Siemens PLM Software Additive und hybride Produktion mit 3D-Druck

Autor / Redakteur: Jan Larsson / Dorothee Quitter

Der 3D-Druck hat die Möglichkeiten für Design, Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Produkten verändert und steht kurz vor der breiten Anwendung.

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Pulver-Auftragschweißen in einer mehrachsigen Maschine ermöglicht den additiven Aufbau entlang beinahe beliebiger Achsen und somit eine schnellere und flexiblere Teileherstellung.
Pulver-Auftragschweißen in einer mehrachsigen Maschine ermöglicht den additiven Aufbau entlang beinahe beliebiger Achsen und somit eine schnellere und flexiblere Teileherstellung.
(Bild: Siemens PLM Software)

In den letzten Jahren haben rasche Fortschritte im 3D-Druck nicht nur Endverbrauchern diese Technologie zugänglich gemacht, sondern auch in größerem Umfang neue Methoden der additiven und hybriden Produktion ermöglicht.

Einem Bericht des Marktanalyse-Unternehmens IDC zufolge steht der 3D-Druck aktuell an der Schwelle zu breiter Einführung. Unternehmen beginnen, die Kosten- und Produktionsvorteile der Technologie zu erkennen und anzunehmen. IDC prognostiziert, dass sich die Anzahl verkaufter 3D-Drucker von 2012 bis 2017 verzehnfachen wird. Dieses Wachstum wird in erster Linie von Privatkunden und Kleinunternehmen getrieben, es hat jedoch auch wesentliche Auswirkungen auf die industrielle Produktion.

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Die derzeitigen Herausforderungen

Der 3D-Druck bietet Potenziale für die wesentliche Beschleunigung und Verschlankung einzelner Prozesse, allerdings nicht ohne Herausforderungen. Die erste liegt im derzeitigen Stand und Reifeprozess der Technologie, in der Verfügbarkeit von Anwendungs-Knowhow und in schwer zu beantwortenden Wirtschaftlichkeitsfragen begründet. Beispielsweise gestaltet sich in einer wechselnden Landschaft mit wenigen Anhaltspunkten die kalkulatorische Abwägung zwischen Werkzeugkosten und der Anwendung eines 3D-Druckverfahrens zur endformnahen Herstellung sehr schwierig. Produkthersteller, die diese Technologie heute aus dem Musterbau in die Produktion übertragen möchten, sind klassische „Frühanwender“ mit den typischen Schwierigkeiten, Investitionen zu rechtfertigen und Umsetzungsentscheidungen zu treffen. Deshalb sind für die erfolgreiche Implementierung in einer einzigen Produktionsanwendung Monate zu veranschlagen.

Maßgeschneiderte Produktion

Darüber hinaus macht die additive Fertigung die Umwandlung von CAD-Geometrien in STL-Dateien erforderlich. Das bringt inhärente Ungenauigkeiten ins Spiel, die um Größenordnungen über denen der traditionellen subtraktiven, also spanabhebenden Fertigung liegen. Zahlreiche weitere Herausforderungen machen zusätzliche Forschungsanstrengungen erforderlich, um die konsistente Herstellung eines Produkts zu gewährleisten. Die additive Fertigung gestattet aktuell keine dynamische Überwachung des Prozesses, was bei konventioneller Zerspanung mehr oder weniger zum Standard gehört. Für den Übergang von traditionellen subtraktiven Fertigungstechniken zu additiven und letztendlich hybriden Verfahren werden nicht nur neue Maschinen benötigt, sondern auch eine neue Geisteshaltung und dazu passende Werkzeuge und Verfahren. Zudem entstehen neue Möglichkeiten für die Analyse und für neue Materialien.

Zwei der primären Vorteile des 3D-Drucks sind die Möglichkeiten, kundenspezifische Einzelstücke herzustellen und nicht normgerechte komplexe Konstruktionen in einem Stück zu produzieren. Das hat zahlreiche Vorteile, welche Einsparungen bei Zeit, Ressourcen oder Kosten bringen können. Ein einfaches Beispiel ist die Herstellung von Streben. Statt eines massiven Stabs mit hohem Gewicht und der Notwendigkeit anschließender Verformung kann die im 3D-Druck erzeugte Variante hohl sein, im Inneren eine komplexe Konstruktion zur Versteifung aufweisen und gleich in der gewünschten Form gedruckt werden. Das Endprodukt ist stärker und leichter, wird in kürzerer Zeit und mit weniger Material gefertigt.

