methodik und richtlinien für die konstruktion von laseradditiv … · 2017. 7. 8. · viele...

Jannis Kranz

Methodik und Richtlinien für die Konstruktion von laseradditiv gefertigten Leichtbaustrukturen

Herausgegeben von Claus Emmelmann

Light Engineering für die Praxis

Light Engineering für die Praxis

Herausgegeben vonC. Emmelmann, Hamburg, Deutschland

Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/13397

Technologie- und Wissenstransfer für die photonische Industrie ist der Inhalt dieser Buch-reihe. Der Herausgeber leitet das Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg sowie das LZN Laser Zentrum Nord, eine 100%ige Tochter der TU Hamburg-Harburg und der Freien und Hansestadt Hamburg. Die Inhalte eröffnen den Lesern in der Forschung und in Unternehmen die Möglich-keit, innovative Produkte und Prozesse zu erkennen und so ihre Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu stärken. Die Kenntnisse dienen der Weiterbildung von Ingenieuren und Multiplikatoren für die Produktentwicklung sowie die Produktions- und Lasertechnik, sie beinhalten die Entwicklung lasergestützter Produktionstechnologien und der Qual-itätssicherung von Laserprozessen und Anlagen sowie Anleitungen für Beratungs- und Ausbildungsdienstleistungen für die Industrie.

Jannis Kranz

Methodik und Richtlinien für die Konstruktion von laseradditiv gefertigten Leichtbaustrukturen

Jannis KranzBremen, Deutschland

Light Engineering für die Praxis ISBN 978-3-662-55338-1 ISBN 978-3-662-55339-8 (eBook)DOI 10.1007/978-3-662-55339-8

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Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Jannis Kranz aus Neustadt in Holstein

1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. C. Emmelmann2. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. R. God

Tag der mündlichen Prüfung: 07.04.2017

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

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Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitar-beiter am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) der Technischen Univer-sität Hamburg (TUHH) sowie der universitären Technologietransfereinrichtung Laser Zentrum Nord GmbH (LZN).

Meinem Erstbetreuer Herrn Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, Leiter des iLAS und des LZN, möchte ich an dieser Stelle danken, dass er mir die Möglichkeit gegeben hat das vorliegende Thema zu bearbeiten. Seine fortwährende Unterstützung und die eingeräum-ten Freiräume haben maßgeblich zum Erfolg der vorliegenden Arbeit beigetragen. Dan-ken möchte ich an dieser Stelle ebenfalls Herrn Prof. Dr. rer. nat. Ralf God, Leiter des Instituts für Flugzeug-Kabinensysteme, für die Übernahme des Koreferats sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Hintze, Leiter des Instituts für Produktionsmanagement und technik, für den Vorsitz des Prüfungsausschusses. Mein Dank gilt ebenso den über die Jahre zahlreichen Projektpartnern, insbesondere Herrn Peter Sander, Herrn Altmann sowie Frau Kunzi.

An dieser Stelle möchte ich mich auch bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des iLAS sowie des LZN für die kollegiale Atmosphäre und stetige Unterstützung bedanken. Ein besonderer Dank für die intensiven fachlichen Diskussionen und Anregungen gilt Herrn Dipl.-Ing. Christopher Stengel, Herrn Dipl.-Ing. Marten Canisius sowie Herrn Dr.-Ing. Dirk Herzog, Oberingenieur des iLAS. Danken möchte ich an dieser Stelle überdies den technischen Mitarbeitern des Instituts, besonders Herrn Franz Terborg und Herrn Marco Kosslowski, für die stetige Unterstützung bei den im Rahmen der Arbeit durchge-führten praktischen Tätigkeiten.

Ein großer Dank gilt darüber hinaus den zahlreichen Studien- und Diplomarbeitern so-wie studentischen Hilfskräften. Besonders hervorgehoben seien an dieser Stelle Frau M.Sc. Franziska Bauer sowie Herr M.Sc. Klemens Terhaer, die mir durch ihre stets eigenverantwortliche Arbeitsweise Freiräume bei der Erarbeitung dieser Arbeit ermög-licht haben.

Ein besonderer Dank gilt meiner Familie, insbesondere meinen Eltern und meinem Bru-der. Ihre Unterstützung sowie der stetige Rückhalt haben mir meinen bisherigen Le-bensweg und die Erstellung dieser Arbeit erst ermöglicht.

Bremen, im Mai 2017

Inhaltsverzeichnis vii

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis .......................................................................................................... vii

Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis ................................................................... xi

1 Einleitung .................................................................................................................. 1

2 Stand der Technik ..................................................................................................... 32.1 Grundlagen der methodischen Produktentwicklung ........................................ 3

2.1.1 Definition von Methode und Methodik ............................................ 42.1.2 Auflösungsgrad von Produktentwicklungsprozessen ....................... 42.1.3 Produktentwicklungsmethoden und -ansätze ................................... 52.1.4 Grundlagen der Gestaltung ............................................................... 82.1.5 Fertigungsgerechtes Gestalten - Design for Manufacturing ........... 10

2.2 Grundlagen der Laseradditive Fertigung ....................................................... 102.2.1 Verfahrensgrundlagen .................................................................... 112.2.2 Wesentliche Prozessparameter ....................................................... 132.2.3 Der Werkstoff TiAl6V4 in der laseradditiven Fertigung ............... 162.2.4 Eigenspannungen in der Laseradditiven Fertigung ........................ 182.2.5 Richtlinien für die fertigungsgerechte Gestaltung .......................... 212.2.6 Gestaltung von laseradditiv zu fertigenden Bauteilen .................... 25

2.3 Leichtbau ....................................................................................................... 292.3.1 Konstruktionsstrategien des Leichtbaus ......................................... 302.3.2 Konstruktive Gestaltungsprinzipien des Leichtbaus ...................... 30

2.4 Grundlagen der Strukturoptimierung ............................................................. 322.4.1 Differenzierung der Strukturoptimierung ....................................... 322.4.2 Grundlagen der Topologieoptimierung .......................................... 342.4.3 Integration in den Konstruktionsprozess ........................................ 382.4.4 Verwendete Software ..................................................................... 40

2.5 Gestaltungsbegleitende Kostenbetrachtung ................................................... 402.5.1 Grundlagen zum kostengünstigen Konstruieren............................. 412.5.2 Grundlagen zur Kostenabschätzung ............................................... 432.5.3 Wirtschaftlichkeitsfaktoren der laseradditiven Fertigung .............. 442.5.4 Abschätzung der Kosten laseradditiv gefertigter Bauteile ............. 46

3 Methodische Herangehensweise ............................................................................ 49

4 Grundlegende Fertigungsrestriktionen von LAM für TiAl6V4 ......................... 514.1 Ableitung relevanter Fertigungsherausforderungen ...................................... 514.2 Experimentelle Randbedingungen ................................................................. 534.3 Klassifizierung der Oberflächenrauheit ......................................................... 544.4 Freie Überhangsektionen ............................................................................... 584.5 Einflussgrößen auf die Maßgenauigkeit ........................................................ 61

