Generative Fertigung mit Kunststoffen

Generative Fertigung mit Kunststoffen

Jannis Breuninger Ralf Becker Andreas Wolf Steve Rommel Alexander Verl Generative Fertigung mit Kunststoffen Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern

MSc. Dipl.-Des. (FH) Jannis Breuninger Fraunhofer IPA Stuttgart, Deutschland MDes. Dipl.-Ing (FH) Ralf Becker Schunk GmbH Lauffen, Deutschland MBE. Dipl.-Ing (FH) Steve Rommel Fraunhofer IPA Stuttgart, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. mult. Alexander Verl Fraunhofer IPA Stuttgart, Deutschland Dr.-Ing. Andreas Wolf robomotion GmbH Stuttgart, Deutschland ISBN 978-3-642-24324-0 DOI 10.1007/978-3-642-24325-7 ISBN 978-3-642-24325-7 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de

V Vorwort zum Buch Vorwort von Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e. h. mult. Dr. h. c. mult. Hans-Jörg Bullinger Produktlebenszyklen werden kürzer. Nischen, in die die Produzenten ihre Produkte an die Kundenwünsche anpassen müssen, werden immer spezialisierter. Gleichzeitig erwarten die Kunden eine hohe Verfügbarkeit der Produkte und eine schnelle Bereitstellung von Ersatzteilen, nicht nur im Herkunftsland, sondern weltweit. Der Erfüllung dieser Herausforderungen an die Produktionstechnik des 21. Jahrhunderts kommen moderne Fertigungsverfahren, die vor allem auf generativen Technologien basieren, immer näher. So kann dem Wunsch der Kunden nach schnell verfügbaren und individuell gefertigten Bauteilen immer besser entsprochen werden. Waren die mit generativen Technologien hergestellten Produkte Anfang dieses Jahrtausends häufig noch als Visualisierung und nur für Designzwecke nutzbar, so sind heute beispielsweise Robotergreifer aus Lasersintermaterialien in der 3-Schichtproduktion im Einsatz. Auch für den Maschinen- und Anlagenbau ergeben sich völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich der kompletten Wertschöpfungskette. Den Anfang bilden hierbei die kürzeren Entwicklungszyklen, die bereits die Applikation absichern lassen. So können heute schon in der Angebotsphase für komplexe Anlagen Aussagen über die Machbarkeit und die Leistungsfähigkeit anhand von realen Bauteilen getroffen werden. Dies stellt eine Erweiterung der modernen Simulationstechniken dar. Ganze Zwischenschritte der Entwicklung, wie beispielsweise der Funktionsmusterbau, können beschleunigt oder gar komplett übersprungen werden. Mit Hilfe angepasster Konstruktionsmethoden lassen sich zudem die Bauteilgewichte deutlich senken. Es sind hochintegrative Strukturen und Wabenkonstruktionen umsetzbar, welche sich nicht mit herkömmlichen Fertigungsverfahren erzeugen lassen. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von individuell angepassten Hüftgelenkspfannen, die aufgrund ihrer Wabenstruktur ein echtes Verwachsen mit menschlichem Knochenmaterial ermöglichen. Für den After-Sales-Bereich können völlig neue Möglichkeiten in der Ersatzteilversorgung erschlossen werden. Es ist bei Fertigungszeiten von einigen Stun-

VI den bis Tagen nicht mehr notwendig, ein teures Materiallager zentral oder dezentral zu bevorraten. Eingelagert werden digitale Datensätze, welche es bei Bedarf erlauben, Produkte regional oder lokal über zertifizierte Produktionspartner zu fertigen. Mit diesem Buch ist es den Autoren gelungen, Potentiale und Anwendungsfelder generativer Fertigungsverfahren im industriellen Einsatz aufzuzeigen. Es werden Konstruktionshilfen und Beispiele gegeben, um dem Ingenieur den Einstieg in eine neue Art des Konstruierens zu ebnen. Dieses Buch liefert den Impuls zum Umdenken innerhalb der Konstruktionsabteilungen von Unternehmen. Aber auch für Forschung und Lehre werden Anregungen und Hilfestellungen für weitergehende Arbeiten gegeben. Die Netzwerke der Fraunhofer-Gesellschaft, die ich über viele Jahre mit aufbauen und entwickeln konnte, bieten für diese Weiterentwicklungen bereits hervorragende Grundlagen und entsprechende Infrastrukturen. Gemeinsam mit Industrieunternehmen, welche Nutzer der Technologie aber auch Lieferanten sein können, wird der Standort Deutschland in den kommenden Jahren viele Innovationen hervorbringen. Es ist nun Aufgabe der Maschinen- und Anlagenbauer, sich dieses Potential zu Nutze zu machen. Flexible Verfahren der Fertigungstechnik werden für die Produktion von morgen eine zunehmend wichtiger Rolle spielen, und eine notwendige Ergänzung zu bereits etablierten Technologien und Verfahren darstellen.

