Beitrag zur Entwicklung generativer Fertigungsverfahren für das Rapid Manufacturing

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1 Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität München Beitrag zur Entwicklung generativer Fertigungsverfahren für das Rapid Manufacturing Matthias Meindl Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Hartmut Hoffmann Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann

2 Inhaltsverzeichnis I Seite Abkürzungsverzeichnis... VII Formelverzeichnis... XI 1 Einleitung Ausgangssituation und Problemstellung Zielsetzung der Arbeit Vorgehensweise Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen Vorgehensweise im Kapitel Grundlagen Verfahrensprinzip Technologisches Grundprinzip Arten der Werkstoffverfestigung Anwendung generativer Fertigungsverfahren Klassifizierung nach Bauteileigenschaften Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing Handlungsbedarf Verfügbare generative Fertigungstechnologien Allgemeines Verfestigung durch chemische Aktivatoren - 3D Printing Aufschmelzen und Erstarren...24

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4 Inhaltsverzeichnis Seite Lokales Sintern oder Schmelzen Zusammenfassung und Handlungsbedarf Phasenmodell zur Technologieentwicklung innerhalb des Rapid Manufacturing Vorgehensweise im Kapitel Konzeption eines Phasenmodells Methoden für das Phasenmodell Anwendung Primäre Phase: Anforderungsanalyse für Rapid- Manufacturing-Verfahren Sekundäre/Tertiäre Phase: Kinetische Modelle für das Indirekte Metall-Lasersintern Primäre/Sekundäre Phase: Untersuchung und Bewertung von Einflussgrößen für das Elektronenstrahlsintern Zusammenfassung Anforderungen an Rapid-Manufacturing-Verfahren (Primäre Phase) Vorgehensweise im Kapitel Zielsetzung und Vorgehensweise der Anforderungsanalyse Qualitätsanforderungen Marktentwicklungen und daraus resultierende Anforderungen Unternehmensspezifische Anforderungen an Fertigungsverfahren Unternehmensbefragung Zusammenfassung II

5 III Seite 5 Kinetische Modelle für das Indirekte Metall-Lasersintern (Sekundäre/Tertiäre Phase) Vorgehensweise im Kapitel Ausgangssituation Zielsetzung und Vorgehensweise Analyse der thermischen Behandlung beim IMLS Multivariate formalkinetische Analyse und Modellierung Grundlagen der thermokinetischen Analyse Kinetische Modelle Formalkinetische Analyse und Modellierung Vorgehensweise zur multivariaten formalkinetische Analyse und Modellierung (MFA) Adaption der multivariaten formalkinetischen Analyse an das IMLS Grundlagen Untersuchungsobjekte Experimente - Thermische Analyse Modellfreie Analyse der TG-Messungen Anwendung der Friedman-Analyse Kinetische Modellierung Optimierung des Binderausbrennens Modellvalidierung Technologische und wirtschaftliche Bewertung Aufwand zur Kalibrierung des Ofenprozesses für neue Pulverwerkstoffe oder erweiterte Bauteildimensionen...92

6 Inhaltsverzeichnis Seite Herstellung von Bauteilen - geometrieabhängige Untersuchungen Nachbehandlung, Reparatur Nutzen aus der Anwendung multivariater formalkinetischer Modelle Untersuchung und Bewertung von Einflussgrößen für das Elektronenstrahlsintern (Primäre/Sekundäre Phase) Vorgehensweise im Kapitel Ausgangssituation Zielsetzung Vorgehensweise Erfassen der Einflussgrößen Methoden zur Untersuchung und Bewertung von Einflussgrößen Elektronenstrahlsintern (EBS) Anlagentechnologie Verfahrensprinzip Detaillierte Analyse des EBS Umfang der Analyse Ermittlung von Einflussgrößen Werkstoffe Metallpulver Energieeinkopplung des Elektronenstrahls in das Pulver Belichtungsstrategien IV

7 Seite 6.7 Festlegung der Einfluss- und Zielgrößen für die Versuchsdurchführung Einflussgrößen für die Versuchsdurchführung Zielgrößen zur Beurteilung von Produktmerkmalen Identifikation geeigneter Wertebereiche für Einflussgrößen Konzeption der Versuchsstrategie Versuchsdurchführung Bewertung von Zielgrößen Versuchsauswertung Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsmatrix Durchführung von Experimenten Versuchsauswertung bei Kupferpulver Cu-103 (Cu38Ni) Verifikation Technologische und wirtschaftliche Bewertung Zusammenfassung und Ausblick Literatur Anhang Der Qualitätsbegriff Umfrage zu Einsatzpotenzialen generativer Fertigungsverfahren für die Serienfertigung Vorgehensweise zur multivariaten formalkinetischen Analyse Erfassung und grundlegende Interpretation von Messdaten.193 V

8 Inhaltsverzeichnis Seite Modellfreie Schätzung der Aktivierungsenergie Kinetische Modellierung Kenndaten des verwendeten thermogravimetrischen Analysators Signifikante Haupt- und Wechselwirkungseffekte beim EBS von Kupferpulver Cu-103 (Cu38Ni) Zielgröße Adhäsion Zielgröße Spur Zielgröße Strahleindringtiefe Zielgröße Versinterungsgrad Zielgröße Schmelztropfen Zielgröße Spritzen VI

9 Abkürzungsverzeichnis TM Trademark Rechtsschutz % Prozent C Grad Celsius 3D dreidimensional 3D Printing Three Dimensional Printing A Al 2 O 3 bzgl. bzw. CAD CAx CMB CNC CT Ampere Aluminiumoxid bezüglich beziehungsweise Computer Aided Design Computer Aided (unspezifiziert) Controlled Metal Build Up Computerized Numerical Control Computertomographie d. h. das heißt DIL Dilatometrie DIN Deutsches Institut für Normung DMD Direct Metal Deposition DMLS Direct Metal Lasersintering; Direktes Metall-Lasersintern DoE Design of Experiments DTM Desktop Manufacturing DV Datenverarbeitung DVDI Deutscher Verband der Industrie-Designer EB EBM EBS EDV E-Strahl EOS Electron Beam; Elektronenstrahl Electron Beam Melting; Elektronenstrahlsschmelzen Electron Beam Sintering; Elektronenstrahlsintern Elektronische Datenverarbeitung Elektronenstrahl Electro Optical Systems f. / ff. folgende Seite / Seiten FE finite Elemente FEM Finite-Elemente-Methode VII

