Kirchheim, Andreas

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Das Schweizer Industriemagazin. Seit 1972. Nr. 8August 2018Mit Schnell-zugriffINDUSTRIEMAGAZIN: ZUM THEMAHöchstmögliche undkompakteste Sicherheit 24DOSSIER:  SCHWEISSEN, SCHNEIDEN Festkörperlaser trifftauf Rohrbearbeitung 56DOSSIER:  ANTREIBEN, BEWEGEN, AUTOMATION Flexible Automatisierungs- lösung für die Zukunft 62Sensordaten global verfügbar – über  die lokale Unternehmenscloud hinaus32  maschinenbau 8/2018  |  Das Schweizer Industriemagazin. Seit 1972.I N D U S T R I E M A G A Z I NA D D I T I V E  M A N U FA C T U R I N GAdditive Fertigung  generiert MehrwerteAdditive Fertigung oder 3D-Druck hat sich als zusätzliche Fertigungs-technologie in vielen Bereichen des Maschinenbaus etabliert. Die Vorteile der Additiven Fertigung sind insbesondere im Maschinen-, Leicht- und Werkzeugbau aber auch in der Medizinaltechnik offensichtlich. Kleine und mittlere Stückzahlen sind immer häufiger gefragt. Auch stehen kunden-  beziehungsweise aufgabenspezifische Bauteile im Vordergrund, die über einzigartige Funktionen verfügen. Ebenso können oftmals mehrere Bauteile in einem integriert werden. Für die Entscheidung, ein Bau-teil konventionell oder additiv zu fertigen, muss der Mehrwert durch einen 3D Druck klar defi-niert sein. Anwendungsbeispiele zeigen die Vorteile und den Mehr-wert der Additiven Fertigung.Prozess der additiven FertigungAdditive Fertigung ist die schicht-weise Herstellung von Bauteilen von unten nach oben – im Gegen-satz zu subtraktiven Fertigungs-verfahren wie Drehen, Bohren oder Fräsen, bei denen von aus-sen nach innen Material abgetra-gen wird. Dank additiver Ferti-gung können komplexe Struktu-ren realisiert werden, die bis da-hin nicht möglich waren.Wie geht man dabei vor? Grundlegend wird ein vorhande-nes 3D-CAD-Modell in Einzel-schichten zerlegt. Mit dieser geo-metrischen Schichtinformation und den Prozessparametern kann ein additives Fertigungssystem (3D-Drucker) gesteuert werden. Ein Material wird schichtweise auf eine Arbeitsplatte aufgetragen und nach einem bestimmten ad-ditiven Fertigungsprinzip durch die jeweiligen Schichtinformati-onen selektiv verfestigt. Die Bau-platte wird anschliessend um die Schichtdicke abgesenkt und der Prozess wiederholt sich, bis das ganze Bauteil von unten nach oben aufgebaut ist. Für den  eigentlichen 3D-Druckprozess bieten sich sehr viele unterschied-liche Technologien an. Für die ad-ditive Fertigung metallischer Teile ist das selektive Laserschmelzen, englisch «Selctive Laser Melting SLM» das am weitesten verbreite-te Verfahren. Das fertige Bauteil muss von der Bauplatte gelöst und oft noch thermisch nachbe-handelt oder mechanisch nach-bearbeitet werden (Bild 1).Für das selektive Laser-schmelzen stehen am Zentrum für Produkt und Prozessentwick-lung der ZHAW in Winterthur zwei Renishaw SLM-Maschinen für aF&E und für die Lehre und Weiterbildung zur Verfügung. Warum Additive Manufacturing?Additive Fertigung oder 3D-Druck lohnt sich nur, wenn ein entspre-chender Mehrwert in der Wert-schöpfungskette generiert wird. Der Mehrwert zeigt sich beispiels-weise bei Bauteilen, die wenig wiegen dürfen. Gewichts- und to-pologieoptimierte Teile finden sich insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Durch die additive Fertigung lassen sich Gitterkons-truktionen bis hin zu bionischen Strukturen realisieren, die kon-ventionell gar nicht möglich sind. So kann die Zuladung eines Flug-zeugs vergrössert oder der Treib-stoffverbrauch und CO2-Ausstoss verringert werden. Im Werkzeug-bau können gewichtsoptimierte Werkzeuge leichter beschleunigt und verzögert werden. Kunden- oder anwendungsspezifische Pro-dukte lassen sich durch den schichtweisen Aufbau direkt aus dem CAD realisieren. In der Medi-zinal- und Dentaltechnik finden Implantate, individuell an die Pa-tienten angepasst, Anwendungen. Werkzeuge, Vorrichtung und Greifer können