4.5.1 Positionierung auf der Bauplattform .............................................. 61

viii Inhaltsverzeichnis

4.5.2 Bauteildimensionen in Schichtebene und Orientierung zum Beschichter .................................................................................... 64

4.5.3 Bauteilhöhe .................................................................................... 714.5.4 Bauteilausrichtung zur Bauplattform ............................................. 75

4.6 Bohrungen ..................................................................................................... 774.7 Spaltabmessungen ......................................................................................... 804.8 Untersuchungen zum Schrumpfungsverhalten .............................................. 81

4.8.1 Einfluss von Materialanhäufungen ................................................. 824.8.2 Einfluss von Strukturübergängen ................................................... 884.8.3 Stabilitätssteigerung von Strukturübergängen ................................ 93

4.9 Dünne Wandungen ........................................................................................ 954.9.1 Grundlagenversuche ....................................................................... 964.9.2 Grundlegende Festigkeitscharakteristika ...................................... 1054.9.3 Einfluss der Probenhöhe ............................................................... 1094.9.4 Einfluss der Probenlänge .............................................................. 1174.9.5 Einfluss der Probenausrichtung .................................................... 1234.9.6 Maßnahmen zur Stabilitätssteigerung .......................................... 125

4.10 Hohl- und Rohrstrukturen ............................................................................ 1294.10.1 Grundlagenversuche ..................................................................... 1294.10.2 Einfluss der Geometrieparameter ................................................. 1354.10.3 Einfluss der Probenausrichtung .................................................... 1404.10.4 Überhangsektionen ....................................................................... 143

4.11 Balkenelemente ........................................................................................... 1464.12 Weitergehende Richtlinien .......................................................................... 147

4.12.1 Anbindung zur Bauplattform........................................................ 1474.12.2 Supportstrukturen ......................................................................... 1484.12.3 Anmerkungen zur Bauteilendbearbeitung .................................... 149

5 Konstruktionskatalog für LAM-Leichtbaustrukturen aus TiAl6V4 ............... 1515.1 Grundlegender Aufbau ................................................................................ 1515.2 Konstruktionskatalog für Leichtbaustrukturen aus TiAl6V4 ....................... 154

6 Entwicklung einer Methodik zur Bauteilgestaltung .......................................... 1676.1 Ziele der Methodik ...................................................................................... 1676.2 Entwicklung eines übergeordneten Phasenmodells ..................................... 168

6.2.1 Planungs- und Vorbereitungsphase .............................................. 1696.2.2 Gestaltungsphase .......................................................................... 1706.2.3 Herstellungsphase ........................................................................ 1716.2.4 Phase der Systemintegration und Ausarbeitung ........................... 1726.2.5 Anwendung des Phasenmodells ................................................... 173

6.3 Entwicklung eines Kostenmodells für die laseradditive Fertigung.............. 1746.3.1 Gliederung des Kostenmodells ..................................................... 1746.3.2 Berechnung der Bauteilstückkosten ............................................. 176

Inhaltsverzeichnis ix

6.3.3 Vorgehensorientierte Anpassung des Kostenmodells .................. 1786.4 Ausarbeitung der übergeordneten Phasen anhand eines Beispielbauteils .... 181

6.4.1 Planung und Vorbereitung - Randbedingungen und Anforderungen klären ........................................................................................... 181

6.4.2 Planung und Vorbereitung technisch-wirtschaftliche Bewertung I ................................................................................. 188

6.4.3 Gestaltung - rechnergestützte Topologieoptimierung .................. 2006.4.4 Gestaltung - Modellierung, Synthese und Berechnung ................ 2096.4.5 Gestaltung technisch-wirtschaftliche Bewertung II .................. 2186.4.6 Herstellung Fertigungsvorbereitung .......................................... 2216.4.7 Laseradditive Fertigung, Systemintegration und Ausarbeitung .. 224

6.5 Integration der Gestaltungsrichtlinie in die Methodik ................................. 2256.6 Erweiterung der Visualisierung zur Unterstützung der Anwendung ........... 229

7 Methodikanwendung an einem Demonstrator ................................................... 2317.1 Planung und Vorbereitung ........................................................................... 2317.2 Gestaltung .................................................................................................... 2347.3 Fertigungsvorbereitung und Fertigung ........................................................ 2397.4 Mechanische Tests und Systemintegration .................................................. 240

8 Zusammenfassung und Ausblick ......................................................................... 243

9 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 247

A Anhang ................................................................................................................... 255A.1 Die übergeordneten Phasen der Methodik ................................................... 255A.2 Kostenmodell ............................................................................................... 256A.3 Methodik zur Bauteilkonstruktion ............................................................... 257A.4 Anforderungsliste Eingangshebel ............................................................. 261A.5 Curriculum Vitae ......................................................................................... 262

Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis xi

Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis Lateinische Symbole

Symbol Beschreibung Einheit

A Bruchdehnung %

AT Abtrennkosten

BP Bauprozesskosten

C Nachgiebigkeit mm/N

Co Betriebskostenrate /h

Ci Arbeitsstundenlohn bei Tätigkeit i /h

Cm gewichtsbezogene Materialkosten /kg

Cl Arbeitslohn /h

Cw gewichtete Nachgiebigkeit mm/N

Da Außendurchmesser mm

Di Innendurchmesser mm

Dm mittlerer Außendurchmesser des Hohlzylinders mm

Do oberer Außendurchmesser des Hohlzylinders mm

Du unterer Außendurchmesser des Hohlzylinders mm

DR,soll Außensolldurchmesser des Hohlzylinders mm

Ds Schichtdicke

EB Endbearbeitungskosten

E E-Modul MPa

E-Modul des massiven homogenen Materials MPa

dem Element i zugewiesener E-Modul MPa

EL Streckenenergie J/m

F Fertigungskosten

Ffw FCRC - Lastfall 1 forward N

Frw FCRC - Lastfall 2 rearward N

G Schubmodul MPa

H Bauteilhöhe mm

xii Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis

Lateinische Symbole


HMÜ Höhe der Materialübergangsprobe mm

K Herstellkosten des Bauteils

Energiekosten

Gaskosten

Maschinenanschaffungskosten

Investitionskosten Anlage

Investitionskosten Filter

Service- und Wartungskosten

Raumkosten

sonstige Verbrauchsmittel

L Wandungslänge mm

Li Lohnkosten der Tätigkeit i

M Materialkosten des Bauprozesses

N Anzahl der Bauteile pro Bauprozess

NB Nachbearbeitungskosten

O Betriebskosten der Maschine

P Abschreibung der Maschinenanschaffungskosten

PL Laserleistung W

prognostizierte Auslastung der Anlage h/Jahre

QS Qualitätssicherungskosten

Ra Mittenrauwert

Rmax maximale Rautiefe

Rm Zugfestigkeit MPa

RMÜ Radius der Materialübergangsprobe mm

Rp0,2 Streckgrenze MPa

Rz gemittelte Rautiefe

Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis xiii

Lateinische Symbole


Schmelzrate cm3/h

SE Kosten Supportentfernung

SV Spurversatz mm

T Temperatur K

Temperaturänderung K

Bauprozessdauer h

Beschichtungszeit s

Verzögerungszeit h

Arbeitszeit h

Dauer der Tätigkeit i h

Belichtungszeit s

V Volumen mm3

dV/dt Aufbaurate mm3/s

VB Vorbereitungskosten

vs Scangeschwindigkeit mm/s

WB Wärmebehandlungskosten

Wi Widerstandsmoment m3

Y Jahre

bÜ Überhangbreite mm

bMÜ Breite der Materialübergangsprobe mm

d Wandungsdicke mm

dj Wandstärke mm

dMÜ Wandstärke der Materialübergangsprobe mm

Zielfunktion

Ungleichheitsrestriktion

h Wandungshöhe mm

xiv Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis

Lateinische Symbole


hH Spurabstand mm

Gleichheitsrestriktion

kr Zuschlagsfaktor Pulverrückführung

ks Zuschlagsfaktor Supportvolumen

Längenänderung mm

Anfangslänge mm

lÜ Überhanglänge

nSÜ Anzahl der Schichten an Strukturübergang

ks Zuschlagsfaktor Supports

Strafexponent

Beschichtungszeit s

Verzögerungsdauer s

Abschreibungsdauer - Anlage Jahre

Abschreibungsdauer - Filter h

Designvariable

explizite Restriktion untere Grenze

explizite Restriktion obere Grenze

s Anzahl der zu belichtenden Schichten

tF Gesamtfertigungszeit h

tn Dauer einer Beschichtung s

ts Beschichtungszeit h

tÜ Überhangtiefe mm

Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis xv

Griechische Symbole


Winkelausrichtung zum Beschichter °

A linearer Ausdehnungskoeffizient 1/K

MÜ Fasenwinkel am Materialübergang °

Winkelausrichtung zur Bauplattform °

O Oberflächenorientierung - Oberseite °

U Oberflächenorientierung - Unterseite °

Ü Überhangwinkel °

Wärmeleitfähigkeit W/(mK)

Füllgrad

Füllgradrestriktion untere Grenze

Dichte g/cm3

Dichte des massiven homogenen Materials g/cm3

Dem Element i zugewiesene Dichte g/cm3

Spannung MPa

Abkürzungen

3D dreidimensional

AB Ausgangsbauteil

ABS Aufbaustrategie

AI AIRBUS Industries

BEP Break-Even-Point

CAD Computer Aided Design

CAO Computer Aided Optimization

DFF Design for Function

DFM Design for Manufacturing

DFA Design for Assembly

DFAM Design for Additive Manufacturing

DFMA Design for Manufacturing and Assembly

xvi Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungen

DFC Design for Cost

DIN Deutsches Institut für Normung

DOE Design of Experiments

DR Design-Raum

DVa Designvariante

DVo Designvorschlag

EN Europäische Norm

FCRC Flight Crew Rest Compartment

FEM Finite Elemente Methode

FV Funktionsvolumen

HM Hypermesh

HPDC High Pressure Die Casting

HW Hyperworks

LAM Laser Additive Manufacturing

LV Linking Volumes

M Mitte

MD Manufacturing Direction

MR Messrichtung

MVM Münchener Vorgehensmodell

OL oben links

OR oben rechts

PDCA Plan-Do-Check-Act

RBE Rigid Body Element

RE Reverse-Engineering

SIMP Solid Isotropic Material with Penalization

SLM Selective Laser Melting

SPC Single Point Constraints

SKO Soft-Kill-Option

STEP Standard for the exchange of product model data

STL Surface Tesselation Language

Nomenklatur und Abkürzungsverzeichnis xvii

Abkürzungen

TGM Temperature Gradient Mechanism

TH Threshold

TOTE Test-Operate-Test-Exit

UL unten links

UR unten rechts

VDI Verein Deutscher Ingenieure

volfrac Volume Fraction

YAG Yttrium-Aluminium-Granat

Yb Ytterbium

1 Einleitung 1

1 Einleitung Viele Industriesektoren sind heute mit stetig steigenden Rohstoffpreisen konfrontiert. Erhöhte Herstellungs- und Betriebskosten der Produkte können die Folge sein. Eine Reduktion von Material- und Energieverbräuchen kann zu entsprechenden Wettbe-werbsvorteilen führen. Vor allem im Bereich der Luftfahrtindustrie werden vor diesem Hintergrund gegenwärtig verschiedene Ansätze des Form-, Stoff- sowie Fertigungs-leichtbaus verfolgt, um weiteres Potenzial für Gewichtseinsparungen umzusetzen und so beispielsweise höhere Nutzlasten und einen geringeren spezifischen Energieverbrauch pro Passagier oder Frachteinheit realisieren zu können. Geringere Betriebskosten und eine höhere Wirtschaftlichkeit für die Betreiber der Flugzeuge sind die Folge [DeG06a, DeG06b, Emm11b, Emm11c, Emm13b, Kau13].

Softwareprogrammen zur Strukturoptimierung, speziell der Topologieoptimierung, kommt in diesem Umfeld eine besondere Bedeutung zu. Mit diesen ist es möglich, durch numerische Berechnungen belastungsgerechte Strukturen und damit neue Ansätze für leichtbaugerechte Konstruktionen zu erhalten. Obgleich eine belastungsgerechte Gestal-tung das Ergebnis der Softwareanwendung ist, liefern die im Rahmen dieser Entwick-lung verwendeten Computerprogramme zur Strukturoptimierung meist hochkomplexe Ergebnisgeometrien. Eine direkte Fertigung ist bislang aufgrund der Fertigungsrestrikti-onen konventioneller Verfahren, wie etwa der spanenden Fertigung oder dem Schmie-den, oftmals gar nicht bzw. nicht ohne die Leichtbaugüte beeinträchtigende Adaptionen möglich. Überdies bedeutet die Nutzung derartig optimierter Strukturen in der Luftfahrt-industrie für den Flugzeughersteller, speziell im Kabinenumfeld, einen Trend weg von Standardelementen hin zu beanspruchungsgerechten Sonderanfertigungen und einer erhöhten Variantenanzahl in der Teilepalette. Reduzierte Stückzahlen sind oftmals eben-so die Folge. Die konventionelle Fertigung kann dadurch technisch anspruchsvoller und kostenintensiver werden.