10 Abkürzungsverzeichnis g GmbH h HIP HSC HSS Hz ICTAC IMLS ISO J k K KeZ-EBS LAM LENS LF-ST ma mbar MFA mg MIT MLR mm mm 2 mm 3 MNR mol MRT Gramm Gesellschaft mit beschränkter Haftung Stunde heißisostatisches Pressen High Speed Cutting; Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Hochleistungs-Schnell-Stahl Hertz (1/s) International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry Indirect Metal Lasersintering; Indirektes Metall-Lasersintern International Standards Organisation Joule Kilo Kelvin Qualitätskennzahl für das Elektronenstrahlsintern Laser Additive Manufacturing Laser Engineered Net Shape Laserform Steel (Werkstoffbezeichnung) Milliampere Millibar multivariate formalkinetische Analyse und Modellierung Milligramm Massachusetts Institute of Technology multiple lineare Regression Millimeter Quadratmillimeter Kubikmillimeter multivariate nichtlineare Regression molare Masse Magnet-Resonanz-Tomographie µm Mikrometer µg Mikrogramm NC N.N. Numerical Control; numerische Steuerung nomen nominandum o. ä. oder Ähnliches VIII

11 PIM PMMA QFD Powder Injection Molding Polymethylmetacrylat Quality Function Deployment R a RM RP RP-ML RT Mittenrauwert Rapid Manufacturing Rapid Prototyping Rapid Prototyping Mailing List Rapid Tooling S. Seite SLA Stereolithographics SLM Selective Laser Melting SLS Selective Lasersintering; Selektives Lasersintern SNL Sandia National Laboratories SPC Statistical Process Control SPS speicherprogrammierbare Steuerung STEP Standard for the Exchange of Product Model Data STL Standard Transformation Language SUV Sports Utility Vehicles TG TQM Thermogravimetrie Total Quality Management u. a. und andere u. U. unter Umständen V Volt VDI Verein Deutscher Ingenieure e. V. vgl. vergleiche W Watt z. B. zum Beispiel IX

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13 Formelverzeichnis Zeichen Einheit Bedeutung A Präexponentialfaktor A B Einstufenreaktion A B C Folgereaktion dx/dt mol/s Umsatzrate e mol/l Konzentration des Edukts E kj/mol Aktivierungsenergie exp Exponentialfunktion f Funktion FollReact. Anteil der Reaktionsstufe am Gesamtmassenverlust g i Gewichtungsfaktor I, I B ma Strahlstrom KeZ-EBS Qualitätskennzahl für das Electron Beam Sintering lg Logarithmus MassDiff i % Gesamtmassenverlust der Messkurve i n Anzahl Wiederholungen einer Belichtung n i Reaktionsordnung zur Stufe i p mol/l Konzentration der Produkte Q E J elektrische Leistung / eingebrachte Energiemenge R a µm Mittenrauwert React.Order n Reaktionstyp n-ter Ordnung auf jeder Stufe R J/mol/K allgemeine Gaskonstante t s Reaktionszeit T C Pulvertemperatur U Umsetzungsfunktion U V Spannung U B kv Beschleunigungsspannung v m/s Strahlgeschwindigkeit x Umsetzungsgrad X 1 X n Einflussgrößen Y 1 Y m Ergebnisgrößen η Wirkungsgrad XI

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15 Ausgangssituation und Problemstellung 1 Einleitung 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung Die bestimmenden Wettbewerbsbedingungen für produzierende Unternehmen sind durch stetig steigende Kundenanforderungen, die Globalisierung der Märkte und die Notwendigkeit, sich von Konkurrenten abzuheben, geprägt. Vor diesem Hintergrund kann das Wachstum von Unternehmen als Grundvoraussetzung gesehen werden, um sich im Wettbewerb erfolgreich zu behaupten. Der Erhalt des Bestehenden kommt im Gegensatz dazu einer Stagnation gleich, die sehr schnell zum Rückstand führen kann (MILBERG 2004). Ein probates Mittel, Wachstum zu erreichen, sind Innovationen (SPATH 2004, SCHIRRMEISTER U. A. 2003). Hierbei erscheinen gerade diejenigen Innovationen essenziell, die nachhaltiges Wachstum für Unternehmen ermöglichen. MILBERG (2004) plädiert daher in diesem Zusammenhang dafür, qualitatives Wachstum in den Vordergrund zu stellen. Produktinnovationen, als eine der tragenden Säulen für qualitatives Wachstum, basieren dabei auf dem Einsatz fähiger Ressourcen, um Produktmerkmale wie Qualität, Zeit oder Kosten positiv zu beeinflussen. Das dafür erforderliche Innovationspotenzial eines Unternehmens liegt in verschiedenen Fähigkeiten begründet. Hauptsächlich werden derartige Fähigkeiten innerhalb der Produktentwicklung gebündelt betrachtet. Hierbei wird oftmals vernachlässigt, dass wesentliche Motoren für Produktinnovationen nicht nur die zur Verfügung stehenden Fertigungsverfahren, sondern auch die Fähigkeit zur Anwendung dieser Technologien sind (ROGGATZ 1998). Für den erfolgreichen Einsatz von Fertigungsverfahren als potenzielle Innovationskeime sind, neben dem technologischen Alleinstellungsmerkmal, Kriterien wie Wirtschaftlichkeit, hoher Nutzungsgrad bzw. Produktivität, Integrationsfähigkeit in bestehende Unternehmensprozesse oder deren Zukunftsträchtigkeit wesentlich (vgl. UHLMANN 2003). Bezogen auf die Produktivität sind Fertigungstechnologien dann wirtschaftlich einsetzbar, wenn entweder wenige wertvolle oder aber viele geringwertige Fertigungsaufgaben bewältigt werden können (PELZER 1999). 1

16 1 Einleitung Bei der Betrachtung aktueller Marktentwicklungen sind zudem wegweisende Trends, wie Vernetzung, Miniaturisierung, Individualisierung, Nachhaltigkeit oder Digitalisierung, identifizierbar (ZÄH 2003A, BULLINGER 2004). Große Wettbewerbsvorteile werden in diesem Zusammenhang denjenigen Unternehmen zugesprochen, die flexibel und reaktionsschnell kundenspezifische Produktanforderungen umsetzen können. Als Konsequenz des Individualisierungsbestrebens ergeben sich umfassende Folgen für produzierende Unternehmen (siehe Abbildung 1-1). Innovationen Kundenindividuelle Produkte - Varianten Stückzahlen je Variante Komplexität Time to Market Wirtschaftlichkeit Qualität Abbildung 1-1: Veränderungen der Rahmenbedingungen für die Produktion in den letzten Jahren (nach SCHÄFER U. A. 2001) Bisher waren aufgrund der hohen Serienstückzahlen auch kostenintensive Fertigungseinrichtungen und Betriebsmittel rentabel einsetzbar. Die zunehmende Produktindividualisierung bedingt aber eine größere Variantenvielfalt komplexer Produkte bei gleichzeitig sinkenden Stückzahlen. Dadurch wirken Effekte der Economies of Scales nicht mehr. Zwar besteht bis zu einem gewissen Grad die Möglichkeit, durch Plattformstrategien die Produktion von Varianten kostengünstig zu verwirklichen. Dennoch kann dadurch der geforderte Variantenreichtum nur zum Teil erfüllt werden. Dies betrifft vor allem die für Konsumenten sichtbaren Baugruppen und Bauteile mit hohem Individualisierungspotenzial. 2

