPreßrichtung.AndieserStellewurdeeine biszurmittederschneckenlängedurchgängigeaussparungmodelliert,insegmenteunterteiltundvirtuellmitden dadurcherhaltenen,insichgedrehten,plättchenaufgefüllt(abbildung1). ZunächstwurdenvonderSchneckemitAussparung,sowiedenPlättchen,mittelsLaminatedObjectManufacturing (LOM)Modellegefertigt.DiemitdemvoraussichtlichenSchwindungsfaktorskaliertenCAD DateneinesPlättchens bildetennunmehrdiegrundlagefürdiefertigungeineskunststoffmodellsmittelsstereolithographie.modellierung undmodellfertigungwurdenmitunterstützungdersfmgmbhdresdendurchgeführt.

11 EswurdeeineNegativformausSiliconkautschukgefertigt(MichaelSanderKunststofftechnikGmbHDresden),mit entsprechendenstützvorrichtungenversehenundfürdiethermoplastischeformgebungverwendet.dieformkörper wurdenentbindertundgesintert.beimsinternderverwendetensic KeramikunterSchutzgasatmosphärebei2100 l;c trateineschrumpfunginderlängevon19%auf.dadieseschwindungbereitsbeiderentwicklungvonurmodellund Formberücksichtigtwurde,konntendieerhaltenenKeramikteilenachkurzerPrüfungmitHilfedesLOM Modelsohne weiterenachbearbeitungindieaussparungderpreßschneckeeingefügtwerden.dieabbildung2zeigtdaslom ModellderSchneckemitderAussparung,sowiestereolithographischgefertigteUr modelleunddarausgefertigtesic Plättchen.GegenwärtigbefindetsichdiegepanzerteSchneckeinderLangzeiterprobungbeieinemAnwender. RapidPrototyping VerfahrengewinnenzunehmendanBedeutungfürdieschnelleBereitstellungvon Funktionsmustern.GegenüberdenbislangbekanntenEntwicklungenzumRapidPrototypingvonKeramik,beidenen Pulver Binder Gemischeverwendetwerden,wurdebeidervorgestelltenEntwicklungeinindirekterWegdesRapid PrototypingvonKeramikbauteilenverfolgt.DieseVerfahrensweiseerlaubteinengleitendenÜbergangvonder PrototypenfertigungzurKleinserie.DasRisikowirdsomitnichtnurfürdenHersteller,sondernvorallemfürden Anwenderminimiert,dadieBauteileigenschaftenaufgrundderidentischenkeramischenFertigungstechnologie zwischenfunktionsmusternundserienbauteilenvergleichbarsind. DasFraunhofer InstitutfürKeramischeTechnologienundSinterwerkstoffeIKTSDresdenbietetseineKompetenzbei derbeanspruchungsgerechtenauswahlundentwicklunggeeigneterkeramischerwerkstoffe,beiderfertigungvon FuntionsmusternundKleinserien,sowiebeiderEntwicklungvoninnovativenFertigungstechnologienan. Abbildung2:LOM ModellderSchneckemitAussparung,stereolithographischgefertigteUrmodelle,geformtesundgesintertesSiC Plättchen