Dementsprechend ist ein Fertigungsverfahren notwendig, welches es ermöglicht, flexibel und ressourcenschonend vielfältige Produktvarianten mit hoher Formkomplexität herzu-stellen. Eine Möglichkeit, dieser Herausforderung zu begegnen, stellt die laseradditive Fertigung dar, bei der es sich um ein laserbasiertes, urformendes Fertigungsverfahren handelt. Bedingt durch den schichtweisen Bauteilaufbau erfolgt bei der laseradditiven Fertigung von Funktionsbauteilen eine Überführung von komplexen dreidimensionalen (3D) Geometrien in einfachere zweidimensionale (2D) Fertigungsschritte. Daraus ergibt sich eine gegenüber vielen konventionellen Fertigungsverfahren höhere geometrische Gestaltungsfreiheit für das Endprodukt. Überdies sind die Fertigungskosten primär vom Bauteilvolumen und nicht der Bauteilstruktur abhängig. Das werkzeuglose Prinzip der laseradditiven Fertigung ermöglicht es dem Unternehmen darüber hinaus eine Produkt-palette hoher Variantenvielfalt bei minimalen Fertigungszeiten zu etablieren. Auch kon-ventionell schwer zu verarbeitende Materialien, wie beispielsweise Titan, können durch die Möglichkeit zur endkonturnahen Fertigung oftmals kostengünstiger verarbeitet wer-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017J. Kranz, Methodik und Richtlinien für die Konstruktion vonlaseradditiv gefertigten Leichtbaustrukturen, Light Engineeringfür die Praxis, DOI 10.1007/978-3-662-55339-8_1

2 1 Einleitung

den. Gerade für Leichtbauanwendungen stellt die laseradditive Fertigung somit ein viel-versprechendes Fertigungsverfahren dar.

Wenngleich erfolgsversprechend, so ist der Einsatz der laseradditiven Fertigung in der Praxis, besonders bei Leichtbauanwendungen, gegenwärtig noch mit Hindernissen be-haftet. Bedingt durch die Verfahrensneuheit sind umfassende Gestaltungsrichtlinien für die laseradditive Fertigung von metallischen Werkstoffen, beispielsweise der Leichtbau-legierung TiAl6V4, bislang noch nicht in vergleichbarem Maße wie für konventionelle und etablierte Fertigungsverfahren erschlossen. Ebenso ist die Produktgestaltung oftmals noch von konventionellen Gestaltungsparadigmen geprägt. Aufwendige Iterationsschlei-fen bis zu einer fertigungsgerechten Bauteilgestalt und einem stabilen Produktionspro-zess sind oftmals die Folge. Das gestalterische Verfahrenspotential wird dadurch oft nur ungenügend ausgenutzt.

Ziel der Arbeit ist es, vor diesem Hintergrund mit dem Fokus auf Leichtbaustrukturen für die Luftfahrtindustrie, zunächst Richtlinien zur fertigungsgerechten Bauteilkonstruk-tion zu erarbeiten. Dabei gilt es, den Nutzer bei einer hinsichtlich des Fertigungsprozes-ses robusten Bauteilgestaltung zu unterstützen. Daran anknüpfend wird eine Methodik entwickelt, welche die Topologieoptimierung und die fertigungsgerechte Gestaltung von laseradditiv zu fertigenden Leichtbaustrukturen unter Berücksichtigung technisch-wirtschaftlicher Faktoren verbindet. Es soll eine möglichst effiziente Entwicklung von optimierten und gleichzeitig verfahrensgerechten Leichtbaustrukturen unterstützt wer-den. Durch die Integration von Richtlinien zur fertigungsgerechten Gestaltung soll einer-seits das hohe Gestaltungspotential für eine Umsetzung von Optimierungsergebnissen ausgenutzt und andererseits ein robuster Bauprozess sowie eine den Anforderungen entsprechende Bauteilqualität gewährleistet werden.

Zunächst erfolgt im Rahmen des Stands der Technik die Zusammenfassung der Grund-lagen der laseradditiven Fertigung sowie der methodischen Produktentwicklung. Nach der Zusammenstellung der Strategien und Prinzipien des Leichtbaus folgt ein Überblick über die grundlegenden Zusammenhänge der Struktur-, insbesondere Topologieoptimie-rung, der Grundlagen der gestaltungsbegleitenden Kostenbetrachtung sowie die Darle-gung der zugrunde liegenden methodischen Herangehensweise der vorliegenden Arbeit. Nach der Beschreibung sowie Analyse der zur Erstellung von Fertigungsrichtlinien not-wendigen Versuche folgt die Darstellung der darauf basierenden Richtlinien zur ferti-gungsgerechten Bauteilgestaltung. Daran anknüpfend wird eine Methodik zur ferti-gungsgerechten Konstruktion für die laseradditive Fertigung anhand eines Demonstra-torbauteils entwickelt und erläutert. Im Anschluss erfolgt die Beschreibung eines bereits zur Anwendung gekommenen und mittels Methodik erstellten Demonstratorbauteils aus der Luftfahrtindustrie. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem ab-schließenden Ausblick.

2 Stand der Technik 3

2 Stand der Technik Dieses Kapitel dient der Darstellung des für die vorliegende Arbeit relevanten Stands der Technik. Im Rahmen der Zusammenfassung der Grundlagen der methodischen Produkt-entwicklung erfolgt zunächst die Darstellung der grundlegenden Zusammenhänge von Produktentwicklungsmethoden sowie der Gestaltung von Bauteilen. Daran anknüpfend wird die laseradditive Fertigung erörtert. Dabei werden insbesondere Verfahrensgrund-lagen, verfahrenstypische Eigenheiten sowie grundlegende Ansätze für die fertigungsge-rechte Gestaltung zusammengefasst. Es folgt eine Betrachtung der im Leichtbau ange-wendeten Konstruktionsstrategien und Prinzipien. Nach den Grundlagen der Strukturop-timierung, insbesondere der Topologieoptimierung, und ihrer Integration in den Kon-struktionsprozess schließt das Kapitel mit der Zusammenfassung der wichtigsten Zu-sammenhänge der gestaltungsbegleitenden Kostenbetrachtung.

2.1 Grundlagen der methodischen Produktentwicklung Die zentrale Aufgabe des Ingenieurs im Rahmen der Produktentwicklung ist das Entwi-ckeln von Lösungen für technische Probleme. Dabei stützt er sich u.a. auf bereits ge-wonnene Erkenntnisse und berücksichtigt bestimmte Anforderungen und Einschränkun-gen [Pah07]. Ein kompliziertes und vielschichtiges Vorgehen ist oft die Folge. Im Er-gebnis beinhaltet dieses Vorgehen oft Entscheidungen, die den Erfolg eines Produktes maßgeblich bestimmen können. Ein methodisches Vorgehen kann daher dabei helfen, Denkprozesse zu fördern, um die Intuition, Phantasie und Kreativität des Ingenieurs zielgerichtet auf das vorhandene Problem zu lenken.

