Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien

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1 Michael F. Zäh Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren Kostengünstig Produzieren

2 Zäh Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien vbleiben Sie einfach auf dem Laufenden: Sofort anmelden und Monat für Monat die neuesten Infos und Updates erhalten.

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4 Michael F. Zäh Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren

5 Der Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh ist Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der Technischen Universität München. Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, sind vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. ISBN Carl Hanser Verlag München Wien unveränderter Nachdruck der 1. Auflage 2006 Internet: Gesamtlektorat: Dipl.-Ing. Volker Herzberg Coverkonzept: Marc Müller-Bremer. Rebranding, München, Germany Titelillustration: Atelier Frank Wohlgemuth, Bremen Umschlaggestaltung: MCP Susanne Kraus GbR, Holzkirchen Herstellung: Der Buchmacher, Arthur Lenner, München Druck und Bindung: Books on Demand, Norderstedt Printed in Germany

6 Vorwort V Erste kommerzielle Anlagen zur schichtweisen, generativen Herstellung von Bauteilen wurden Ende der 80er Jahre auf dem Markt angeboten. Zu diesem Zeitpunkt spielten diese Fertigungsverfahren kaum eine Rolle für die Industrie und galten eher als Spielwiese der Forschung. Mitte der 90er Jahre hingegen boomte der Markt im Bereich der Muster- und Prototypenerstellung. Das Rapid Prototyping war in aller Munde, jedoch wurde die anfängliche Euphorie teilweise gedämpft. Die Einschränkungen, die damalige Systeme aufwiesen, begrenzten den breiten Einsatz von Rapid Technologien. Wie aber steht es nun um die Landschaft der generativen Fertigungsverfahren? Inzwischen wurden neue Technologieansätze gefunden und realisiert, die beispielsweise die direkte Herstellung von Metallbauteilen oder von Kleinserien zulassen. Damit ist es möglich, qualitativ hochwertigere Bauteile für anspruchsvolle Kundenwünsche zu verwirklichen. Mit heutigen Anlagen werden Bauteileigenschaften erreicht, die noch vor einem Jahrzehnt nicht vorstellbar waren. Ein weiterer großer Vorteil der generativen Fertigungstechnologie ist darin begründet, dass komplexe Bauteilgeometrien sehr wirtschaftlich, selbst bei kleinsten Losgrößen, zu fertigen sind. Damit ist der Einsatz der Rapid Technologien nicht mehr nur auf Nischenprodukte beschränkt und die generativen Fertigungsverfahren sind heute eine ernst zu nehmende Alternative zu konventionellen Fertigungsverfahren. Das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München beschäftigt sich seit über 10 Jahren am Anwenderzentrum Augsburg mit der Thematik der generativen Fertigung. Die Themengruppe Fertigungsprozesse und dort verstärkt das Geschäftsfeld Rapid Manufacturing beleuchtet neben der Forschung an neuen generativen Fertigungsverfahren auch Optimierungsmöglichkeiten dieser innovativen Technologien. Seit mehreren Jahren werden unter anderem die Ergebnisse aus der Forschung auf dem alljährlichen Rapid Manufacturing-Seminar des iwb Anwenderzentrum Augsburg potenziellen Anwendern schichtweiser Herstellverfahren vorgestellt. Die Erfahrung und langjährige Arbeit im Bereich der generativen Fertigungstechnologien soll in diesem Anwenderleitfaden einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Ziel dieses Buchs ist es demnach, das generative Fertigungsprinzip begreifbar zu machen, das derzeitig Machbare aufzuzeigen und aktuell noch nicht genutzte Technologiepotenziale darzustellen. Aber auch Restriktionen, Defizite und Risiken beim Einsatz der schichtweisen Fertigungstechnologien werden thematisiert. Mit diesem Buch sollen

7 VI Vorwort Anwender unterstützt werden, die für ihre Anforderungen optimalen generativen Fertigungstechnologien zu identifizieren, aber auch neue Impulse und Ideen zu sammeln, um die Herstellung ihrer Produktpalette auf die generative Fertigung auszurichten und die vielfältigen Möglichkeiten dieser Technologien für sich nutzbar machen zu können. Der besondere Dank des Herausgebers gilt dem Hanser Verlag, der bei der gesamten Entstehung des Buchs mit Rat und Tat zur Seite stand. Des Weiteren soll in diesem Rahmen dem Autorenteam des iwb Anwenderzentrum Augsburg gedankt werden. Hier möchte ich besonders Herrn Dr.-Ing. M. Meindl, Herrn Dr.-Ing. M. Seefried, Herrn Dipl.-Ing. Matthäus Sigl, Herrn Dipl.-Ing. Florian Hagemann, Herrn Dipl.-Ing. Markus Kahnert und Herrn Dipl.-Ing. (FH) MBA Andreas Müller nennen, ehe deren Mitarbeit dieses Werk nicht hätte entstehen können. Der Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh

8 Der Herausgeber VII Seine berufliche Laufbahn begann Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh im Jahre 1990 als wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Dr.-Ing. Joachim Milberg am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München, bei dem er im Jahre 1993 promovierte. Von 1994 bis 1995 war er unter Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart, dem damals neu berufenen Leiter des iwb, schließlich Oberingenieur und Abteilungsleiter für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik wechselte Michael Zäh zur Gleason-Pfauter Maschinenfabrik GmbH nach Ludwigsburg, wo er zunächst als Versuchs- und Konstruktionsingenieur und später als Leiter der Auftragsabwicklung tätig war. Ab 1997 gehörte er der erweiterten Geschäftsführung an, ab 1998 war er leitender Angestellter. Im Jahr 2002 nahm Professor Michael Zäh einen Ruf auf den Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU München an, um seinem akademischen Lehrer Joachim Milberg nachzufolgen. Seither leitet er auch das iwb sowie in Vertretung von Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart den Lehrstuhl für Montagesystemtechnik und Betriebswissenschaften.

9 VIII Das Autorenteam Dipl.-Ing. Florian Hagemann studierte Maschinenwesen an der Technischen Universität München sowie an der Carnegie Mellon University, Pittsburgh, und ist seit Januar 2005 am Produktionstechnischen Anwenderzentrum Augsburg des iwb als Wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig. Als Mitglied der Themengruppe Fertigungsprozesse und dem Forschungsfeld Rapid Manufacturing beschäftigt er sich mit dem Rapid Tooling und im speziellen mit formflexiblen Werkzeugen für den Spritzguss. Dipl.-Ing. Markus Kahnert absolvierte von 1995 bis 1998 die Ausbildung zum Werkzeugmechaniker bei der BMW AG und studierte anschließend bis 2003 Maschinenwesen an der Technischen Universität München. Im Jahr 2003 begann er seine Mitarbeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am iwb Anwenderzentrum Augsburg. Im Rahmen seiner Tätigkeiten befasst sich Herr Kahnert mit der Entwicklung des generativen Fertigungsverfahrens Elektronenstrahlsintern. Dr.-Ing. Matthias Meindl ist Geschäftsführer am Produktionstechnischen Anwenderzentrum Augsburg des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb). Als Mitglied der Institutsleitung des iwb ist er für die Themengruppe Fertigungsprozesse und die beiden Forschungsfelder Wärmearme Fügeverfahren und Rapid Manufacturing verantwortlich. Dipl.-Ing. (FH) MBA Andreas Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter, seit 1999 am iwb tätig, studierte Maschinenbau an der Fachhochschule Augsburg und absolvierte 2003 den Master-Studiengang an der Universität Augsburg und Universität Pittsburgh. Im Rahmen seiner Tätigkeiten im Bereich Rapid Manufacturing beschäftigt er sich vorwiegend mit Applikationsuntersuchungen von Rapid Verfahren, hierbei insbesondere die Herstellung von Spritz- und Druckgussformen. Dr.-Ing. Markus Seefried war nach seinem Studium der Fahrzeugtechnik in der Technischen Entwicklung der AUDI AG in Ingolstadt beschäftigt. Ab 2001 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Anwenderzentrum Augsburg. Dabei beschäftigte er sich im Forschungsfeld Rapid Manufacturing unter anderem mit den Möglichkeiten zur Optimierung der generativen Verfahren durch numerische Simulationsmethoden. Seit seiner Promotion im Dezember 2005 arbeitet er bei der Continental Automotive Systems. Dipl.-Ing. Matthäus Sigl studierte Maschinenwesen an der TU in München und ist seit Januar 2001 am iwb Anwenderzentrum in Augsburg als Wissenschaftlicher Assistent angestellt. Dort entwickelt er das Elektronenstrahlsintern von metallischen Bauteilen und leitet das Forschungsfeld Rapid Manufacturing. An diesem Buch wirkte er als Koordinator und Autor mit.

