Digitalisierung im Lebenszyklus der Additiven Fertigung

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1 Digitalisierung im Lebenszyklus der Additiven Fertigung Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl Cordula Auth, M.Sc. CA Folie 1

2 Zielsetzung Digitalisierung des Lebenszyklus der Additiven Fertigung anhand eines Demonstratorbeispiels 1. Anwendungsfelder, Potentiale und Herausforderungen 2. Prozesskette und Lebenszyklus 3. Chancen durch Digitalisierung 4. Vorstellung des Demonstrators CA Folie 2

3 Additive Fertigung Prinzip und Anwendung Bauprinzip CAD-Modell Slice-Prozess Bauprozess Nachbearbeitung Quelle: VDI 3404 CA Folie 3

4 Potentiale und Herausforderungen Leichtbau Komplexe Geometrie Bionische Strukturen Individualisierung Potentiale Funktionsintegration Bedarfsgesteuerte Produktion Flexible Produktions -standorte Additive Fertigung Bauteilfestigkeiten Prozessgenauigkeiten Oberflächenqualität Unklare Umwelteinwirkungen Herausforderungen Additiv gerechtes Design Hoher Energiebedarf CA Folie 4

5 Prozesskette der Additiven Fertigung Maschinenvorbereitung Pre-Prozess In-Prozess Schichtweiser Aufbau Post-Prozess Entfernung von Pulver und Stützstrukturen Transformation der Daten Nachbearbeitung Orientierung und Positionierung Erzeugung von Stützstrukturen Quelle: DiK Entpacken und Entnahme Slicing CA Folie 5

6 Prozesskette und Lebenszyklus Materialgewinnung Materialproduktion Produktentwicklung 6.2 Recycling 3.1 Produktplanung 3.2 Konstruktion 3.3 Arbeitsvorbereitung 3.4 Herstellung 6.1 Entsorgung Pre- Prozess In- Prozess Post- Prozess 6 Produktlebensende Maschinenvorbereitung Transformation der Daten Orientierung und Positionierung Erzeugung von Stützstrukturen Slicing Schichtweiser Aufbau Entpacken und Entnahme Entfernung von Pulver und Stützstrukturen Nachbearbeitung 5 Produktvertrieb Produktnutzung 4 CA Folie 6

7 Nutzung der Potentiale der Digitalisierung zur Prozess- und Qualitätsverbesserung Aktuelle Ansätze zur Prozess- und Qualitätsverbesserung in der Additiven Fertigung (Meldungen 2017 / 2018): Pre-Prozess In-Prozess Additive World Platform unterstützt den gesamten Druckprozess von Pre- bis Post-Prozess Post-Prozess Software Amphyon für simulationsgestützte AF QM Meltpool 3D zur Prozessüberwachung Monitoring Systeme für In-Prozess Die Fortschritte der Digitalisierung ermöglichen Monitoring und eine prozessumfassende Datenanalyse, die Ansätze der Industrie beziehen sich aber nur auf die Prozesskette, meist den Pre- und In-Prozess. Es fehlt ein Ansatz zur ganzheitlichen Optimierung über den gesamten Lebenszyklus der Additiven Fertigung. Digitalisierung des Lebenszyklus der Additiven Fertigung anhand eines Demonstratorbeispiels CA Folie 7

8 Demonstrator: Lebenszyklus des Fused Deposition Modeling CA Folie 8

9 Demonstrator: Lebenszyklus des Fused Deposition Modeling Aktueller Stand Materialgewinnung Materialproduktion Produktentwicklung 6.2 Recycling 3.1 Produktplanung 3.2 Konstruktion 3.3 Arbeitsvorbereitung 3.4 Herstellung 6.1 Entsorgung 6 Produktlebensende 5 Produktvertrieb Produktnutzung 4 CA Folie 9

10 Demonstrator: Lebenszyklus des Fused Deposition Modeling Aktueller Stand Ziel: Entwicklung eines Konzeptes zur lebenszyklusumfassenden Datenerfassung, -analyse, -auswertung und -speicherung Vorgehen und Arbeitspakete: Definition des Lebenszyklus Identifikation notwendiger Daten Integration von Sensoren zur Datenerfassung Entwicklung eines Kommunikationskonzeptes Ausarbeitung des Konzeptes zur Analyse, Auswertung und Speicherung Implementierung im Demonstrator Bisheriger Stand: Definition des Lebenszyklus für das FDM und Darstellung der Phasen im Demonstrator Integration von Sensoren im Extruder und Drucker Einführung von Speedikon C und Implementierung der Kommunikation CA Folie 10

11 Demonstrator: Lebenszyklus des Fused Deposition Modeling Implementierte Sensoren Materialproduktion Herstellung Erfassung von: Durchmesser des Filaments Temperatur während Herstellung Hergestellte Länge Füllstand Granulat Durchhängung Erfassung von: Düsentemperatur Temperatur Bauplattform Vibrationen während Bauprozess Einzug Filament CA Folie 11

12 Demonstrator: Lebenszyklus des Fused Deposition Modeling Kommunikation MQTT Clients Sensoren Microcontroller mit Wifi Funktionalität MQTT MQTT Server Zur Kommunikation wird das Protokoll MQTT verwendet. MQTT Broker CA Folie 12

13 Demonstrator: Lebenszyklus des Fused Deposition Modeling Kommunikation Prozessmonitoring und Langzeitdatenspeicherung mit Speedikon C CA Folie 13

14 Zusammenfassung und Ausblick Ziel: Entwicklung eines Konzeptes zur lebenszyklusumfassenden Datenerfassung, -analyse, -auswertung und -speicherung Vorgehen und Arbeitspakete: Definition des Lebenszyklus Identifikation notwendiger Daten Integration von Sensoren zur Datenerfassung Entwicklung eines Kommunikationskonzeptes Ausarbeitung des Konzeptes zur Analyse, Auswertung und Speicherung Implementierung im Demonstrator Nächste Schritte: Implementierung weiterer Sensorik Weiterentwicklung des Gesamtkonzeptes und Validierung Integration der fehlenden Phasen Weiterentwicklung der Darstellung und Verwertung der Daten CA Folie 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? Bild: TU Darmstadt / kh-architekten CA Folie 15