Die Ideen, Kenntnisse und Fähigkeiten des Entwicklungsingenieurs bestimmen u.a. maßgeblich die technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Eigenschaften des Pro-dukts. Die frühzeitige und zielgerichtete Identifikation von Lösungen für Probleme im Rahmen der Produktentwicklung kann dazu beitragen, iterative Produktanpassungen und kostenintensive Adaptionen zu vermeiden. Vor diesem Hintergrund ist die erfolgreiche Durchführung von Problemlösungsprozessen durch die Anwendung der methodischen Produktentwicklung von besonderer Bedeutung [Pah07].

Im Rahmen dieses Abschnitts Methodikerläutert. Nach einer kurzen Abhandlung des Auflösungsgrades des Produktentwick-lungsprozesses werden bekannte Produktentwicklungsmethoden vorgestellt. Abge-schlossen wird dieser Abschnitt mit einem Blick auf die Grundlagen der Gestaltung und einer kurzen Einführung in das fertigungsgerechte Gestalten.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017J. Kranz, Methodik und Richtlinien für die Konstruktion vonlaseradditiv gefertigten Leichtbaustrukturen, Light Engineeringfür die Praxis, DOI 10.1007/978-3-662-55339-8_2

4 2 Stand der Technik

2.1.1 Definition von Methode und Methodik Methoden werden innerhalb des Produktentwicklungsprozesses eingesetzt, um einzelne Schritte zielgerichtet und effizient durchzuführen. Eine Methode beschreibt ein regelba-siertes und planmäßiges Vorgehen, nach dessen Vorgabe bestimmte Tätigkeiten auszu-führen sind, um ein gewisses Ziel zu erreichen. Überdies ist eine Methode zielorientiert auf die Lösung eines Problems oder Aufgabenstellung fokussiert. Methoden bieten Vor-schläge für die Abfolge bestimmter Tätigkeiten an und die Art und Weise, in der diese Tätigkeiten durchzuführen sind [Ehr07, Lin05, Nae09, Pon08].

Eine einzelne Methode kann auch aus einer Kombination und Zusammenfassung ver-schiedener Einzelmethoden bestehen. Für derartige Methodenkombinationen wird oft der Begriff Methodik verwendet [Ehr07, Pon08]. Methoden dienen in diesem Sinne als Hilfsmittel, um die Komplexität der Sachverhalte besser handhaben zu können. Mit ihrer Hilfe können komplexe Probleme in überschaubare Teilprobleme heruntergebrochen werden, Handlungsschwerpunkte und Zielkonflikte einfacher erkannt und herausgearbei-tet werden. Des Weiteren können Methoden auch dazu beitragen, Denkbarrieren zu überwinden und die für den Entwicklungsprozess notwendige Kreativität zu fördern [Ehr07, Lin05, Pon08].

2.1.2 Auflösungsgrad von Produktentwicklungsprozessen Entwicklungsprozesse können je nach Anwendungsfall sehr umfangreich und komplex ausfallen. Daher ist es häufig sinnvoll, die Abläufe der Entwicklung in einzelne logisch abgrenzbare Abschnitte zu unterteilen. Eine wichtige Rolle spielt hier der Auflösungs-grad der Betrachtung. Abbildung 2.1 fasst die typischen Auflösungsgrade des Produkt-entwicklungsprozesses zusammen. Bei der Prozessbetrachtung auf Ebene der elementa-ren Handlungs- und Denkabläufe handelt es sich um Zyklen aus Analyse, Synthese und Bewertung, die sich in kürzester Zeit im Gehirn des Entwicklers abspielen [Lin05].

Abbildung 2.1 Auflösungsgrade des Produktentwicklungsprozesses; nach [Lin05]

Daneben ist eine Betrachtung auf der nächst höheren Ebene der operativen Arbeitsschrit-te möglich. Ein Beispiel ist das Münchener Vorgehensmodell (MVM) nach Lindemann et al. [Lin05], welches unter anderen auf Grundlage der erwähnten elementaren Hand-lungsmodelle entwickelt wurde. Die Ebene der Phasen beinhaltet größere Arbeitsschrit-te. Als Beispiel kann die in Abschnitt 2.1.3 erläuterte VDI-Richtlinie [VDI2221] ange-führt werden. Ein niedriger Auflösungsgrad auf der Ebene des Gesamtprojektes hilft

MikrologikMakrologik

elementare Handlungsabläufe

operativeArbeitsschritte

MeilensteineGesamtprojekt

PhasenArbeitsabschnitte


schließlich dabei, komplexe Prozesse übersichtlich darzustellen. Die Grenzen zwischen den Stufen sind allerdings fließend und manche Modelle können auf verschiedenen Ebe-nen angewendet werden [Lin05].

Zu Beginn eines tatsächlichen Produktentwicklungsprojektes kann der gesamte Prozess unmöglich mithilfe von Visualisierungsansätzen im Detail vorausgeplant werden. Das Vorgehen hängt oftmals von spezifischen Rahmenbedingungen und von Zwischenergeb-nissen ab, sodass sich trotz ähnlicher Aufgabenstellung unterschiedliche Entwicklungssi-tuationen ergeben. Einflussfaktoren wie die Art und Komplexität des zu entwickelnden Produktes, die zur Verfügung stehende Zeit, vorhandene Ressourcen, der Mensch und viele weitere Faktoren spielen hierbei eine maßgebliche Rolle [Lin05, Pah07].

2.1.3 Produktentwicklungsmethoden und -ansätze Die VDI-Richtlinie 2221 [VDI2221] schlägt ein Phasenmodell zur Entwicklung und Konstruktion technischer Produkte vor. Sie beinhaltet vier Phasen (Planen, Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten), denen insgesamt sieben Schritte zugeordnet werden. In Abbil-dung 2.2 ist der allgemeine Ablauf dargestellt. Schritt eins umfasst das Klären und Prä-zisieren der Aufgabenstellung. Neben einer technischen Definition und Strukturierung der Aufgabe werden in diesem Schritt die erforderlichen Anforderungen geklärt und in einer Anforderungsliste festgehalten. Die Definition der Anforderungen sollte vollstän-dig, genau, relevant, unabhängig von spezifischen Lösungen und richtig sein. Jedoch ist es in der Praxis häufig der Fall, dass zu Beginn eines Entwicklungsprojektes nicht sämt-liche Anforderungen zur Verfügung stehen. Daher müssen die Anforderungen sowie auch die Aufgabenstellung über alle Phasen hinweg hinterfragt und ggf. präzisiert wer-den.