VII Danksagung Die Idee zu diesem Buch entstand, nachdem das Fraunhofer IPA zusammen mit der Firma Festo den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten 2010 gewann. Prämiert wurde der Bionische Handling-Assistent der Firma Festo, der mit technologischer Unterstützung des Fraunhofer IPA in Kooperation entstanden ist. Das Autorenteam dieses Buches entspricht im Wesentlichen dem Team rund um den Preisträger der Fraunhofer Seite, Andrzej Grzesiak. Wir bedanken uns ausdrücklich für die gute Zusammenarbeit bei den Projektleitern der Firma Festo, den Herren Dr. Peter Post und Markus Fischer, sowie dem Projektteam von Festo, insbesondere Ruwen Kaminski, Elias Knubben und Dr. Alexander Hildebrand. Wir danken auch den Studenten, die uns bei der Untersuchung und Erforschung vieler verschiedener Themen und Phänomene im Bereich der generativen Fertigung mit ihren Studien- und Diplomarbeiten unterstützt haben. Dies sind im Besonderen Greta Bernhard, Kai Ondratschek, Dr. Mike Barth, Sebastian Schröck, Jens Schäfer und Matthias Schaich. Besonderen Dank richten wir auch an unsere Kollegen am Fraunhofer IPA Stuttgart, die uns ebenfalls selbstlos unterstützt haben. Hervorzuheben sind dabei Julia Kroll und Ira Effenberger für ihre Unterstützung mit computertomographischen Aufnahmen und den dazugehörigen Auswertungen, Jens Bohnet für die metallischen Beschichtungen von generativ gefertigten Bauteilen und seine Geduld mit unseren Konstruktionen, Sabine Botta, die viele der Versuchsteile produzierte und uns in vielen Belangen dauerhaft unterstützte und Herr Peter Nicolaisen, der Anregungen bei der Strukturierung und Aufbereitung der einzelnen Berichte gab. Wir möchten uns auch bei Andrea Elflein und Christiane Knöpfler, sowie bei Reform Design für Ihre Unterstützung bei der Erstellung des Buches bedanken. Zu guter Letzt gilt unser besonderer Dank unseren Familien und Freunden für ihre Unterstützung und Geduld.

IX INHALT 1 EINLEITUNG 1 1.1 Zielsetzung für das Buch 2 1.2 Industrielle Produktion im Wandel 4 1.3 Umgang mit neu aufkommenden Technologien 9 1.4 Begriffe der generativen Fertigungsverfahren 11 1.5 Einordnung der generativen Verfahren 13 1.6 Einsatzgebiete für generative Fertigung 14 1.7 Anforderungen an Designer, Konstrukteure und Fertigungsexperten 17 1.8 Ausblick 20 1.9 Quellenverzeichnis 22 2 TECHNOLOGIE 23 2.1 Historie 23 2.2 Verfahrensvielfalt 25 2.2.1 Stereolithography (SL) 27 2.2.2 3D-Printing (3DP) 28 2.2.3 Selektives Lasersintern (SLS) 30 2.2.4 Selektive Laser Melting (SLM) 31 2.2.5 Fused Deposition Modeling (FDM) 32 2.2.6 Poly-Jet Modeling (PJM) 34 2.2.7 Laminated Object Manufacturing (LOM) 36 2.2.8 Mask Sintering (MS) 37 2.2.9 Digital Light Processing (DLP) 38 2.3 Selektives Lasersintern als Herstellungstechnologie von Produkten 39