in der Fertigung produktspezifisch gefertigt und adaptiert werden. Goldschmiede und Juweliere können die Design-freiheit der additiven Fertigung im Schmuckdesign optimal nutzen. Bauteilintegrationen (Reduktion Anzahl Bauteile) vereinfachen Montageprozesse. Durch Funkti-onsintegration im Sinne  einer in-tegrierten konturnahen Kühlung oder Temperierung lassen sich Spritzgussprozesse zeitlich und qualitätsmässig optimieren. Glei-ches gilt für spanende Werkzeug die mit einer integrierten, ange-passten Kühlung die Zerspanung verbessern.Auch lassen sich häufig Pro-totypen oder Kleinserien ohne Werkzeuge direkt aus dem CAD-Modell im Sinne eines «Fast-Pro-totyping» schnell herstellen. Da-durch lassen sich insbesondere Entwicklungsprozesse beschleu-nigen und absichern (Bild 2).Additive Fertigung generiert MehrwertWenn die Prozesskette vom rich-tigen «additiv gerechtem» CAD- Modell, der Auswahl der richti-gen additiven Fertigungstechno-logie mit den richtigen Parame-tern beherrscht wird, können Mehrwerte in der Wertschöp-fungskette vom Protototyp bis zum fertigen Bauteil erzielt werden.Ein Mehrwert kann das schnelle Bereitstellen von Proto-typen sein, um in der Produktent-wicklung sehr rasch ein Feedback zur Machbarkeit, Ergonomie, Haptik oder der Montagemöglich-keiten zu erhalten. Ein Beispiel aus dem Maschinebaustudium zeigt das Ergebnis einer Projektar-beit zur Entwicklung einer Ping-Pong-Maschine unter Nutzung von einfachen 3D-Druckern und Laser Cuttern. In nur einem Se-mester wurden in kleinen Stu-dententeams Ping-Pong-Maschi-nen entwickelt, gebaut und er-folgreich präsentiert. Ein solches «Fast Prototyping» ist natürlich Bild 1: Prozesskette additive Fertigung am Beispiel des «Selective Laser Melting (SLM)».Bild 2: Mehrwert durch additive Fertigung.ZUM AUTORAndreas KirchheimLeiter Advanced Production Technologies, Additive ManufacturingZPP Zentrum für Produkt- und ProzessentwicklungZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte WissenschaftenLagerplatz 22CH-8401 Winterthurwww.zhaw.ch/zppandreas.kirchheim@zhaw.chLeichtbau durch komplexe Strukturen– Gitterstrukturen– Bionische StrukturenPrototypen und Kleinserienfertigung– Direkt aus dem CAD– Ohne zusätzliche WerkzeugeFunktionsintegration– Bauteilintegration (Reduktion Bauteilanzahl)– WerkzeugkühlungKundenindividuelle Produkte (Customized)– Dental Produkte (Kronen, Brücken …)– Implantate– Schmuck– Werkzeuge– Vorrichtungen– …CADModellSupport-strukturenProzess-parameterSchicht-modellAM-ProzessNachbe-handlungQualitäts-sicherungI N D U S T R I E M A G A Z I NA D D I T I V E  M A N U FA C T U R I N GBild 4: Additive Fertigung Aufnahmevorrichtung (Ti6Al4V), Mehrwert: 82 Prozent weniger Gewicht durch Topologieoptimierung und additive Fertigung.aus keiner innovativen Entwick-lungsabteilung mehr wegzuden-ken (Bild 3).Die Gewichtsoptimierung hat insbesondere in der Luft- und Raumfahrt Bedeutung, ist aber auch bei schnell zu verfahrenden Werkzeugen und Vorrichtungen wichtig. Ein Beispiel zeigt die Aufnahmevorrichtung, wie sie in Flugzeugen zur Fixierung von Bordküchen oder Transportcon-tainer eingesetzt wird. Durch op-timale Kombination von Topolo-gieoptimierung und der additiven Fertigung angepassten Konstruk-tion konnte eine extreme Ge-wichtsreduktion von 82 Prozent bei gleichen Festigkeitswerten er-reicht werden. Die additive Ferti-gung erfolgt mittels dem «Selec-tive Laser Melting» (SLM), bei dem, in diesem Fall Titanpulver schichtweise mittels Laserstrahl aufgeschmolzen wurde (Bild 4).Ein anderes Beispiel zeigt einen Hydraulikverteiler, der konventi-onell aus einem einfachen Stahl-quader, der entsprechend der Randbedingungen und Anforde-rungen aufgebohrt beziehungs-weisespanend bearbeitet wird. In vielen Anwendungen spielt das Gewicht keine Rolle, so dass diese Lösung sicherlich die kostengünstigste ist. «Muss der Hydraulikverteiler fliegen», sprich, wird dieser beispielsweise in