Abbildung 2.2 VDI-Richtlinie für die Entwicklung und Konstruktion technischer Produkte; nach [VDI2221]

In Schritt zwei erfolgt die prinzipielle Festlegung der Funktionen und deren Strukturen. Dabei wird das Produkt durch Gesamt- und Teilfunktion beschrieben. Nach einer Klassi-fizierung und Strukturierung ist das Ergebnis eine Funktionsstruktur des Produktes. Im dritten Schritt wird nach Prinzipien und realisierbaren Wirkelementen für jede Teilfunk-tion gesucht. Das Ergebnis sind Prinziplösungen als Kombination der Wirkelemente in Form von Skizzen und Beschreibungen. In Schritt vier erfolgt eine mögliche Gliederung in Module (Modulare Strukturen), welche in Schritt fünf entsprechend ausgestaltet wer-den. Dies umfasst den Vorentwurf sämtlicher Komponenten des Produktes in Form von Skizzen, Zeichnungen oder Beschreibungen. Die Vorentwürfe werden in Schritt sechs unter Berücksichtigung des Gesamtproduktes detailliert ausgearbeitet (Gesamtentwurf). Mit inbegriffen sind hier ebenfalls das Vorbereiten und Durchführen von Tests und Er-probungen von Bauteilen sowie des Gesamtsystems. Im letzten Schritt erfolgt die Erstel-lung der Produktdokumentation, was die Erstellung von Fertigungsunterlagen und Nut-zungsinformationen beinhaltet [VDI2221].

Zur Unterstützung der Anwendung von Methoden werden methodische Hilfs-Werkzeuge zur Verfügung gestellt. Beispiele hierfür sind unter anderem Rechenprogramme für die

Anforderungs-liste

Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung1

Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen2

Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen3

Gliederung in realisierbare Module4

Gestalten der maßgebenden Module5

Gestalten des gesamten Produktes6

Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben7

Planen

Konzipieren

Entw

erfen

Ausarbeiten

Funktions-strukturen

Prinzipielle Lösungen

Vorentwürfe

Modulare Strukturen

Gesamtentwurf

Produkt-dokumentation

Itera

tives

Vor

gehe

n

Weitere Realisierung

Aufgabe

Klären und P

räzisieren der Aufgabenstellung

Arbeitsergebnis Phasen


numerische Simulation, Kreativitätstechniken, Bewertungsmethoden oder auch Form-blätter und Checklisten [VDI2221]. Nach Pahl und Beitz [Pah07] kann oftmals erst durch die Verfügbarkeit gewisser Werkzeuge der Erfolg einer Methodenanwendung garantiert werden. Ähnliche, eng mit der VDI-Richtlinie verwandte bzw. daran ange-lehnte Ansätze, sind in der Fachliteratur der Konstruktionsmethodik zu finden [Pah07, Pon08, Kol98, Rod91].

Entwicklungsmethoden verfolgen in jedem Auflösungsgrad in der Regel einen kontinu-- -Ansatz) [Pul04]. Der

tatsächlichen Praxis entsprechend ist über alle Schritte stets ein iteratives Vorgehen vorgesehen. Ebenfalls sind eine parallele Bearbeitung sowie das Auslassen bestimmter Schritte üblich. Aus Abbildung 2.2 wird nicht ersichtlich, dass grundsätzlich in jedem Schritt Varianten erstellt, bewertet, ausgewählt und optimiert werden. Genauso ist die nach jedem Schritt folgende Entscheidungsphase in der Visualisierung des VDI-Standardablaufes nicht dargestellt, siehe Pahl und Beitz [Pah07]. Hierin wird jeweils der Übergang in die nächste Phase anhand einer technisch-wirtschaftlichen Bewertung ent-schieden.

Nach Pahl et al. [Pah07] ist die Produktentwicklung ein Informationsverarbeitungspro-zess, in dem Informationen nacheinander gewonnen, verarbeitet und ausgegeben werden. Daher ist es im Sinne des Informations-, Wissens-, und Kommunikationsmanagements wichtig, implizites Wissen durch geeignete Maßnahmen als explizites Wissen bereitzu-stellen [Krc05, Keu09]. Hierbei handelt es sich oftmals um Informationen, die über die reine Visualisierung nicht transportiert werden bzw. werden können. Daher schlägt der Ansatz nach Krause et al. [Kra13] eine visuell unterstützte Einbindung einer klar defi-nierten Zielstellung des Prozesses, von notwendigem Wissen, von Hinweisen zur Pro-zessdurchführung sowie von unterstützenden methodischen Hilfs-Werkzeugen vor.

Der vorgestellte methodische Produktentwicklungsansatz aus [VDI2221] legt den Fokus auf die Neuentwicklung technischer Produkte. Ein Großteil der Konstruktionsaufgaben sind jedoch keine Neukonstruktionen. Die anfallenden Konstruktionsaufgaben bestehen zu ca. 90 % aus Anpassungs- und Variantenkonstruktionen [Pah07, Ehr07]. Demnach wird bei der Entwicklung von Produkten oft seltener von einem Konzept, als einem bestehenden Ausgangsbauteil ausgegangen.

Der Ansatz des sogenannten Reverse-Engineering (RE) befasst nach der gängigen Auf-fassung im Wesentlichen mit der Rückführung von Geometriedaten aus einem physi-schen Bauteil und den dafür erforderlichen optischen und rechnergestützten Technolo-gien, sowie das Zurückverfolgen und Nachvollziehen von Entwicklungswegen einzelner Produkte mit einer Orientierung in Richtung einer angestrebten Neugestaltung [Ott98, Gho04, Pal06, Mon07, Raj08]. Meyer-Eschenbach et al. [Mey14] stellen in diesem Zu-sammenhang einen Leitfaden zur methodischen Weiterentwicklung von Bauteilen vor. Es werden die Projektschwerpunkte des Reverse-Engineering und des, wie eingangs beschrieben, entgegengesetzten Vorgehens (Forward-Engineering) gegenübergestellt.


Dabei wird herausgestellt, dass sich RE-Projekte durch die folgenden Punkte auszeich-nen [Mey14]:

Vorauswählen von Bauteilen oder Baugruppen anhand von Kriterien

Analysieren der Bauteile, Rahmenbedingungen und Systemumgebung und Klären von wichtigen Anforderungen sowie Abschätzen der Verbesse-rungspotenziale

Prüfen der Anwendbarkeit neuer Technologien für die Bauteilentwicklung und Auswählen von Bauteilen unter Beachtung von Nutzen und Entwick-lungsrisiko

Insbesondere die Analyse des Ausgangsbauteils, des Systems und ggf. der Systemumge-bung werden als wichtige Bestandteile des Leitfadens angesehen [Mey14]. Ausgehend von dem bestehenden Bauteil werden anschließend verschiedene Lösungsvarianten erar-beitet, wobei im Rahmen der Gestaltung neben einer methodischen Variantenbildung ebenfalls die Topologieoptimierung herangezogen werden kann, siehe Abschnitt 2.4. Aufgrund der Bauteilsubstitution muss eine anschließende Systemintegration der opti-mierten Bauteile berücksichtigt werden, da sich das Systemverhalten maßgeblich verän-dern kann. Erfüllt das Gesamtsystem nach Substitution einzelner Komponenten oder Bauteile nicht mehr die Anforderungen, so sind aufwendige und häufig sehr kostspielige Iterationsschritte erforderlich. Umso wichtiger ist daher eine sorgfältige Klärung der Anforderungen und Randbedingungen in den frühen Phasen der Entwicklung.