X 2.4 Entwicklungsprozess 41 2.4.1 Generative Modelle in der Produktentwicklung 44 2.5 Fertigungsprozess 47 2.5.1 Aufschmelzen des Kunststoffpulvers mit dem Laserstrahl 47 2.5.2 Belichtungsstrategie 49 2.5.3 Strahldurchmesser 50 2.5.4 Spurbreitenkompensation 51 2.5.5 Einbringung von zu viel Energie durch doppelte Belichtung oder falsche Parameter 52 2.5.6 Abkühlen nach dem Bauprozess 53 2.5.7 Verzug von Werkstücken 54 2.5.8 Treppenstruktur 55 2.5.9 Dicke der gebauten Schichten 56 2.5.10 Datensätze und Datenformate 56 2.5.11 Maschinen und Ausrüstung 57 2.6 Material 59 2.6.1 Rohmaterial 59 2.6.2 Mischen und Auffrischen des Pulvers 63 2.6.3 Eigenschaften von lasergesinterten Bauteilen 64 2.7 Nachbehandlung der Oberfläche 69 2.7.1 Oberflächentechnik für das selektive Lasersintern 70 2.7.2 Senken der Rauheit durch Strahlen 75 2.7.3 Optisches Erscheinungsbild 82 2.7.4 Thermischer Schutz 85 2.7.5 Leicht zu reinigende Schichten 86 2.7.6 Verbesserung der mechanischen Stabilität generativ gefertigten Werkstücken 90 2.7.7 Lackieren von generativ gefertigten Bauteilen 91 2.7.8 Kleben von generativ gefertigten Bauteilen 91 2.7.9 Zerspanende Nachbearbeitung der Oberflächen 92 2.8 Qualitätssicherung generativer Produkte 94 2.8.1 Materialwissenschaftliche Erkenntnisse 94 2.8.2 Funktionsvalidierung und Lebensdauerprüfung 96 2.8.3 Voraussetzungen für die Serienproduktion 105 2.8.4 Zertifizierungen 107 2.9 Quellenverzeichnis 112

XI 3 KONSTRUKTION UND DESIGN 113 3.1 Produktentwicklung für generativ hergestellte Produkte 115 3.1.1 Der Prototyp als Serienprodukt 115 3.1.2 Produktentwicklungsprozess 116 3.2 Rahmenbedingungen 121 3.2.1 Pulverentfernung 121 3.2.2 Genauigkeit 123 3.2.3 Wandstärken 124 3.2.4 Abstände zwischen Bauteilwandungen 127 3.3 Bauteiloptimierung 128 3.3.1 Parameteroptimierung 129 3.3.2 Topologieoptimierung 130 3.3.3 Formoptimierung 132 3.3.4 Leichtbau 133 3.4 Statische Elemente 135 3.4.1 Kanten und Ecken 135 3.4.2 Verrundungen 137 3.4.3 Flächen 139 3.4.4 Volumen und Körper 140 3.4.5 Bohrungen 141 3.4.6 Kanäle 143 3.4.7 Strukturen 143 3.5 Funktionselemente 150 3.5.1 Gelenke 150 3.5.2 Elastische Elemente 152 3.5.3 Verbindungselemente 155 3.5.4 Führung linearer Bewegungen 163 3.5.5 Führung rotatorischer Bewegungen 166 3.5.6 Dichtheit bei Flachdichtungen und O-Ringen 169 3.5.7 Zugentlastung für Schlauch- und Kabelführungen 170 3.5.8 Aktoren 175 3.6 Komplexität 182 3.7 Individualisierung 184 3.8 Simulation 187 3.9 Automatisierte Konfiguration 189 3.9.1 Automatische Konfiguration eines Robotergreifers 189 3.9.2 Konstruktionen basierend auf Konstruktionstabellen 191 3.9.3 Greiferkonzeption 192 3.9.4 Schnittstellen 193 3.9.5 Entwerfen eines parametrischen Testobjekts 194 3.9.6 Gestaltungsrichtlinien für parametrische Modelle 194 3.9.7 Aufbauen des Greifers 196

XII 3.9.8 Erstellen der Konstruktionstabelle 198 3.9.9 Probleme bei parametrischen Konstruktionen 198 3.10 Bionik 199 3.10.1 Leistungsfähigkeit biologischer Systeme 199 3.10.2 Bionisches Arbeiten 200 3.11 Wirtschaftlichkeit 202 3.11.1 Wirtschaftlich sinnvolle Teile durch generative Fertigung 202 3.11.2 Nutzung der vollen konstruktiven Bandbreite generativer Verfahren 205 3.11.3 Klein, komplex, individuell 206 3.12 Quellenverzeichnis 208 4 ANWENDUNGSBEISPIELE 211 4.1 Robotergreifer für Verpackungsanwendung 211 4.1.1 Mehrfachgreifer mit Hubeinheiten 212 4.1.2 Greifer mit Spreizfunktion 215 4.2 Robotergeführtes Auslenksystem für das Entgraten 227 4.3 Laufroboter 230 4.3.1 Vorbild Spinne 231 4.3.2 Lokomotion und Laufmuster 233 4.3.3 Modulare Konstruktion 242 4.4 Medizintechnikanwendungen 245 4.5 Ausblick 248 4.6 Quellenverzeichnis 250