einen Helikopter eingesetzt, ist er zu schwer. Reduziert auf die reine Verrohrung und Flansch-funktion zur Befestigung kann unter Einsatz der additiven Ferti-gung das Gewicht auf unter 5 Prozent des Originals verringert werden. Als Wärmetauscher kann mit dem selektiven Laserschmel-zen sehr einfach ein Gitternetz über den Verteiler für eine bessere Kühlung gelegt werden (Bild 5).Beim Spritzgiessen kann die Zykluszeit und die Oberflächen-qualität der Spritzgussteile durch eine konturnahe Werkzeugtem-perierung entscheidend verbessert werden. Das Beispiel eines Zwei-Kavitäten-Werkzeugs zur Herstel-lung von Feststellmuttern eines Veloträgers aus Kunststoff zeigt, wie durch eine konturnahe Küh-lung, die nur mittels additiver Fer-tigung herstellbar ist, die Zyklus-zeit um mehr als 60 Prozent redu-ziert wurde. Die Mehrkosten für das schichtweise aufgebaute Werkzeug in Werkzeugstahl (1.2709) konnte nach zirka 10’000 Shots amortisiert werden. Das Besondere an diesem Beilspiel ist die Hybridkonstruktion, das heisst auf eine konventionell her-gestellte Werkzeugplatte wurde Bild 3: Additive Fertigung Prototypen Ping-Pong-Maschine, Mehrwert: Schnelles direktes Feedback in der Produktentwicklung.Ausgangslage (konventionell) Gewichtsoptimiert (additiv)AIMgSi1 (6082-T6)306 g53 gDirektes, schnelles Feedbackdurch PrototypenBild 5: Additive Fertigung eines Hydraulikverteilers (1.4404), Mehrwert: Reduktion auf Funktionen, optimiertes Gewicht und optimale Kühlung.Bild 6: Additive Fertigung eines Hybrid-Spritzgusswerkzeugs (1.2709), Mehrwert: Reduktion Zykluszeit Hybridwerkzeug mit konturnaher Kühlung.Original1245 g (100 Prozent)Optimiert auf Kühlung116 g (9,3 Prozent)Optimiert auf Gewicht53 g (4,3 Prozent)Altes Werkzeug:Zykluszeit: 55 SekundenNeues Werkzeug:Zykluszeit: 22 Sekundenkonventionelles Werkzeug konventionell nachbearbeitetadditiv gefertigt (SLM)Neues Hybridwerkzeug mit konturnaher KühlungNeu in der Weiterbildung: Certificate of Advanced Study CAS "Additive Fertigung"Das CAS "Additive Fertigung"  vermittelt die verschiedenen additiven Fertigungsverfahren für Metall, Kunststoff und Keramik und die korrespondierenden Prozesse zur Vor- und Nachbereitung von diversen Anwendungen und vertieft diese in praktischen Übungen. Datum, Ort19. September 2019 (Dauer: 15 Tage, 12 ECTS) ZPP/ZHAW Lagerplatz 22, CH-8400 WinterthurWeitere Infoshttps://weiterbildung.zhaw.ch/de/school-of-engineering/programm/cas-additive-fertigung.htmldas eigentliche Spritzgusswerk-zeug mit konturnaher Kühlkanä-len additiv aufgebaut (Bild 6).Um die additive Fertigung er-folgreich anzuwenden, das heisst Mehrwerte zu generieren sind folgende Vorrausetzungen unab-dingbar.Am Anfang steht die Identifi-kation sinnvoller Komponenten und Bauteile, die sich aus techni-scher und wirtschaftlicher Sicht eigen. Des Weiteren ist ein ver-tieftes Wissen der additiven Ferti-gungstechnologien notwendig und es müssen die Konstruktions-regeln für die additive Fertigung, die richtigen Methoden zur Nach-behandlung und Qualitätssiche-rung Anwendung finden. Hilf-reich am Anfang sind sicherlich auch zuverlässige und erfahrener Entwicklungs- und Fertigungs-partner. Das Zentrum für Pro-dukt- und Prozessentwicklung der ZHAW in Winterthur hat weitgehende Erfahrungen in fol-genden Themen:  – Angepasste Produktentwick-lung für die additive Fertigung,– Wirtschaftliche und technischeMachbarkeitsstudien– Topologieoptimierung und Si-mulation– Maschinenentwicklung für dieadditive Fertigung– Anwendungsorientierte F&E-Projekte zur Produkt- und Pro-zessentwicklung in der additi-ven Fertigung– Unterstützung in Form vonWorkshops und Schulung beider Einführung der additivenFertigung– Allgemeine und kundenspezifi-sche Aus- und Weiterbildungzum Thema Additive Fertigungmaschinenbau 8/2018  |  Das Schweizer Industriemagazin. Seit 1972.  33

Additive Fertigung generiert Mehrwert

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