17 Ausgangssituation und Problemstellung Mit generativen Fertigungstechnologien 1 (vgl. Kapitel 2) bietet sich in diesem Zusammenhang eine aussichtsreiche Klasse an Fertigungsverfahren an. Aufgrund des schichtweise arbeitenden Verfahrensprinzips ist die Vorbereitung und Durchführung des Fertigungsprozesses weitgehend unabhängig von der herzustellenden Geometrie (MEYER-KRAHMER 2003). Damit ist die Grundlage für die flexible Herstellung unterschiedlichster Geometrien bzw. Varianten gegeben. Sowohl die Vorbereitung als auch die Durchführung der Bauteilherstellung ist ohne umfangreiche Ressourcen (personelle Kapazitäten, Betriebsmittel oder Datenmanipulationen) möglich. Die daraus resultierende Möglichkeit eines hohen Automatisierungsgrads ist die Grundlage für die wirtschaftliche Anwendung der Verfahren. Sowohl an der Zahl der Markteintritte neuer Anlagenhersteller von etwa zwei bis drei pro Jahr als auch an der hohen Zahl der jährlich angemeldeten Patente (188 Patente aus dem Bereich generativer Verfahren im Jahr 2002) ist das dynamische Wachstum neuer Verfahren oder Verfahrensvarianten ersichtlich (WOHLERS 2003, S. 154f.). Diese Verfahren werden aber fast ausschließlich zur Herstellung von Modellen 2 oder Prototypen 3 innerhalb der Produktentwicklung eingesetzt. Im Hinblick auf die generative Herstellung von Serienbauteilen 4 bestehen noch Defizite in der Erzeugung und Gewährleistung einer hinreichenden Produktqualität, aber auch hinsichtlich der Methoden oder Systematiken zur frühzeitigen technologischen Bewertung von Fähigkeiten und strategischen Potenzialen neuer generativer Verfahren. 1 Unter generativen Fertigungstechnologien werden Verfahren eingeordnet, bei denen im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren (Drehen, Fräsen, Bohren) Bauteile durch das Aneinanderfügen von Volumenelementen entstehen. Ein Verfahren beschreibt hierbei nach DIN EN ISO 8402 die festgelegte Art und Weise, eine Tätigkeit auszuführen. 2 Ein Modell wird in der DIN beschrieben als Abbildung eines Systems oder eines Prozesses in ein anderes begriffliches oder gegenständliches System, welches das System oder den Prozess bezüglich ausgewählter Fragestellungen ausreichend genau abbildet. 3 Für den Begriff Prototyp existiert keine eindeutige Definition. Im Rahmen der Arbeit wird als Prototyp die Abbildung des geplanten Produktes verstanden. Prototypen geben nicht alle Eigenschaften des Produktes wieder. Nach ihrer Art dienen Prototypen im Wesentlichen der experimentellen Verwendung und der Sammlung praktischer Erfahrungen. 4 Im Gegensatz zu Mustern, Modellen oder Prototypen, die nur in einem begrenzten Umfang die Produkteigenschaften wiedergeben (vgl. dazu GEUER 1996), sind Serienbauteile durch die gänzliche Wiedergabe aller Produktmerkmale gekennzeichnet. Insbesondere müssen sämtliche Qualitätsanforderungen zu diesen Merkmalen erfüllt werden. 3

18 1 Einleitung Gerade diejenigen generativen Fertigungsverfahren, die es ermöglichen, metallische Ausgangswerkstoffe zu verarbeiten, versprechen vielfältige Anwendungsfelder mit einem hohen Alleinstellungsmerkmal gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren (OVER 2003). Mit der Verarbeitung von metallischen Werkstoffen gehen aber zugleich hohe Anforderungen an die Prozess- und Systementwicklung einher. Aufgrund der komplexen thermo-mechanischen Effekte beim Aufschmelzen und Verfestigen von Metallwerkstoffen ist die Umsetzung der gewünschten Genauigkeits- und Festigkeitseigenschaften erschwert. Für generative Verfahren, die Metalle verarbeiten, können mittlerweile zwei wesentliche Entwicklungsrichtungen unterschieden werden: Bei indirekt arbeitenden Verfahren werden im ersten Schritt beigemengte Kunststoffpulver selektiv verfestigt (Metallpartikel sind im Kunststoff eingelagert) und erst im zweiten Schritt, einem Ofenprozess, findet die eigentliche Verfestigung der Metallpartikel statt. Direkt arbeitetende Verfahren versintern oder verschmelzen dagegen das Metallpulver selektiv innerhalb eines Prozessschritts. Mit dem Indirekten Metall-Lasersintern (IMLS) (vgl. Abschnitt und Kapitel 5) existiert in diesem Zusammenhang ein indirektes generatives Verfahren, das bereits für die Herstellung von metallischen Modellen oder Prototypen qualifiziert werden konnte. Zur erfolgreichen Anwendung des Verfahrens für die Produktion metallischer Serienbauteile reicht die derzeit erzielbare Produktqualität aber noch nicht aus. Im Gegensatz zum IMLS ist das Elektronenstrahlsintern (EBS) (siehe Kapitel 6) ein neues direktes generatives Verfahren. Auf der Basis des leistungsfähigen Elektronenstrahls ist diese Technologie für eine schnelle und wirtschaftliche Herstellung von metallischen Bauteilen prädestiniert. Bis dato fehlen grundlegende Erfahrungen und Erkenntnisse zum Verhalten und zur Wichtigkeit von Einflussgrößen. Dahingehend sind auch nur begrenzte Aussagen zu strategischen Vorteilen gegenüber anderen Energiequellen für die Anwendung bei generativen Verfahren möglich. Erweitert man die Betrachtung auf sämtliche generative Fertigungsverfahren, so erkennt man das Fehlen einer Systematik zur Analyse und zur zielgerichteten Entwicklung dieser Verfahren. Dies wird desto wichtiger, je drängender von Unternehmen in Ländern mit hohem Lohnniveau hoch automatisierte, flexible Alternativen zu bestehenden Serienfertigungsverfahren gefordert werden. Die vorliegende Arbeit widmet sich genau dieser Problematik. Es wird angestrebt, einen Beitrag zur Entwicklung und Optimierung potenzialträchtiger generativer Verfahren für die Serienfertigung zu leisten. 4

