Additive Fertigungstechnologie

Charakterisierung

AM Teil
Additiv gefertigte Teile mit Stützstrukturen (Quelle: NTT Data Engineering)

Additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing = AM) oder 3D-Druck ist eine aufstrebende Fertigungstechnologie. Mit der AM-Technologie können digitale Daten direkt in ein reales Produkt umgewandelt werden. Auf den ersten Blick erscheint der additive Fertigungsprozess sehr kurz und einfach: Es wird eine Software für die rechnergestützte Konstruktion (CAD) verwendet, um ein physisches Objekt zu beschreiben. Die digitalen Daten werden an einen speziellen 3D-Drucker übergeben, der das Teil direkt herstellt.

Aber was so lapidar klingt, birgt viele Herausforderungen ...

Es gibt mehrere unterschiedliche Drucktechnologien. Alle haben gemeinsam, dass sie 3D-Objekte aufbauen, indem sie Material entweder schichtweise oder durch Deposition entlang eines Pfades hinzufügen. Die diversen Druckprozesse nutzen verschiedene Materialien (Sand, festen oder flüssigen Kunststoff, zahlreiche Metalle) und verschiedene Methoden zum Schichtaufbau (z.B. Laser- oder Elektronenstrahl zum Schmelzen oder Sintern des Metallpulvers).

Additive Metallfertigung auf dem Vormarsch

Anwendungsfelder

Photo RenAM 500M
RenAM 500M – Pulverbettbasierte Laserschmelzanlage für additive Fertigung (Quelle: Renishaw)

Es gibt vielfältige Anwendungsgebiete für die additive Fertigung – hier konzentrieren wir uns auf die industrielle Anwendung der additiven Metallfertigung (Metall-AM).

Metalle sind das am schnellsten wachsende Segment des 3D-Drucks. Metall-AM wird immer häufiger verwendet, um Endprodukte herzustellen für:

  • Luft- und Raumfahrtindustrie & Zulieferer
  • Automobilindustrie & Zulieferer
  • Maschinenbau (z.B. Turbinen, Sondermaschinen)
  • Medizinische Implantate (Zahnmedizin, Orthopädie)
  • Transporttechnik und Robotik
  • Lifestyle & Sport (z.B. Schmuck, Fahrradteile)
  • Spezialanfertigungen (z.B. Ersatzteile für Oldtimer, chirurgische Instrumente)

Die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigungsindustrie sind die wichtigsten Erstanwender der AM-Technologie – sie gehen als erste den Schritt von kleinen Forschungsprojekten zur Massenfertigung. Airbus, GE, Norsk Titanium, Alcoa und andere haben bereits mit der Serienfertigung begonnen oder investieren in große Produktionsanlagen für die AM.

In der Automobilindustrie wird der 3D-Druck seit Jahren für die schnelle Prototypenentwicklung verwendet, in der Vorserienfertigung oder für die Herstellung vollständiger Anschauungsmodelle. Führende Autohersteller experimentieren mit dem Einsatz der AM-Technologie. Erste Anwendungsbereiche könnten die Kleinserien- oder Einzelteilfertigung sein.

Fertigungsqualität

Typische Herausforderungen in der additiven Metallfertigung

Firmen, die 3D-Metalldrucker zur additiven Fertigung einsetzen, stehen vor vielen Herausforderungen.

Herausforderungen aus wirtschaftlicher Sicht:

  • Hohe Maschinenstundenkosten (hohe Anschaffungskosten für die Maschinen, hohe Energiekosten)
  • Verhältnismäßig hohe Materialkosten
  • Maschinenverfügbarkeit: Vorversuche auf den Maschinen verringern die Produktivität
Additiv hergestellte Teile auf Basisplatte - ohne Supportstrukturen (Quelle: Renishaw)
Additiv hergestellte Teile auf Basisplatte - ohne Supportstrukturen (Quelle: Renishaw)

Herausforderungen aus technischer Sicht:

Es gibt verschiedene Faktoren, die den additiven Fertigungsprozess mit unterschiedlicher Signifikanz beeinflussen unter anderem:

  • Verschiedene Fertigungsmethoden und ihre speziellen Merkmale
  • Verschiedene 3D-Drucker und ihr maschinenspezifischer Einfluss auf den Produktionsprozess
  • Unterschiedliche Qualität des Metallpulvers

Am AM-Prozess sind sehr viele (bis zu 200) Maschineneingabeparameter beteiligt, sie haben alle einen Einfluss auf das erzielte Verhalten der fertigen Teile. Vor der Herstellung der Teile stellen sich daher folgende Fragen:

  • Was ist die beste Strategie bezüglich Position und Eigenschaften der Stützstruktur?
  • In welche Richtung soll der Schichtaufbau gehen?

Komplexe physische Wechselwirkungen führen zu ungleichmäßiger Qualität der hergestellten Teile.

Ein nicht-optimales Teiledesign für die Herstellung führt zu Unsachgemäß produzierten Teilen oder sogar Ausschussteilen mit Rissen, aufgrund von:

    • Verzug
    • Eigenspannung

Simufact Additive – unsere Lösung

So können wir Ihnen helfen, diese Probleme zu lösen

Simufact Additive ist eine leistungsstarke und skalierbare Softwarelösung für die Simulation metallbasierter additiver Fertigungsprozesse.

Simufact Additive hilft Ihnen, auf Anhieb fehlerfreie AM-Teile herzustellen:

  1. Verformung des fertigen Teils berechnen und Verzüge reduzieren / vermeiden
  2. Eigenspannungen minimieren
  3. Orientierung des Schichtaufbaus optimieren
  4. Stützstruktur optimieren
  5. Auch den Zustand nach Wärmebehandlung und Entfernen der Grundplatte und Stützstruktur beherrschen
  6. Material- und Energiekosten reduzieren
  7. Produktivität von Maschinen und Arbeitskräften erhöhen und unnötige Kosten reduzieren, indem Tests durch Simulation ersetzt werden

In Zukunft auch

  1. Vorhersage der Mikrostruktur
  2. Versagen der Teile kriterienbasiert anzeigen

 

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Simufact Additive