12 Zwei Ensatzfälle für Laser- Rapid- Tooling DirekteHerstellungkomplizierterBauteileausMetallundKeramikdurchLaser Sintern FormeinsatzausVergütungsstahl42CrMo4(CAD FileModelltechnikGmbHWaltershausen) UnserLeistungsangebot: Entwicklungwerkstoff undbauteilspezifischertechnologienfürdaslaser Sinternvon Spritzguß,DruckgußundUmformwerkzeugensowieErodierelektroden BauteilprototypenfürdieGießereitechnik,Automobilindustrie,Elektrotechniku.a. EntwicklungneuerPulverwerkstoffe HerstellungvonkompliziertenFormeinsätzen,UmformwerkzeugenundBauteilprototypennachden CAD DatenderKunden Problem WegenimmerkürzererProduktentwicklungszeitenentstehtdieForderungnacheinerpreisgünstigenHerstellungvon Bauteil undwerkzeugmusterninnerhalbwenigertagedirektausdencad Daten(RapidPrototyping).Fürgeringe FertigungsstückzahlenistoftmalsaucheinedirekteHerstellungserientauglicherWerkzeugeauseinemserienüblichen Werkstoffwiez.B.Stahlwünschenswert(RapidTooling).DiebisheretabliertenVerfahrendesRapidPrototyping beschränkensichaufdieverarbeitungvonkunststoffen,wachs,papieroderverbundlösungenvonkunststoffenmit MetallundKeramik.DasSelektiveLaser Sintern(SLS)wirdseiteinigenJahrenauchzurdirektenDarstellung metallischerprototypen(ohnedenumwegüberthermoplastbeschichtung)angewandt.alswerkstoffewerdenjedoch meistniedrigschmelzendelegierungenwiesn Bronzeverwendet. Lösung ImFraunhoferIWSDresdenistesgelungen,technologischeLösungenfürdasGenerierenformkomplizierterKörper aushochschmelzendenundverschleißfestenmetallenundstrukturkeramikzufinden.alslösungswegwurdedazudas Laser FlüssigphasensinternvonPulvernentwickelt.DasPulverbestehtmindestensauseinerhochschmelzenden metallischenkomponente(z.b.stahl)undeinemniedrigschmelzendenbinder(z.b.bronze).imfallederkeramik wirddiebindephasewährendderlaserbestrahlunginsituerzeugt. Vorteile EinMerkmaldesLaser SinternsistdieschichtenweiseDarstellungsmöglichkeitvonKörpernmitkomplexenund filigranengeometrien,mithinterschneidungenundhohlräumen.diesinterkörperhabengegenüber auftraggeschweißtem,d.h.umgeschmolzenemmaterialaufgrundderniedrigensintertemperatureneinengeringeren VerzugunddadurcheineguteMaßhaltigkeitundFormtreue.DiegesintertenFormkörperhabenzwareinegeringere

13 DichtealskompaktesMaterial,siehabenaberalsmetallischePrototypenbereitsoftausreichendeFestigkeitund Verschleißwiderstand.ErforderlichenfallserfolgteinenachträglicheInfiltrationmitniedrigschmelzendenLegierungen. DiegesintertenSiC GrünkörperwerdenstetsmitSiliziumfehlerfreiundverzugsfreizueinemvölligdichtenTeil infiltriert.dieinfiltrationverringertaußerdemdieoberflächenrauheitdersinterstrukturen. DergesamteBauprozeßläuftaufeinermodifiziertenSinteranlageEOSINTM160(Fa.EOS)vollautomatischabund istdaherpreisgünstig. Ergebnisse WerkstoffmäßighabenwirunserebisherigenErfahrungenmitSn BronzeundReineisennunmehraufBaustahlund VergütungsstahlsowiegemeinsammitdemFraunhoferIKTSDresdenaufSiC Strukturkeramikerweitert.Werkstoffe wiewarmarbeitsstahl,wolframundwc Co HartmetallsindinVorbereitung. HauptmerkmalederSinterkörper: Maximalabmessungen:160x160x100mm³ Formabweichungen:<0,1mm(SiC<0,2mm) RauhtiefeRZ:<100µm(meist<50µm) RelativeMassendichte: nachsintern55 65%(Stahl), nachinfiltrationbis99%(stahl), 99,5%(SiSiC) Werkstoffe:Ni/Sn Bronze Gemisch,Baustahl17CrNiMo6,Vergütungsstahl42CrMo4(neu!),SiSiC Keramik(neu!). LaserspiegelträgerauslasergesintertemSiC,mitSiinfiltriert(CAD FileModelltechnikGmbHWaltershausen)