19 Zielsetzung der Arbeit 1.2 Zielsetzung der Arbeit Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht darin, geeignete Methoden zur Entwicklung bzw. Optimierung generativer Fertigungsverfahren für die Serienfertigung zur Verfügung zu stellen. Besondere Berücksichtigung soll dabei die jeweilige Entwicklungsphase erfahren, innerhalb welcher sich ein Verfahren befindet. Im Mittelpunkt stehen Technologien zur Verarbeitung metallischer Ausgangswerkstoffe. Die beiden wesentlichen Entwicklungsrichtungen (indirekte und direkte Verfestigung metallischer Werkstoffe) werden hierbei durch die potenzialträchtigen Verfahren IMLS und EBS abgedeckt. Für das IMLS als etabliertes Verfahren für die indirekte Herstellung von metallischen Prototypen soll eine Methode zur gezielten Verbesserung kritischer Prozessschritte entwickelt werden, die wesentlich für die Produktqualität verantwortlich sind. Beim EBS, als neuem Verfahren im Bereich der direkten, schichtweise aufbauenden Technologien, fehlt dagegen grundsätzliches Prozesswissen. Insofern sollen zum einen anhand einer geeigneten Vorgehensweise die bestimmenden Einflussgrößen ermittelt werden. Zum anderen wird darauf basierend die Wirkung der wichtigsten Größen auf den jeweiligen Prozess untersucht und bewertet. Übergreifend sollen damit Entwicklungs- und Optimierungsmethoden, die dem jeweiligen Entwicklungsstand generativer Verfahren angepasst sind, erarbeitet und zur Verfügung gestellt werden. 1.3 Vorgehensweise Um die unter Abschnitt 1.2 formulierte Zielsetzung zu erreichen, wird die in Abbildung 1-2 (siehe S. 6) dargestellte Vorgehensweise gewählt. In Kapitel 2 erfolgt die Darstellung des Stands der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und die derzeitigen Anwendungsbereiche dieser Technologien. Ausgehend vom allgemeinen Grundprinzip generativer Fertigungsverfahren werden diejenigen Technologien näher betrachtet, die die Verarbeitung metallischer Werkstoffe ermöglichen. 5

20 1 Einleitung Ausgangssituation (Kapitel 1) Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen (Kapitel 2) Phasenmodell zur Technologieentwicklung innerhalb des RM (Kapitel 3) Primäre Phase: Anforderungen an RM-Verfahren (Kapitel 4) Sekundäre/Tertiäre Phase: Kinetische Modelle für das IMLS (Kapitel 5) Primäre/Sekundäre Phase: Einflussgrößen für das EBS (Kapitel 6) Zusammenfassung (Kapitel 7) Abbildung 1-2: Struktur der Arbeit Zusätzlich werden im Überblick die derzeit wichtigsten Einsatzfelder generativer Verfahren diskutiert. Dabei werden die Anwendungen des Rapid Prototyping und des Rapid Tooling, die zur Herstellung von Modellen oder Prototypen innerhalb der Produktentwicklung dienen, aufgegriffen. Darüber hinaus wird auf die aktuelle Situation zur Herstellung von Serienbauteilen durch generative Verfahren eingegangen. Aus den ersichtlichen Defiziten bezüglich des technologischen Reifegrads und der Anwendung generativer Verfahren für die Herstellung von Serienbauteilen wird der Forschungsbedarf abgeleitet. Als Unterstützung für das Rapid Manufacturing wird anschließend in Kapitel 3 ein Phasenmodell für die gezielte Entwicklung und Optimierung von generativen Fertigungsverfahren für die Herstellung von Serienbauteilen konzipiert. Das Phasenmodell zur Technologieentwicklung generativer Verfahren berücksichtigt im Speziellen den jeweils vorliegenden Entwicklungsreifegrad einer Fertigungstechnologie. 6

21 Vorgehensweise Als Grundlage für die Entwicklung und Anwendung generativer Verfahren innerhalb der Serienfertigung (primäre Entwicklungsphase) werden in Kapitel 4 die markt- und unternehmensspezifischen Anforderungen aufgenommen. Hierbei wird u. a. auf die Thematik von Fertigungsverfahren für individualisierte Massengüter (Mass Customization) eingegangen. Mit Hilfe der Befragung ausgewählter Unternehmen werden die Anforderungen an generativ hergestellte Serienbauteile und vorliegende Trends in der Serienfertigung bewertet. In den Kapiteln 5 und 6 werden anschließend Methoden beschrieben, die der primären, sekundären und tertiären Entwicklungsphase zugeordnet werden können. Diese dienen zur anforderungsgerechten Entwicklung bzw. Optimierung der generativen Fertigungsverfahren IMLS und EBS. Die Methoden sind dem jeweils vorliegenden Entwicklungsreifegrad angepasst. Anhand des weiter entwickelten IMLS können charakteristische Eigenschaften generativer Verfahren und Anforderungen an die Bauteile anschaulich verdeutlicht werden. Da entsprechende Erkenntnisse nützlich für die Entwicklung des neuartigen EBS- Verfahrens sind, werden zunächst Methoden zur Optimierung des IMLS vorgestellt und dann im Anschluss das EBS behandelt. Für das IMLS stehen bereits sehr umfangreiche Untersuchungen zu wirkenden Einflussgrößen zur Verfügung. Für den hierbei als kritisch eingestuften Ofenprozess, bei dem Metallpartikel miteinander verfestigt werden, bestehen bis dato aber immer noch Defizite hinsichtlich der erzielbaren Prozess- und Bauteilqualität. Insofern wird in Kapitel 5 eine Methode zur Optimierung des Ofenprozesses erarbeitet. Auf Basis der aus der Analyse von chemischen Reaktionen bekannten Reaktionskinetik werden formalkinetische Modelle für die Beschreibung und Optimierung von thermischen Vorgängen im Ofenprozess des IMLS herangezogen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten zur Optimierung der Temperaturführung der thermischen Vorgänge beim IMLS werden erörtert. Kapitel 6 beinhaltet dagegen die Untersuchung des EBS, bei dem durch die direkte Einwirkung eines hochenergetischen Elektronenstrahls verschiedene Metallpulver verfestigt werden können. Für das Verfahren sind aussichtsreiche technologische und wirtschaftliche Potenziale zu erwarten. Die Entwicklung des Verfahrens befindet sich aber noch im Anfangsstadium. Zur Beurteilung fehlen grundlegende Aussagen hinsichtlich der vorliegenden Einflussgrößen. Hierbei werden insbesondere die Aspekte der auftretenden Effekte und Wechselwirkungen für die Verarbeitung von Legierungen aufgegriffen. 7

22 1 Einleitung Schließlich werden in Kapitel 7 die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick für weiterführende Untersuchungen gegeben. 8