10 Inhaltsverzeichnis IX Vorwort... V Der Herausgeber... Das Autorenteam...VIII 1 Einführung in die aufbauenden Verfahren Die Produktentstehung eines Handbremshebels Umfeldbetrachtung Wegweiser für das Buch Rapid-Technologien als Fertigungsverfahren Begriffsdefinitionen Das Grund-Prinzip des schichtweisen Aufbaus Vergleich von schichtweise aufbauenden Verfahren mit spanenden Technologien Verfahrensablauf bei konventioneller Fertigungstechnologie Vorteile beim generativen Fertigen des Schwungrades Verfahrensablauf D-CAD-Modellierung Triangulation Slice-Prozess Bauprozessvorbereitung Bauprozess Datenverarbeitung Herausforderung Grundlegende Softwarekomponenten Jobvorbereitung Prozesssteuerung Standard-Dateiformate Leistungsmerkmale Marktübersicht Einteilung der Rapid-Technologien Grundlegende Verfahrensgruppen Stereolithographie (SLA) Geschichtliche Entwicklung Funktionsweise Wirkprinzip VII

11 X Inhaltsverzeichnis Anwendungen Anlagen und Hersteller Selektives Sintern Funktionsweise Wirkprinzip Anwendungen Anlagen, Hersteller und Trends Elektronenstrahlschmelzen Extrusionsverfahren Fused Deposition Modeling Multi-Jet-Modeling Schicht (Laminat)-Verfahren D-Printing (3DP) Kombination von Verfahren Layer Milling Process (LMP) Solidscape Drop-on-Demand-Jet Technology (DODJET) Rapid Tooling Prozessketten beim Rapid Tooling Gießverfahren als Folgetechnologie Vakuumgießen Gipsgießen Sandgießen Feingießen Spin-Casting Niederdruckspritzgießen Niederdruckgießen Schleudergießen Druckgießen Spritzgießen Gegenüberstellung der vorgestellten Verfahren Konstruieren für Rapid-Technologien Konventionelle Gestaltungsrichtlinien Restriktionen von urformenden Verfahren Restriktionen von umformenden Verfahren Restriktionen von spanenden Verfahren (Fräsbearbeitung) Richtlinien und Restriktionen bei Rapid-Technologien Allgemeine Restriktionen von generativen Fertigungsverfahren Verfahrensspezifische Restriktionen Neue Freiheiten durch Rapid-Technologien Conformal Cooling Umdenken in der Produktion

12 Inhaltsverzeichnis XI Gelenke aus einem Bauteil fertigen Strömungsoptimierte Kanäle Verbesserte Formschlussverbindungen Farbige Modelle Herstellernachweis Wirtschaftlicher Einsatz Marktbedürfnisse Motivation für die Anwendung von Rapid-Technologien Anwendung im Produktentstehungsprozess Konzept-/Entwurfsphase Rapid Prototyping Detaillierung/Vorserie Rapid Tooling Markteinführung Rapid Manufacturing Abgrenzung zu konventionellen Verfahren hinsichtlich Wirtschaftlichkeit Anwendungsbeispiel Schwungrad Einzelfertigung eines Schwungrades Mengeneffekt bei generativen Verfahren Anwendungsbeispiel Formeinsatz Einzelfertigung eines Formeinsatzes Herstellung mehrerer Formeinsätze Anwendungsbeispiel Kunststoffbauteil Herstellung von Serienbauteilen durch schichtweise arbeitende Verfahren Serienfertigung von Kunststoffbauteilen Eigenfertigung oder Fremdbezug (Make or Buy) Anlagenbetrieb im eigenen Unternehmen Integrationsmöglichkeiten Anlagenbeschaffung und -betrieb Marktüberblick Auswahlkriterien Investitionskostenrechnung Betriebskosten und Folgekosten Zukauf von Bauteilen über Lohnfertiger Ablauf einer Externvergabe Wertschöpfungstiefe Prozess-Know-how Bauteilherstellung Nacharbeit Engineering Systemlieferant

13 XII Inhaltsverzeichnis 4 Rapid-Technologien Quo Vadis? Abriss der bisherigen Entwicklungen Derzeitiger Stand Zukünftige Entwicklungen Verfahren im Entwicklungsstadium Präzisionslaserstrahlsintern (PLS) Foam Reaction Prototyping (FRP) MELATO EcoMold Controlled Metal Buildup (CMB) Kontinuierliche Weiterentwicklung Verbesserung bestehender Prozesse und Anwendungen Verfahrens- und Anlagenneuentwicklung Entwicklung neuer Werkstoffe Neue Anwendungsfelder Tissue Engineering Weitere medizinische Anwendungen Herstellung kompletter Baugruppen Arbeitsschutz Steigerung des Bekanntheitsgrades Normung Auswirkungen auf die Fabrik von morgen Änderung der Fertigungsorganisation Werksumgebung Mitarbeiter Auftragsabwicklung Visionen Und so schließt sich der Kreis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang Abkürzungen Checkliste für den Zukauf von Bauteilen Checkliste für die Anlagenbeschaffung Index...255