2.1.4 Grundlagen der Gestaltung Die Gestalt eines physischen Produktes setzt sich aus der Gesamtheit seiner geometrisch beschreibbaren Merkmale sowie seiner Werkstoffart und -charakteristika zusammen [Pon08]. Die Gestaltung ist Bestandteil der Entwurfsphase, siehe Abschnitt 2.1.3, und kann in der Regel als ein mehrmals zu durchlaufender Optimierungsprozess angesehen werden, bei dem in jedem Durchlauf überprüft werden muss, ob die Anforderungen erfüllt werden [Hab07].

Zur Unterstützung der Gestaltung werden sowohl Gestaltungsgrundregeln und -prinzipien als auch Gestaltungsrichtlinien angewendet. Dabei haben die den Richtlinien zu Grunde liegenden Gerechtigkeiten hinsichtlich der Gestaltung einen eher einschrän-kenden Charakter. Diese Gestaltungsrichtlinien helfen jedoch, den jeweiligen Hauptan-

werden [Pul04]. Gestaltungsprin-zipien stellen allgemeine Grundsätze dar, die der Optimierung eines Produktes dienen. In Abbildung 2.3 ist eine zusammenfassende Übersicht abgebildet. Ebenso spielen bran-chen- und unternehmensspezifische Konstruktionsgrundsätze sowie spezielle Sicher-heits-, Fertigungs- und Werksnormen eine wesentliche Rolle und müssen ggf. je nach Anwendungsfall bei der Gestaltung ebenso Berücksichtigung finden [Pah07].


Abbildung 1.3 Gestaltungsregeln, -prinzipien und richtlinien; nach [Pah07, Hab07, Kün03]

Während zu Anfang der Gestaltung eine Vordimensionierung und erste maßstäbliche Darstellungen zur Klärung der räumlichen Verträglichkeit im Vordergrund stehen, ge-winnen mit zunehmender Konkretisierung des Entwurfes Gesichtspunkte wie Herstel-lung, Montage, Gebrauch, Wartung und Entsorgung zunehmend an Bedeutung [Hab07]. Dieses vom Abstrakten zum Konkreten strukturierte Vorgehen entspricht dem allgemein typischen Vorgehen, welches die bekannten Produktentwicklungsmethoden vorgeben, vergleiche Abschnitt 2.1.3. Nach einer Phase der Grobgestaltung folgt üblicherweise eine Feingestaltungsphase. Dafür stehen verschiedene methodische Werkzeuge zur Ver-fügung. Neben der Gestaltvariation, die eng verwandt mit der GALFMOS-Methode ist, helfen z.B. der morphologische Kasten, Lösungs- und Konstruktionskataloge oder Krea-tivitätstechniken wie das Brainstorming [Lin05, Pah07, Pon08].

Im Rahmen jeder Gestaltung (insbesondere bei leichtbaugerechter Gestaltung) besteht fundamentale Zielkonflikt des Maschinenbaus [Pon08]. Aus Sicht der Strukturöko-

nomie müssen einerseits den geforderten Belastungen zuverlässig standgehalten werden. Andererseits soll das Produkt so massearm und kostengünstig wie möglich gestaltet sein. Hier sind insbesondere die Prinzipien der Kaskadierung, das Prinzip des kürzesten Kraft-flusses, siehe Abbildung 2.3, und eine belastungsgerechte Werkstoffwahl von Bedeutung [Pon08, Pah07].

Nach Pahl und Beitz [Pah07] kann der Gestaltungs- bzw. Entwurfsprozess sehr komplex sein. So müssen viele Tätigkeiten zeitlich parallel ausgeführt werden und manche Ar-beitsschritte sind auf höherer Informationsstufe im Sinne von Iterationsschritten zu wie-

Gestaltungsrichtlinien

eindeutig einfach sicher

Prinzip der direkten Kraftleitung

Gestaltungsgrundregeln

Gestaltungsprinzipien

Prinzip der Aufgabenteilung Prinzip der fehlerarmen Gestaltung

Prinzip der Stabilität und Bistabilität Prinzip der Selbsthilfe Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit

Prinzip d. abgestimmten Verformungen Prinzip der Sphärodalität ...

funktionsgerechte Gestaltung kraftflussgerechte Gestaltung beanspruchungsgerechte Gestaltung

werkstoffgerechte Gestaltung fertigungsgerechte Gestaltung normgerechte Gestaltung

recyclinggerechte Gestaltung montagegerechte Gestaltung ...


derholen. Ein strenger Ablaufplan des Entwerfens ist daher nur begrenzt aufstellbar. Demnach sollte die Definition eines prinzipiellen Vorgehensplans mit Hauptarbeits-schritten einer detaillierten Prozessbeschreibung vorgezogen werden.

2.1.5 Fertigungsgerechtes Gestalten - Design for Manufac-turing

Fertigungsgerechtes Gestalten (DFM Design For Manufacturing) strebt durch kon-struktive Maßnahmen eine Minimierung der Fertigungskosten und -zeiten sowie eine anforderungsgemäße Einhaltung fertigungsabhängiger Qualitätsmerkmale an. Demnach wird präventiv, d.h. in einer möglichst frühen Konstruktionsphase, durch Analyse und Optimierung von Produkten und Prozessen darauf abgezielt, Kosten und Aufwendungen zu reduzieren sowie die Qualität der Produkte zu verbessern bzw. abzusichern [Dfm01, Pah07].

Bei der Gestaltung müssen neben der reinen Funktionserfüllung (DFF Design For Function) also ebenso die Aspekte der Fertigung (DFM - Design For Manufacturing) und auch der Montage (DFA - Design For Assembly) berücksichtigt werden. Zusam-menfassen lassen sich diese drei Gesichtspunkte nach Shipulski [Shi07] insgesamt als kostengerechtes Gestalten (DFC Design For Costs), da eine Kostenreduktion das über-geordnete Ziel beider Ansätze darstellt, siehe auch Abschnitt 2.5.1.

Der Erfolg eines Entwicklungsprozesses kann anhand der Parameter Funktionserfüllung, Kosten- und Termineinhaltung (Qualität, Kosten und Zeit) gemessen werden [Ehr07]. Durch Berücksichtigen von Gestaltungsrichtlinien zur fertigungsgerechten Gestaltung wird, wie oben beschrieben, in erster Linie den Kosten und der Qualität Rechnung getra-gen. Zudem wird auch die Termineinhaltung (Zeit) positiv beeinflusst, da vorbeugend mögliche Iterationen während der Bauteilentwicklung vermieden werden können.