23 Vorgehensweise im Kapitel 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen 2.1 Vorgehensweise im Kapitel Nach einer allgemeinen Einführung zur Entwicklung generativer Fertigungsverfahren wird das zugrunde liegende Verfahrensprinzip dargestellt. Innerhalb der Phasen der Produktentstehung haben sich vielfältige Einsatzbereiche und Anwendungen entwickelt, die mit unterschiedlichen Begriffen in Zusammenhang gebracht werden. Um hier ein einheitliches Verständnis zu gewährleisten, werden, ausgehend von einer allgemeinen Klassifizierung nach Bauteileigenschaften, die Anwendungsbereiche für generative Fertigungsverfahren thematisiert. Hierbei steht vorwiegend der momentane Stand der Erkenntnisse zur Unterstützung der Anwendung generativer Verfahren für die Herstellung von Serienbauteilen im Blickfeld. Spezifische Anforderungen ergeben sich für die Verarbeitung metallischer Ausgangswerkstoffe. Deshalb werden generative Fertigungsverfahren gegenüberstellend betrachtet, die sich für die Herstellung metallischer Bauteile besonders eignen. Es wird dabei gezeigt, dass dem IMLS und dem EBS besondere Vorteile zu Eigen sind. 2.2 Grundlagen Bereits seit längerer Zeit haben sich schichtweise arbeitende Fertigungsverfahren, so genannte generative Verfahren, etabliert, mit denen auf der Basis von 3D-CAD-Daten schnell körperliche Modelle aufgebaut werden können. Durch die Möglichkeit, innerhalb kürzester Zeit Modelle oder Prototypen in einer mittlerweile großen Bandbreite an Werkstoffen herzustellen, konnten entscheidende Vorteile im Sinne einer schnelleren und wirtschaftlicheren Produktentwicklung erzielt werden (GEUER 1996, MEINDL 1999, COOPER 2001, HARTMANN 2001). Die Fertigungsverfahren sind dabei vor allem zur Herstellung von geometrisch komplexen Modellen prädestiniert. Mit der Markteinführung der Technologie Stereolithographie (SLA-Verfahren) Anfang der 90er Jahre begann ein weltwei- 9

24 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen ter Forschungs- und Entwicklungsfeldzug, der die Verbesserung und Optimierung der Leistungsmerkmale von generativen Fertigungsverfahren im Visier hatte. Waren beispielsweise die verfügbaren lichtaushärtenden Harzwerkstoffe für SLA-Verfahren durch eine geringe Festigkeit, hohe Porosität und eingeschränkte thermische Stabilität gekennzeichnet, so bieten heute mehr als zwanzig Hersteller weltweit Anlagensysteme mit einer Vielfalt verarbeitbarer Werkstoffsysteme an (vgl. WOHLERS 2003, RP REPORT 2004). Abbildung 2-1 stellt in einer Übersicht die qualitative Entwicklung von Leistungsmerkmalen generativer Fertigungsverfahren dar. 100 Maßgenauigkeit [%] , Baufortschritt [mm/h] 0, Bauteilgröße [mm] ,12 Genauigkeit Details [mm] Anzahl Materialien/Werkstoffe 0,08 0, Abbildung 2-1: Entwicklung erzielbarer Ausprägungen von Qualitätsmerkmalen (in Anlehnung an GEBHARDT 2003) Die historische Entwicklung der generativen Verfahren, ausgehend von den Erkenntnissen aus der Topographie und der Erstellung von Skulpturen aus Mehrfachfotografien, beschreiben BEAMAN U. A. (1997). Erste Ansätze von Verfahren, die aktuellen Technologien ähneln, zeigen MUNZ (1956), SWAINSSON (1977), SCHWERZEL (1984) oder CIRAUD (1972). Seitdem sind eine Vielzahl unterschiedlicher Patente zur Verarbeitung von Photopolymeren, Polymeren, Metallpulvern oder sonstigen Werkstoffen veröffentlicht worden, deren Gemeinsamkeit im schichtweise ablaufenden Herstellungsprinzip liegt. 10

25 Verfahrensprinzip 2.3 Verfahrensprinzip Technologisches Grundprinzip Verfahren, die unter den Begriffen Layered Manufacturing, Solid Freeform Fabrication, additive Fertigung oder generative Fertigung subsumiert werden, basieren auf dem gleichen Grundprinzip der schichtweisen Herstellung von Bauteilen. Im Gegensatz zu abtragenden bzw. subtraktiven Verfahren, wie Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen oder Erodieren, bei denen die Formgebung durch Materialabtrag stattfindet, entsteht hier das Bauteil durch Aneinanderfügen von Volumenelementen (GEBHARDT 2000). Ein weiteres besonderes Merkmal ist die direkte Nutzung der dreidimensionalen Datenmodelle für den Fertigungsprozess, ohne umfangreiche Zwischenschritte in der Fertigungsvorbereitung, wie sie beispielsweise bei der Anwendung spanender Technologien erforderlich sind. Generativ arbeitende Technologien können nach DIN E 8580 implizit der urformenden Herstellung zugeordnet werden. Das primäre Merkmal des Stoffzusammenhalts wird von den Verfahren erfüllt. Hingegen ergeben sich Einschränkungen für weitere Merkmale, wie z. B. den Werkstoff, aus dem heraus der Stoffzusammenhalt geschaffen wird. Eine hinreichende Berücksichtigung sämtlicher generativen Technologien würde demnach die Erweiterung von DIN E 8580 um neue Verfahrensgruppen und -untergruppen erfordern. Die schichtweise Herstellung folgt im Allgemeinen einer Prozesskette, deren Grundlage ein Volumenmodell (3D-CAD-Modell) des zu fertigenden Bauteils ist (vgl. Abbildung 2-2). Folgetechnologien, die generativ hergestellte Modelle weiterverarbeiten, wie z. B. die Vervielfältigung durch Vakuumabformen oder durch Feingießen (LAETCHEN 2002), werden hier nicht näher betrachtet. 11

26 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen 3D-CAD-Modell STL-Modell Schichtmodell (Slicen), Platzierung im virtuellen Bauraum Fertiges Bauteil Wiederholende Schichterzeugung Schichtauftrag Bauteilplattform um eine Schichtdicke absenken Belichtung, Verfestigung der aktuellen Schicht, Verbindung mit der unteren Schicht Abbildung 2-2: Prozesskette generativer Fertigung Es ist unerheblich, ob das Modell durch ein CAD-System erstellt oder anhand sonstiger Erfassungs- bzw. Messsysteme (Flächenrückführung, CT oder MRT) entwickelt wird. Für die Weiterverarbeitung der Geometriedaten hat sich eine neutrale Datenschnittstelle für generative Fertigungsverfahren etabliert: das sogenannte STL-Format. Hierbei wird die Geometrie durch Triangulation abgebildet. Der dabei entstehende Sekantenfehler (Annäherung gekrümmter Flächen durch Dreiecke) kann durch die Anzahl der die Oberfläche abbildenden Dreiecke (kleinere Sekantenlängen) reduziert werden. In der Anwendung wird die Sekantenlänge so gewählt, dass der dadurch entstehende Oberflächenfehler unter der maximal erreichbaren Abbildungsgenauigkeit des jeweiligen Fertigungsprozesses liegt. Mit wenigen Ausnahmen werden sämtliche Schritte zur verfahrensspezifischen Aufbereitung der Geometriedaten über dieses STL- Format durchgeführt. Dabei werden sowohl verfahrensbedingt notwendige Hilfsgeometrien (Stützgeometrien) als auch die zur Steuerung des Bauprozesses erforderlichen Anlagenparameter mit den Geometriedaten verknüpft. Als notwendige Voraussetzung wird das STL-Geometriemodell mathematisch in die 12

