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Additive Serienfertigung - Was sagt der Ingenieur dazu? Teil 2 von 3

November 29, 2017

Im ersten Teil ging es um die Wahl von Bauteilen für die additive Fertigung. Auch wenn man theoretisch alles Drucken kann, macht es aus unterschiedlichsten Gründen nicht immer Sinn (Wirtschaftlichkeit, Fertigungszeit, etc.).

 

In diesem Teil geht es um die Optimierung und das Design von Bauteilen.

 

Optimierung und Design

 

Mit Auswahl eines geeigneten Bauteils für die Serienfertigung wurde auch gleichzeitig festgelegt, welche Zielvorgabe verfolgt wird. Bauteile können ohne Änderungen nachgebaut werden. Beispielsweise in dem Fall, wenn man vorhandene Ersatzteile nachproduzieren möchte. Dies kann den Vorteil haben, dass

  • Ersatzteile u.U. schneller Verfügbar sind

  • bedarfsgerecht produziert werden können

  • Lager- und Logistikkosten reduziert werden

Wenn das ausgewählte Bauteil optimiert und neu konstruiert wird, kann eine Gewichtsoptimierung oder die Substitution von Bauteilen erreicht werden. Hier gibt es allerdings unterschiedliche Aspekte zu beachten, um Druckzeit, Nachbearbeitungszeit und damit auch die Kosten so gering wie möglich zu halten – womit wiederum die Serienfertigung besser ermöglicht wird. Gerade das Design ist eine große Herausforderung für den klassischen Ingenieur, der in seinem Studium und beruflichen Laufbahn gelernt hat, stets fertigungsgerecht zu konstruieren. „Fertigungsgerecht“ ist in diesem Kontext bezogen auf die konventionellen Herstellungsverfahren, die beispielsweise keine Hinterschneidungen ermöglichen. Mit der additiven Fertigung kommen neue Freiheiten, die dem Ingenieur ermöglichen, theoretisch frei von Restriktionen zu konstruieren.

„Optimieren“ kann beispielsweise die Topologieoptimierung eines Bauteils beinhalten. Bei der Topologieoptimierung wird anhand von Belastungen und Randbedingung eine Form gefunden, die den angewandten Kräften optimal widersteht.

 

Mithilfe von Design Prinzipien kann eine Form entwickelt werden, die besonders gut für eine Serienfertigung geeignet ist. Wichtige Herausforderungen für eine erfolgreiche Serienfertigung sind zum einen eine schnelle Druckzeit und zum anderen eine geringe Nachbearbeitungszeit. die nächste Abbildung zeigt ein Bauteil, welches in dem einen Fall aufrecht (rot eingefärbt) und in dem anderen Fall senkrecht (blau eingefärbt) auf der Bauplattform platziert wurde.

 

Während das senkrecht ausgerichtete Bauteil (rot) eine Druckzeit von 6:08 Stunden hat, benötigt das waagerecht ausgerichtete Bauteil (blau) gerade mal 2:48 Stunden bei gleichen Vorgaben für den Druckprozess. Es ist ersichtlich, dass durch die aufrechte Positionierung sowohl die Druckzeit, als auch die Nachbearbeitungszeit steigt. Die Erhöhung der Druckzeit ist einerseits durch die Anzahl der einzelnen Schichten getrieben, andererseits aber auch durch Support-Material. Die Supportstrukturen werden immer dann notwendig, wenn der Drucker „in die "Luft“ druckt. Bei dem FFF Druckverfahren würde das Material ansonsten einfach nur herunterfallen und beim Druck mit sehr feinem Metallpulvern einfach versinken. Durch das nachträgliche Entfernen der Supportstrukturen, steigt der Nachbearbeitungsaufwand. 

 

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es nicht ganz egal ist wie man ein Bauteil im Bauraum eines 3D Druckers positioniert. Dies hat zum einen Einfluss auf die Bauteilqualität und die Druckzeit, sowie Nachbearbeitungszeit. Es ist also wichtig sich vor einer Optimierung eines Bauteils schon Gedanken darum zu machen, in welcher Ausrichtung es später gedruckt wird. 

 

Es gibt inzwischen erste Softwarelösungen (teilweise noch Beta-Software), die die Ausrichtung im Bauraum bei der Optimierungberücksichtigen. Gerade bei Metalldruck geht es auch darum die Wärme optimal abzuführen um keine zusätzlichen Spannungen beim Druck in das Bauteil zu bekommen.

 

Im nächsten Teil geht es um den Druckauftrag.

 

 

 

 

 

 

Tayfun Süle

Teamleader ALM / 3D Printing

ts@bionic-studio.com

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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