14 Bauteilfertigungdurch3D Laser Auftragschweißen GenerierteFormkörperausunterschiedlichenHartlegierungen ModerneLasertechnologieermöglichtdasschnelleGenerierenmetallischerFunktionsmustermitrealen Gebrauchseigenschaften DeraktuelleTrendzuimmerkürzerenEntwicklungs undmarkteinführungszeitenneuerprodukteistengmitder EntwicklungvonTechnologienzurschnellenFertigungvonPrototypenverbunden. DasimFraunhoferInstitutfürWerkstoffundStrahltechnikIWSDresdenpraktizierte3D Laser Auftragschweißenmit PulveroderPulvergemischenisteineaussichtsreicheVariantezumGenerierenmetallischerFunktionsmustermitrealen Gebrauchseigenschaften.DerAufbauvonWerkstückenerfolgthierbeiohneUmwegedirektausden KonstruktionsergebnisseninFormvonCAD Daten. AuchdieschnelleundflexibleInstandsetzungvonWerkzeugendurchdasLaser Auftragschweißenhatindertäglichen Praxisschonoftdazubeigetragen,Kosten,diezumBeispieldurchdenvorzeitigenAusfallvonWerkzeugenoderdie kurzfristigeeinarbeitungvonkundenwünschenentstehen,zusenken. ImFraunhoferIWSDresdenistesmöglich,mitHilfeeinesDigitalisiersystemsdiekonkreteIst Konturmithoher GenauigkeitunmittelbaramBauteilabzunehmen.InAbhängigkeitvondergewünschtenSollkonturwerden anschließenddietechnologischendatenundprozeßparameterfestgelegtundineinnc Programmzum Werkstoffauftragumgewandelt. DasFraunhoferIWSDresdenkannaufumfangreicheErfahrungenimLaser Auftragschweißenmitunterschiedlichen StählensowieKobalt undnickelhartlegierungenverweisen.durchviellagigesauftragenwerdenunterschiedliche KörperundSchichtenmiteinerHärtezwischen41und54HRCerzeugt.Charakteristischsindderendichte, feinkristallinestruktur,diefestemetallurgischebindungzumsubstratunddieendkonturnähe. FürWerkzeugeundBauteile,diehöchstenVerschleißbeanspruchungenunterliegen,bietetdasFraunhoferIWSDresden dasauftragenvonhartstoffenoderhartstoff Binder Pulvergemischenan.

15 3D Laser AuftragscheißenmitkoaxialerPulverzuführung Fertigungsplanung Terminvorgestern??? AuftragsbezogeneBelastungssituationfür"NC Fräsen"ineinzelnenKalenderwochen DerWerkzeugbaugiltzurechtalsstörungsgeprägteAuftrags undeinzelfertigung. Technischmeisthochgerüstet,werdeninderFertigungsplanungoftMethodengenutzt,welcheinziemlich krassengegensatzzucad/cam,rapidprototyping...stehen Mußdassosein? proforma LeistungenfürdenWerkzeugbauGmbHerbringtkomplexeDienstleistungenfürdenWerkzeugbau,unter anderem:

16 KonstruktionvonPlastspritzwerkzeugen ModellierenvonFreiformflächen NC Programmierung HSC FräsenvonGraphitelektroden HSC FräsenvonFormeinsätzen Softwareentwicklung NichtnurfürdenEigenbedarfwurdeeinPlanungs undsteuerungsinstrumentgeschaffen,dasauchunterder störungsgeprägtenauftrags undeinzelfertigungeineffizientesplanenermöglicht. DasSystemproformappsistdurchfolgendeMerkmalegekennzeichnet: EinfacheBedienbarkeit Netzfähigkeit HohesLeistungsvermögenbeiZeit undkostenplanung SpeziellfürAuftrags undeinzelfertigung AnpaßbarkeitanbestehendeAbläufe VariableNutzungsfähigkeit Stufenweise DieZeitplanungerfolgtinAbhängigkeitvomPlanungshorizontunddesPlanungszeitraumesinverschiedenen Detailierungsgraden. InderAngebotsphasewerdenHilfsmittelinFormvongraphischvisualisiertenKennziffernbereitgestellt,umsich schnelleinenüberblicküberdiebelastungssituationzuschaffen. InderPhasedermittelfristigenPlanung(Planungshorizontgrößer1 2Wochen)erfolgteinKapazitätsabgleichaufder BasisnormalerodermaximalerKapazitätenderKostenstellen. InderkurzfristigenPlanungwirdeine"elektronischePlantafel"zurVerfügunggestellt,dabeikannmanmanuelloder automatisierteinplanen. DieKalkulationgeschiehtdurchSummierungeinzelnerHauptkostenfaktorenundMultiplikationmiteinem auftraggeberspezifischengewinn /Risikofaktor. InderPraxisgeschiehtdiePreisbildungnichtunwesentlichaufderBasisähnlicherWerkzeugeunterNutzungdes ErfahrungsschatzesdesBearbeiters.DieserProzeßwirdinproformappsdurchentsprechendeSoftwaremodule unterstützt,sodaßmanvoneinerspürbarenerhöhungderkalkulationssicherheitausgehenkann. Schnelle Gußprototypen PrototypenausMetall: HerstellungimDDV Feingußverfahren PTZ Prototypenzentrum komplexerdienstleisteraufdemgebietderherstellungvonprototypenund KleinserieninKunststoffundMetall DerForderungderIndustrienachschnellerundkostengünstigerBereitstellungfunktionsfähigerPrototypenkannmit demdruck Differenz Vakuum Feingußverfahrenentsprochenwerden. DasDDV VerfahrendientinsbesonderederHerstellungmetallischerPrototypenundKleinserienkomplexerGeometrie imbereichvon5bis20stück. WesentlicheVorteiledesVerfahrensliegeninderschnellenVerfügbarkeitundderhochwertigenGußqualitätder Teile. Verfahrensprinzip:

17 IneinemerstenAbformprozeßwirdeinUrmodellinFeingußwachsdupliziert.DersoentstandeneWachslingdientim nachfolgendenarbeitsschrittalsverlorenesmodellzurherstellungeinerkeramischengußform.imeigentlichenddv FeingußprozeßwerdendiegewünschtenMetalllegierungeninduktivunterSchutzgasatmosphäreaufgeschmolzenund indievorherevakuiertegießformvergossen. DieSPS SteuerungermöglichteinendefiniertenNachdruckaufdienochflüssigeSchmelzezurVerbesserungder FormfüllungundzurVerringerungderLunkerbildung. VergießbarsindmitdenimEinsatzbefindlichenAnlagendabeiprinzipiellallegießfähigenAluminium,Zink und Buntmetallegierungen. max.teilegrößeinmm: max.teilevolumen: max.teilegewicht: Lieferzeiten: 300x300x cm³ 3500gAlu ca tage SchnelleGußprototypenund vorserienmittelsrapidprototypingundsandguß Rapid Prototyping ModelleundAluminiumsandgußprototyp FormgußDresden,einetraditionsreicheundgleichzeitigmoderne,öko auditiertealuminiumgießereiverwendet Rapid Prototyping Modelle,umGußprototypenund vorserienimsandgußverfahrenherzustellen. Produktentwicklungszeiten(timetomarket)lassensichsodrastischverkürzen.Derarthergestellte Druckgußprototypenund vorserienermöglichenfrühzeitigeerprobungundsomitenorme Kosteneinsparungen. FormgußDresdenisteinGießereiunternehmenmitüber100jährigerTradition.1990alsGmbHwiederprivatisiert, wurdederbetrieb1993neuaufgebaut. DieGeschäftsfelderdesUnternehmenssindAluminiumgußundKunstguß.Aluminiumgußwirdmittels Sandgußverfahren(Handformguß,Maschinenformguß,AnlagengußmitFuranharzsand)undKokillengußhergestellt. DabeikönnenGußstückmassenvon10gbis350kg inbeliebigerstückzahlvomeinzelstückbiszurgroßserie realisiertwerden.imkunstgußwerdenskulpturen,reliefs,schrifttafelnunddenkmalpflegearbeiteninbronzeund MessingmittelsSandgußundFeinguß(Wachsausschmelzverfahren)angefertigt. AlsServiceleistungenbietenwiraußerdemModellbauinHolz,KunststoffundMetall,RapidPrototyping(LOM, Stereolithographie)sowieKokillenbaueinschließlichKonstruktionan.DarüberhinausunterstützenwirunsereKunden