27 Verfahrensprinzip gleichen Schichten zerlegt, die dann physikalisch während des Bauprozesses in der Anlage erzeugt werden. Dieser Vorgang wird als Slicen bezeichnet. Jede dieser Schichten beinhaltet demnach eine 2½-dimensionale Geometrieinformation für das Bauteil. Unter Verwendung der verfahrens- und maschinenspezifischen Informationen werden dann den virtuellen Schichten entsprechende Materialschichten nacheinander im realen Bauraum bzw. der Bauplattform aufgetragen und verfestigt (siehe Abbildung 2-3). Dabei wird zum einen der innerhalb einer Schicht liegende Werkstoff verbunden, zum anderen werden die Schichten zusammengefügt. Dadurch entsteht sukzessive ein körperliches Bauteil. Treppenstufeneffekt Strahlquelle Pulverbett Bauplattform Abbildung 2-3: Generatives Fertigungsprinzip. Treppenstufeneffekt. Durch diese Vorgehensweise wird ein komplexes dreidimensionales Fertigungsproblem auf viele, aber wesentlich einfachere Fertigungsschritte reduziert (GEUER 1996, REINHART U. A. 1997). Darin liegt die Fähigkeit begründet, sehr komplexe Geometrien herzustellen, die durch konventionelle oder spanende Verfahren nicht oder nur sehr aufwändig umzusetzen wären. Demnach ergeben sich weit reichende Potenziale zur schnellen und flexiblen Fertigung. Als nachteilig erweisen sich die für generative Fertigungsverfahren charakteristischen Stufen in Baurichtung. Sie entstehen durch das Aufeinanderlegen einzelner Schichten bei variierenden oder versetzten Querschnittsflächen (siehe Abbildung 2-3). Abhängig vom Einsatzbereich der Bauteile sind demzufolge mehr oder weniger umfangreiche Nacharbeiten zur Verbesserung der 13

28 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen Oberfläche (Bestrahlen mit Abrasiven, Schleifen oder Polieren) vorzusehen (ZAEH U. A. 2003C). Für die schichtweise Verfestigung der in fester, loser oder fluider Form vorliegenden Werkstoffe werden thermische oder chemische Prozesse genutzt. Dadurch werden einerseits die mechanischen Eigenschaften (Festigkeitskennwerte) und andererseits die geometrischen Genauigkeiten (Maß- und Formgenauigkeiten) beeinflusst. Übliche Toleranzen von derzeit verfügbaren Verfahren liegen bei etwa 0,1 bis 0,2 %, bezogen auf die hergestellte Bauteilgröße (WOHLERS 2003). Obwohl seit Beginn der 90er Jahre die Zahl der zur Verfügung stehenden Materialien zunimmt, bleibt die Palette verarbeitbarer Werkstoffe aufgrund der hohen Prozessanforderungen eingeschränkt. Um eine effiziente Energieeinkopplung in das Material zu gewährleisten, geringe geometrische Verzüge oder Defekte (beispielsweise Schichtablösungen) zu erreichen oder auftretende Wechselwirkungen mit der Umgebung (Oxidationseffekte) zu beherrschen, sind spezielle Materialsysteme, zum Teil mit Additiven vermengt, erforderlich (KÜHNLE U. A. 1999, STETTIN 2000) Arten der Werkstoffverfestigung Den generativen Verfahren ist gemein, dass sie feste, pulverförmige, folien- /blattartige oder fluide Ausgangsmaterialien verfestigen bzw. miteinander verbinden und dadurch sukzessive 3-dimensionale Bauteile herstellen können (siehe Abbildung 2-4). Feste Ausgangsstoffe (Kunststoff, Metall, Wachs, Papier) Flüssige Ausgangsstoffe Feststoff/Draht Ein- oder Mehrkomponentenpulver Folie/Blatt Aufschmelzen und Erstarren Verfestigung durch Aktivatoren Versintern bzw. Schmelzen Ausschneiden und Fügen Polymerisation Abbildung 2-4: Arten von Werkstoffen und hierzu korrelierende Verarbeitungsverfahren 14

29 Verfahrensprinzip Die Ausgangswerkstoffe bei der Verarbeitung metallischer Materialien liegen in erster Linie in Draht- oder Pulverform vor. Die schichtweise Herstellung von Metallbauteilen durch das Ausschneiden und Verbinden von Folien ist im engeren Sinne kein rein generatives Verfahren, da die Erzeugung einer Schicht zunächst durch einen subtraktiven Prozessschritt (Fräsen, Schneiden etc.) erfolgt. Entsprechende Verfahren sind für die Herstellung metallischer Bauteile in der Entwicklung (SAEWERT 2003). Eine wesentliche Schwierigkeit besteht aber in der exakten Positionierung und stoffschlüssigen Verbindung der einzelnen Folien oder Platten. Im Weiteren werden derartige Verfahren nicht näher betrachtet. Zur Verarbeitung von als Draht oder Pulver vorliegenden Ausgangsmaterialien können verschiedene Technologien differenziert werden (siehe Abbildung 2-5): Strahlquellen Extruder/Drucker E p - Sintern - Schmelzen Aufschmelzen Verfestigen durch Aktivatoren Abbildung 2-5: Arten der Verfestigung Strahlquellen zum Sintern/Schmelzen Mit der Entwicklung der Stereolithographie (SLA) wurde der Laserstrahl als Energiequelle zur schichtweisen Verfestigung von flüssigen Harzwerkstoffen eingeführt. Neben Gaslasersystemen (HeCd-, Ar + - oder CO 2 -Laser) werden hauptsächlich Festkörperlaser (Nd:YAG- oder YAG-Laser) zum Sintern bzw. Schmelzen von pulverförmigen Stoffen oder zum Schmelzen von Metalldraht eingesetzt. Die Elektronenstrahltechnologie stellt eine weitere Möglichkeit zur Verarbeitung derartiger metallischer Ausgangswerkstoffe dar. Extruder/Drucker für das Aufschmelzen und Auftragen Einige generative Fertigungstechnologien verwenden düsenbasierte Extrusionsoder Ablegetechnologien zum schichtweisen Aufbringen von Werkstoffen. Beim 15

30 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen Bauprozess werden die Materialien plastifiziert und auf der Bauplattform positioniert. Während des Erkaltungsprozesses entsteht der Stoffschluss. Zudem sind dieser Kategorie Verfahren zuzuordnen, die über Druckköpfe (meist piezoelektrische Systeme) fluide Werkstoffe auf eine Bauplattform in Schichten auftragen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, nach dem Aufbringen einer Pulverschicht auf die Bauebene, durch selektives Aufspritzen eines chemischen Aktivators eine Verfestigung innerhalb der Pulverschicht zu erzielen. Bei der Verarbeitung von Metallpulvern dient der Aktivator zur Erzeugung der geometrischen Form. Die stoffschlüssige Verfestigung der Metallpartikel erfolgt meist in einer nachgeschalteten thermischen Behandlung im Hochtemperaturofen (EXTRUDE HONE 2000). In Abhängigkeit der Verfahren variieren die erreichbare Produktqualität (Genauigkeit, Detailauflösung, darstellbare Komplexität) und/oder die verarbeitbaren Werkstoffe (z. B. Kunststoffe, Metalle, Wachse oder Papier). Strahlquellen zeichnen sich hier vor allem durch eine hohe Variabilität der einsetzbaren Werkstoffe und durch die nutzbaren Freiheitsgrade der Energieeinbringung (Bearbeitungsgeschwindigkeit, Strahleindringtiefe etc.) aus. 2.4 Anwendung generativer Fertigungsverfahren Klassifizierung nach Bauteileigenschaften Zur Klassifizierung und Einordnung generativer Fertigungsverfahren werden in der Literatur unterschiedliche Strukturen vorgestellt. Oftmals stehen dabei die Eigenschaften der hergestellten Bauteile im Vordergrund (GEUER 1996, MACHT 1999, GEBHARDT 2000, COOPER 2001 oder WOHLERS 2001). Sämtlichen Klassifizierungsschemata ist der Bezug zu den Phasen der Produktentwicklung gemein, die in Anlehnung an VDI 2221 in die Abschnitte Idee/Planung, Konzeptphase, Entwicklungs- und Ausarbeitungsphase gegliedert werden können. GEUER (1996) und MACHT (1999) differenzieren den Einsatzbereich generativer Fertigungsverfahren dabei folgendermaßen: 16