2.2 Grundlagen der Laseradditive Fertigung Die Gruppe der additiven Fertigungsverfahren ist gemäß DIN 8580 den urformenden Verfahren zuzuordnen. Aufgrund der Vielfalt der verfahrenstechnischen Varianten, vergleiche auch VDI 3404 Additive Fertigungsverfahren – Grundlagen, Begriffe, Ver-fahrensbeschreibungen [VDI07], wird sich im Folgenden auf das für diese Arbeit rele-vante Verfahren der laseradditiven Fertigung mit einem Fokus auf die Leichtbaulegie-rung TiAl6V4 beschränkt. Die laseradditive Fertigung selbst umfasst alle laserbasierten additiven Fertigungsprozesse. Gegenwärtig verarbeitbare Materialien sind den Gruppen der Polymere, Keramiken sowie Metalle zuzuordnen. Weitere Bezeichnungen und einge-tragene Warenzeichen des Verfahrens sind u.a. Direct Metal Laser Sintering, Selective Laser Melting (SLM), Laser Cusing, Laser Freeform Fabrication und Lasergenerieren [Emm13a, Zäh06, Geb07, Sch14]. Für eine umfassendere Übersicht sei an dieser Stelle u.a. auf [Geb07, Sch12, Woh13] verwiesen. Es folgt eine Übersicht über die Verfahrens-grundlagen, wesentlicher Einflussgrößen auf den Fertigungsprozess sowie der Grundla-


gen von im Prozess entstehender Eigenspannungen und dem Werkstoff TiAl6V4. Der Abschnitt schließt mit der Zusammenfassung bislang verfügbarer Ansätze für die ferti-gungsgerechte Konstruktion sowie die Bauteilgestaltung für die laseradditive Fertigung.

2.2.1 Verfahrensgrundlagen Die laseradditive Fertigung (auch Laser Additive Manufacturing bzw. LAM) stellt ein Verfahren zur schichtweisen, werkzeuglosen Bauteilfertigung direkt aus einkomponenti-gen Metallpulvern dar. Im Rahmen des Prozesses erfolgt eine nahezu direkte Umsetzung von 3D-CAD Daten in ein schichtweise aufgebautes, physisches Bauteil [Buc13, Geb07, Sch14, Zäh06].

Die verfahrensbedingte Zerlegung von komplexen dreidimensionalen Fertigungsaufga-ben in einfachere zweidimensionale Fertigungsschritte bedingt eine in der Regel gegen-über konventionellen Verfahren höhere geometrische Gestaltungsfreiheit. Insbesondere für Leichtbauanwendungen stellt dies ein großes Potential dar [Bur03, Emm11a, Emm11b, Emm11c, Emm13a, Kra14, Kra15]. Geometrie und Stoffeigenschaften werden seitens des Werkstücks im Prozess geschaffen. Die Fertigung selbst erfolgt werkzeuglos [Buc13, Geb07, Kru05b, Sch14].

Entsprechend Abbildung 2.4 dient als Ausgangsbasis für die Fertigung das Bauteilmo-dell eines 3D-CAD-Systems im STL-Format, anhand dessen die Bauteilausrichtung im Bauraum erfolgt. Grundlage des STL-Formates ist die Beschreibung und Approximation einer Bauteiloberfläche mittels Dreiecksfacetten. Je nach Fertigungsaufgabe ist die An-ordnung mehrerer Bauteile im Bauraum möglich [Geb07, Zäh06].

Abbildung 2.4 Verfahrensablauf der laseradditiven Fertigung; nach [Lei04]

Slicen 3D-CADPulverschicht

auftragen

Belichten

Absenken

Bauteilentnehmen

SchieberHubtisch

ScannerBauteil


Daran anschließend können der vorliegenden Geometrie bei Überhängen automatisch Supportstrukturen, auch Stützstrukturen genannt, aus feinen Gitterelementen hinzugefügt werden, siehe Abbildung 2.5, um hauptsächlich zwei Problemen entgegenzuwirken [Ove03, Zäh06].

Abbildung 2.5 Supportstrukturen bei einem Überhang und einer Bohrung [Cas05]

Zum einen können bei großen Überhängen durch die schlechte Stützwirkung des Pulvers bedingte Fehler im Bauteilaufbau entstehen, da die aufgeschmolzene Bauteilschicht in die darunter liegenden Pulverschichten fließen kann. Zum anderen führen Temperatur-gradienten zwischen der Strahl-Stoff-Wechselwirkungsstelle und den umgebenden be-reits aufgeschmolzenen Bereichen beim Abkühlvorgang zu unterschiedlichen Schwin-dungen und damit Eigenspannungen. Die Folge können eine Verringerung der Formsta-bilität während des Abkühlungsvorgangs, ein Bauteilverzug und das Ablösen einzelner Schichten sein. Letzteres kann zu einer Kollision des Schiebers, siehe Abbildung 2.4, mit der obersten Bauteilschicht und einer Beschädigung des Bauteils führen. Entsprechend platzierte Supportstrukturen können diese Effekte minimieren [Geb07, Ove03, Zäh06]. Anschließend wird das Bauteil in die für das Verfahren typischen Schichten unterteilt,

et wird. Nach der Definition der Prozessparameter, sie-he Abschnitt 2.2.2, erfolgt anschließend die eigentliche Fertigung des Bauteils.

Die Bauteilfertigung wird auf einer mit dem Hubtisch verbundenen Bauplattform durch-geführt. Diese fixiert das Bauteil und kann bei Hybridbauteilen in die Bauteilstruktur integriert sein. Zu Beginn wird der Hubtisch zunächst um die Schichtdicke abgesenkt und mittels Nivellier- und Pulverauftragssystem eine ebene Pulverschicht aufgetragen. Daran anschließend wird das Metallpulver durch die Laser-Scanner-Einheit belichtet und entsprechend der Daten aus dem Slice-Prozess vollständig aufgeschmolzen. Dazu finden in der Regel Yb-Faserlaser mit Leistungen von 200-1000 W und Fokusdurchmes-sern von 50 500 m Verwendung [Woh13]. Typische Aufbauraten liegen je nach Werkstoff und Anlagentechnik mit einem Laser zwischen 2 und 20 cm3/h [Aum08, Con08, EOS08]. Die Erstarrung der Schmelze erfolgt durch Wärmeleitung. Eine Inertisierung der Prozesskammer dient der Reduktion der Metallschmelzenoxidati-on und eine Beheizung des Bauraums zur Verringerung der Temperaturgradienten beim Abkühlen und damit der Verringerung der Eigenspannungen [Geb07, Kru05]. Typische gegenwärtig verfügbare Abmessungen für pulverbettbasierte Maschinenkonzepte liegen

Supportstruktur

Brückenstruktur

methodik und richtlinien für die konstruktion von laseradditiv … · 2017. 7. 8. · viele...

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