18 beidergußteilentwicklung. AlseinedererstenGießereienDeutschlandshatFormgußDresdeneinUmwelt managementsystem( Öko Audit ) gemäßverordnung(ewg)nr.1836/93eingeführt(register Nr.:DE S ). ImZeitalterimmerkürzererProduktentwicklungszeitenspieltdieschnelleHerstellungvonGußprototypenund vorserieneineimmergrößererolle.formgußdresdenmißtdieserentwicklunggroßebedeutungbeiundistauf diesemgebietaktiv. ImUnternehmenwerdenAluminiumgußprototypenund vorserieninkürzesterzeitmittelssandgußunterverwendung vonrapid Prototyping Modellenhergestellt.BeimRapidPrototypingwerden ausgehendvonihren(bzw.auchdurch unsfürsieerstellten)3d CAD Konstruktionsdaten inwenigenstundenbzw.tagencomputergesteuertphysische Modellegeneriert. BeiFormgußDresdenkommenLOM Modelle(LaminatedObjectManufacturing),Stereolithographiemodelleund CNC bzw.hsc gefrästemodellezumeinsatz.gegenüberderkonventionellenprozeßkette(traditionellermodellbau) kanndurchdeneinsatzvonrapid Prototyping ModelleneinedrastischeZeitverkürzungbeigleichzeitiger KostenreduzierungundQualitätssteigerungerzieltwerden. FürKokillengußundDruckgußkönnenüberRapid Prototyping Modelleschnellundkostengünstigserienähnliche Sandgußprototypenund vorserienfürkonstruktiveerprobungenhergestelltwerden.dabeisindwir jenachder Teilegeometrie inderlage,druckguß bzw.feingußtypischeoberflächenqualitätenzuerzielen. DurchNutzungdieserneuenProzeßketteerreichenSie: metallische,serienähnlicheprototypenineinersehrfrühenphasederproduktentwicklungfürdesign,einbau undfestigkeitsüberprüfungen VermeidungkostspieligerundzeitaufwendigerÄnderungenvonSerienwerkzeugen(Druckguß,Kokillenguß, Sandguß)durchfrühzeitigeEntdeckungvonKonstruktionsfehlern WirberatenSiegernweiterundfreuenunsaufeineZusammenarbeitmitIhnen. Referenzliste: BMWAG,München DruckgußHeidenauGmbH FordAG,Köln PierburgAG,Neuss RoverGroupLtd.,Birmingham VolkswagenAG,Wolfsburg wefogmbh,berlin u.a.

19 Ausgabe3/98 Inhaltsverzeichnis Impressum Herausgeber: TUDresdenForschungsförderung/Transfer TechnologieZentrumDresdenGmbH BTI BeratungsgesellschaftfürTechnologietransferundInnovationsförderung mbh Redaktion: Dipl. Journ.EvaWricke(TUDresden) Tel.: ,e dresden.de Dr.Hans JoachimBurghardt(TechnologieZentrumDresden) Tel.: ,e dd.de Dipl. Ing.UteKedzierski(BTImbH) Tel.: ,e dresden.de Anschrift: DresdnerTransferbrief c/otechnologiezentrumdresdenmbh GostritzerStraße61 63 D 01217Dresden Tel.: Fax: e mail:burghardt@tzd.tz dd.de GestaltungundSatzdergedrucktenAusgabe: progressmedia VerlagundWerbeagenturGmbH Lingnerallee3 D 01069Dresden Tel.: Fax: e mail:progress.media@advis.de BTImbH2000