31 Anwendung generativer Fertigungsverfahren Anschauungsmodelle dienen der geometrischen Überprüfung des Produktentwurfes. An Funktionsmodellen werden funktionale Anforderungen überprüft. Modelle für die Prozessunterstützung dienen als Referenzmodelle im Rahmen der Planung und Auslegung von Fertigungsprozessen. Kommunikationsmodelle werden als Hilfsmittel für die meist unternehmensinterne Informationsübertragung im Rahmen der Produktentwicklung verwendet. GEUER (1996) weist aber darauf hin, dass eine eindeutige Zuordnung von Modellarten für die jeweiligen Phasen der Produktentwicklung nicht möglich ist. Vielmehr werden in unterschiedlichen Entwicklungsphasen auch unterschiedliche Modelle oder Prototypen mit variierendem Verwendungszweck benötigt. Eine sehr ähnliche Struktur stellt GEBHARDT (2000) in Anlehnung an die Definition von Modellen oder Prototypen des Deutschen Verbands der Industrie- Designer (DVDI) vor. Vorteilhaft ist hier die eindeutige Unterscheidung der Begriffe Modell, Prototyp und Muster. Nach WOHLERS (2003) können die Anwendungsmöglichkeiten auf zwei wesentliche Merkmale von Modellen zurückgeführt werden. Neben der Verbesserung der Kommunikationsmöglichkeiten sind Modelle oder Prototypen wesentliche Hilfsmittel für das Änderungsmanagement in der Produktentwicklung. Das Einsatzspektrum generativer Verfahren im Produktentstehungsprozess reicht mittlerweile von der Ideenphase bis hin zur Produktion. Hierbei wird über die Produktentwicklung hinaus versucht, auch die Anwendung für die Herstellung von Serienbauteilen mit zu berücksichtigen. Zur Beschreibung der Anwendungsbereiche von generativen Verfahren ist demnach eine Klassifizierung und Einordnung hinsichtlich Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Rapid Manufacturing aussagekräftiger, wie im folgenden Abschnitt verdeutlicht wird. 17

32 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing Rapid Prototyping (RP) und Rapid Tooling (RT) Das RP beinhaltet die Anwendung generativer Fertigungsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung von Modellen oder Prototypen. Mit Hilfe einer geringen Menge an Prototypen werden grundlegende Eigenschaften des späteren Serienproduktes bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung verifiziert. Durch RP hergestellte Modelle bzw. Prototypen sind aber nicht notwendigerweise aus einem Serienwerkstoff oder einem serienähnlichen Werkstoff aufgebaut. Häufig werden mit dem Begriff RP einerseits alle Technologien umschrieben, die auf dem generativen Fertigungsprinzip beruhen. Andererseits wird unter RP die schnelle Herstellung einzelner Modelle oder Prototypen in frühen Phasen der Produktentwicklung verstanden. Es führt zu Missverständnissen und Inkonsistenz, wenn alle generativen Verfahren als RP-Technologien bezeichnet werden. Technologien wie das IMLS oder das Direkte Metall-Lasersintern (vgl. Abschnitt 2.5.4) sind nicht auf die Herstellung einzelner Modelle oder Prototypen beschränkt. Das hauptsächliche Anwendungsfeld liegt sogar in der schnellen Herstellung von metallischen, konturgebenden Formeinsätzen für das Spritz- oder Druckgießen (BREITINGER 2002, FÄHRER 2002, PIEVERLING 2002, SHELLABEAR 1999). Derartige Verfahren werden über die Produktentwicklung hinaus auch zur Auslegung von Produktionsverfahren (Spritz- oder Druckgießen) herangezogen und im Allgemeinen als RT-Technologien bezeichnet. Als Konsequenz müsste das RT zum einen eine Untergruppe des RP sein. Zum anderen wird aber durch das RT, im Vergleich zum RP, ein zusätzlicher Anwendungsbereich innerhalb der Produktentstehung eröffnet. Dies zeigt die Notwendigkeit zur Differenzierung der generativen Fertigungstechnologien und der Anwendungsbereiche dieser Technologien. Eine grobe Einordnung der Anwendungen RP, RT in die Phasen des Produktentstehungsprozesses zeigt Abbildung 2-6 (SCHÄFER U. A. 2001). Zusätzlich ist das Rapid Manufacturing (Abschnitt ) in dieser Abbildung als Anwendung generativer Verfahren für die Herstellung von Serienbauteilen enthalten. 18

33 Anwendung generativer Fertigungsverfahren Rapid Manufacturing Produktreifegrad Rapid Prototyping Rapid Tooling Virtuelle Prototypen Idee/Planung Konzeption Engineering Produktion Produktentstehungsprozess Abbildung 2-6: Anwendungsbereiche generativer Fertigungstechnologien innerhalb eines Produktentstehungsprozesses Das RT beschreibt die schnelle Herstellung von Prototypen oder Modellen in kleiner oder mittlerer Stückzahl. Hier dienen die generativen Fertigungsverfahren dazu, die komplexen Bestandteile von Werkzeugen für urformende Verfahren, wie das Spritz- oder Druckgießen, zur Verfügung zu stellen. Im Vergleich zum RP werden die Modelle oder Prototypen aus serienähnlichen Werkstoffen und mit dem zur späteren Serienproduktion identischen Herstellungsverfahren erzeugt. Zur Unterstützung der Technologieauswahl für das RP und das RT wurden umfassende Untersuchungen durchgeführt und wissenschaftliche Arbeiten verfasst. Diese reichen von Benchmark-Untersuchungen anhand exemplarischer Produktgeometrien bis hin zu umfassenden Methoden zur Entscheidungsunterstützung für den Vergleich und die Auswahl generativer Fertigungsverfahren (MACHT 1999, KASCHKA 1999, PIEVERLING 2002) Rapid Manufacturing (RM) Unter dem Begriff RM sind im Allgemeinen sämtliche Fertigungsverfahren zu subsumieren, durch deren Einsatz eine schnelle, effiziente Herstellung von Bauteilen ermöglicht wird. 19