3D-Drucker bringen auch neue Materialien

Zudem kann eine Konstruktion, für die mehrere Teile produziert und anschließend zusammengefügt werden müssten, als einzelnes Objekt gedruckt werden. Bei Anwendung konventioneller, spanabhebender Fertigungsverfahren können selbst recht unkomplizierte Baugruppen zahlreiche separat zu produzierende Teile erforderlich machen. Das verursacht Kosten und begrenzt die konstruktiven Möglichkeiten. Mittels additiver Herstellungsverfahren lässt sich das Objekt als einzelnes Teil in einem einzigen Arbeitsschritt produzieren und ist zugleich leichter und haltbarer.

Die von additiven Produktionsverfahren gebotene geometrische Freizügigkeit bei kundenspezifischen Anpassungen ermöglicht nicht nur den beschleunigten Prototypenbau, sondern bedeutet auch, dass sich Grundkonstruktionen gemäß individueller Anforderungen anpassen lassen. In der Medizin bringt das die Möglichkeit, Teile wie künstliche Knie- oder Hüftgelenke exakt zur Anatomie des Patienten passend herzustellen.

3D-Drucker ermöglichen nicht nur die Herstellung neuer Konstruktionen, sie bringen auch neue Materialien. Das beschränkt sich nicht auf den Übergang von Kunststoffen zu Metallen und Legierungen, sondern schafft völlig neue Materialgruppen, die für die traditionelle Fertigung nie in Frage gekommen wären. Zu diesen gehören kalt verformbare und biologische Materialien für Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmabranche. Selbst eher traditionelle Metalle bieten Möglichkeiten zur Einführung von Dichtegradienten oder Material-Mischformen, die mit herkömmlichen Schmiede- und Gusstechniken nicht erzielt werden können.

Ein neues Konstruktions-Ökosystem

All dies weist einen aufregenden, innovativen Weg in die Zukunft der Produktion. Diese Vision umzusetzen, erfordert jedoch ein völlig neues Ökosystem für Konstruktion und Produktion.

Auf der Entwurfsebene braucht es neue CAD-Werkzeuge für die Leichtbaukonstruktion mit komplexen Oberflächenmustern sowie Konstruktionsrichtlinien für die additive Fertigung und Unterstützung für Mischmaterialien.

Die additive Produktion ermöglicht einen komplexeren Aufbau – mit verborgenen inneren Strukturen – der fertigen Teile. Derartige Strukturen bringen einen erhöhten Bedarf für Vorab-Festigkeitsanalysen zur Abschätzung der Belastungsfähigkeit und zur Überprüfung der Vorgabenerfüllung in unterschiedlichen Szenarien. Eine erhöhte Komplexität des Aufbaus zieht auch zusätzliche Herausforderungen für die Qualitätssicherung nach sich, da klassische CMM-Messungen unter Umständen kein vollständiges Bild ergeben.

Ebenso sind Erweiterungen der CAE-Analysesysteme um Werkzeuge für Topologie-Optimierung, Deformationsberechnung und Laser-Leistungsregelung erforderlich. In der Werkshalle werden neue CAM-Systeme vielachsige additive Maschinen sowie hybride Produktionssteuerungen und -verfahren zu unterstützen haben.

Vor diesem Hintergrund muss auch das die Produktion umgebende Ökosystem überdacht werden. Die Fähigkeit, einzelne Teile auftragsspezifisch zu fertigen, ermöglicht den völligen Verzicht auf Teilelager, was wiederum zur Restrukturierung von Lieferketten führt.

Schlussendlich verlangt all dies neue Fertigkeiten der MitarbeiterInnen und einen weitaus gemeinschaftlicheren Zugang zum gesamten Konstruktions- und Produktions-Lebenszyklus.

Ein hybrider Ansatz

Die additive Produktion ist trotz der zahlreichen Vorteile, die sie bringt, nicht ohne Schwächen, speziell bei Genauigkeit und Auflösung (Oberflächenstruktur).

Die Lösung besteht in der Verfolgung eines hybriden Ansatzes, der additive Methoden und spanabhebende Bearbeitung in ein gemeinsames System integriert. Das Objekt wird dabei mittels additiver Produktionsverfahren hergestellt, seine feineren Details anschließend im Prinzip durch Abrasieren rauer Kanten fertiggestellt. Dieser Ansatz löst auch das Problem der Toleranzen und Genauigkeiten, da am fertigen Produkt gemessen und geglättet werden kann.

Die Möglichkeit, in kleinen Schritten Material hinzuzufügen oder abzutragen schafft auch die Möglichkeit, Formen nachträglich anzupassen, statt sie ganz neu zu konstruieren. Die Analyse- und Testphasen selbst lassen sich kürzer und genauer gestalten. Dieser Ansatz verbessert und vereinfacht auch Reparatur und Instandhaltung. Abgenützte oder beschädigte Teile können einfach mit Material ergänzt und anschließend bearbeitet werden.

* Jan Larsson Senior Marketing Director EMEA, Product Engineering Software, Siemens PLM Software

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