34 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen In Analogie zu den Begriffen RP und RT wird das RM aber oftmals auf die Anwendung generativer Verfahren eingegrenzt. Stellvertretend für unterschiedliche Erläuterungen in der Literatur wird bei HOPKINSON & DICKENS (2001, 2003) das RM als Konzept für die Anwendung von als RP-Verfahren bekannten Technologien für die Herstellung von end-use products (gebrauchsfertige Erzeugnisse) umschrieben. BAK (2003) bezeichnet RM als die werkzeuglose, direkte Herstellung von finished goods (fertigbe-arbeitete Güter). In Anlehnung daran wird innerhalb dieser Arbeit der Beg-riff RM als eine Strategie für die schnelle und flexible Herstellung von Serienbauteilen unter Anwendung generativer Verfahren gebraucht. Wesentlich für das RM ist damit die Zielsetzung, Serienbauteile herzustellen, die im Vergleich zu Modellen oder Prototypen alle Anforderungen an die Qualität hinreichend erfüllen. Dabei sind zwei unterschiedliche Richtungen zu unterscheiden: Zum einen besteht das Bestreben, die Potenziale der generativen Fertigungsverfahren zur direkten Herstellung von Serienbauteilen auszuschöpfen. Der andere Weg beinhaltet die stringente Fortsetzung des RT-Gedankens, generative Fertigungsverfahren zur Herstellung der Betriebsmittel im Werkzeug- und Formenbau anzuwenden. Die Serienbauteile werden dabei über die Prozessketten Spritzgießen oder Druckgießen abgeformt. In diesem Fall besitzen generative Verfahren einen wesentlichen Fertigungsanteil an der Herstellung der konturgebenden Formeinsätze (REINHART U. A. 2001C). Beiden Richtungen gemein ist die Zielsetzung der schnellen und wirtschaftlichen Herstellung von kundentauglichen Bauteilen und nicht der Herstellung von Modellen oder von Prototypen. Dabei ist die Migration der Anforderungen von der Prototypenherstellung (Konzeption und Engineering) hin zur Serienfertigung (Produktion) zu beachten, d.h. der Tatsache Rechnung zu tragen, dass beispielsweise die Auswahl der geeigneten Fertigungsverfahren unter den Prämissen der geforderten Qualität und Wirtschaftlichkeit erfolgt, wobei für die Herstellung der Prototypenserie als oberste Priorität eine kurze Herstellzeit zugrunde gelegt wird. Besondere Anforderungen an die Parallelisierung der Wertschöpfungsprozesse und die Gewährleistung der Datendurchgängigkeit unterstreichen die Notwendigkeit einer integrativen Betrachtung organisatorischer, informationstechnischer und technologischer Fragestellungen zur Erfüllung der Zielsetzung des RM, wie sie MURR U. A (2000) und REINHART U. A. (2001B) beschreiben (siehe Abbildung 2-7). 20

35 Anwendung generativer Fertigungsverfahren Technologie Projektmanagement Information und Kommunikation Abbildung 2-7: Strategie Rapid Manufacturing Unter dem Begriff Projektmanagement bzw. Organisation ist die konsequente Ausrichtung der Fertigung auf geringe Durchlaufzeiten zu verstehen. Dies geschieht unter Verzicht auf eine maximale Kapazitätsauslastung von Fertigungsmaschinen durch eine projekthafte Auftragsbearbeitung. Daneben ist eine hohe Bereitschaft zu flexiblen Arbeitszeiten erforderlich. Um schnell Kapazitätsengpässe beseitigen zu können, ist es notwendig, temporär externe Wertschöpfungspartner zu integrieren. Hierzu können z. B. elektronische Marktplätze einen wertvollen Beitrag leisten. Im Bereich Information und Kommunikation sind dagegen Methoden zur durchgängigen rechnerunterstützten Konstruktion, Arbeitsplanung und Fertigung durch die konsequente Anwendung von CAx- Techniken enthalten. Der Sektor Technologie steht schließlich für die Unterstützung bei der Auswahl und Anwendung von Fertigungsprozessen, insbesondere von generativen Fertigungstechnologien. Daneben werden auch Fertigungsverfahren wie das Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) vor allem für den Anwendungsbereich des Werkzeug- und Formenbaus mit einbezogen. Innerhalb dieser Strategie stehen die Auswahl geeigneter innovativer Fertigungsverfahren und deren Einbindung in den Produktentstehungsprozess im Vordergrund. Gerade durch die Erweiterung des Bereichs Technologie um Methoden zur gezielten Befähigung innovativer Fertigungsverfahren für die Serienfertigung kann die Strategie Rapid Manufacturing sinnvoll erweitert werden. 21

36 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen Handlungsbedarf Existierende Arbeiten beschäftigen sich mit der Identifikation technologischer Einsatzpotenziale oder der Auswahl generativer Verfahren für RP- oder RT- Anwendungen. Diese Methoden zielen demnach auf die anforderungsgerechte Herstellung von Modellen oder Prototypen als Unterstützung innerhalb der Produktentwicklung ab. Die integrativen Strategien RT oder RM, wie sie von PIEVERLING (2002) und MURR U. A. (2000) dargestellt werden, betrachten hauptsächlich die Anwendung generativer Verfahren. Bei diesen Arbeiten stehen aber die Klassifizierung, Auswahl und Anwendung der Verfahren im Vordergrund. Jedoch setzt die Anwendung generativer Verfahren für die Serienfertigung die Erfüllung hoher Qualitätsstandards voraus. Die gezielte Unterstützung der Entwicklung und Optimierung von Technologien ist bisher nicht im Schwerpunkt enthalten. Insbesondere bei der zielgerichteten Entwicklung generativer Verfahren zur Herstellung von Serienbauteilen besteht noch Handlungsbedarf. Demzufolge sind noch Vorgehensweisen zu erarbeiten, die den vorliegenden Entwicklungsreifegrad generativer Verfahren mit einbeziehen. Es existieren allgemeine Methoden für die Entwicklung und Optimierung von Produktionsverfahren. Für eine zielgerichtete Entwicklung und Optimierung von generativen Verfahren sind aber noch relevante Methoden zu selektieren, anzupassen und charakteristischen Entwicklungsphasen zuzuordnen. Darüber hinaus besteht die Notwendigkeit, auch allgemeingültige Anforderungen an generative Verfahren, die bei der Herstellung von Serienbauteilen auftreten, zu erfassen. 2.5 Verfügbare generative Fertigungstechnologien Allgemeines Mittlerweile ist eine Vielzahl von generativen Fertigungsverfahren als Maschinensystem kommerziell verfügbar. Der größte Anteil verkaufter Systeme wird zur Herstellung von Modellen oder Prototypen aus nichtmetallischen Werkstoffen genutzt (WOHLERS 2003, S. 44f.). Hier werden die Qualitätsanforderungen bereits in hohem Maße erfüllt. 22