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Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Engineering von mechatronischen Baugruppen für die additive Fertigung

Als Reaktion auf den wachsenden Einfluss der Mechatronik auf die Industrie ist die additive Fertigung inzwischen so weit entwickelt, dass sie dazu in der Lage ist, die Bedürfnisse von räumlichen, hoch- integrierten und interdisziplinären Baugruppen zu erfüllen. In Form eines hybriden, rein additiven Fertigungsprozesses können sowohl mechanische Substratkörper, elektrisch leitfähige Strukturen, sowie Inlets, die während des Fertigungsprozesses integriert werden, in einem einzigen Prozess zu einer Baugruppe kombiniert werden. Um diesen neuartigen Engineeringprozess zu unterstützen, werden innovative Ansätze und Werkzeuge der Konstruktionsmethodik vorgestellt.


1 Einleitung und Motivation

Für produzierende Unternehmen sind mechatronische Systeme das interessanteste Anwendungsfeld der kundenindividuellen Massenproduktion [1]. Mechanische Systeme werden durch eingebettete Elektronik und Software zu synergetischen Baugruppen transformiert, die sich durch eine hohe räumliche sowie funktionale Integrationstiefe auszeichnen. Die Automobilindustrie fungiert als Triebfeder und Indikator für den Trend zur Mechatronik, da bei einem neuen Automobil bereits 30 % der Herstellungskosten und 90 % aller Innovationen auf mechatronische Systeme entfallen [2]. Die entsprechend hohe Marktnachfrage nach hochintegrierten, mechatronischen Baugruppen steht im Widerspruch zu verfügbaren Fertigungsmethoden und Engineering-Werkzeugen.

1.1 Prinzipielle Modellierung mechatronischer Baugruppen

Bild 1 Prinzipielles Vorgehen bei der Erstellung eines virtuellen Produktmodells im Rahmen der MID-Technologie. Vordergründig ist hier die Verschmelzung zu einem integrierten Modell, indem ein 2D-ECAD-Layout auf die dreidimensionale Oberfläche einer 3D-MCAD-Konstruktion projiziert wird.

Bild 1
Prinzipielles Vorgehen bei der Erstellung eines virtuellen Produktmodells im Rahmen der MID-Technologie. Vordergründig ist hier die Verschmelzung zu einem integrierten Modell, indem ein 2D-ECAD-Layout auf die dreidimensionale Oberfläche einer 3D-MCAD-Konstruktion projiziert wird.

Als Reaktion auf diese Diskrepanz haben sich neben den etablierten Verfahren der Elektronikfertigung zunächst Technologien wie die spritz- gegossenen Schaltungsträger herauskristallisiert, die unter anderem im Zweikomponentenspritzguss oder mittels Laser-Direkt-Strukturierung hergestellt werden können. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie auf einem entsprechenden Substratkörper elektrisch leitfähige Strukturen, sowie aktive und passive Bauelemente auf einer dreidimensionalen Oberfläche kombinieren. Der abstrahierte Engineering- Prozess für die sogenannten Molded Interconnect Devices (MID) ist in Bild 1 visualisiert und vermittelt bereits einen Eindruck über die integrative Vorgehensweise bei der Erstellung eines virtuellen Modells.

1.2 Additive Fertigung mechatronischer Baugruppen

KA 604 Zeitler Bild 2.tif

Bild 2
Visualisierung des hybriden Voxel8- Prozesses. In der oberen Hälfte werden beide Fertigungseinheiten in ihrem gemeinsamen Maschinenrahmen dargestellt. In der unteren Hälfte werden die Düsen der jeweiligen Extruder beziehungsweise Dispens-Einheiten gegenübergestellt.

Parallel dazu stehen der additiven Fertigung durch die jüngsten Entwicklungen gänzlich neue Freiheiten in der Gestaltung und Produktion von volumetrischen Körpern zur Verfügung. Funktionsintegration, komplexe Geometrien und Individualisierung sind die Ursachen für die Notwendigkeit von additiven Fertigungsverfahren, welche Hand in Hand mit den Anforderungen an mechatronische Baugruppen gehen [4].
Mit dem im Bild 2 dargestellten Voxel8-Verfahren, das in einem rein additiven Hybridprozess sowohl den mechanischen Substratkörper mittels Fused Deposition Modeling (FDM), als auch räumliche, elektrisch leitfähige Leiterbahnen simultan anhand einer Ink-Jet-Einheit fertigen, sowie (FDM)-Inlets während des Fertigungsprozesses integrieren kann, eröffnen sich gänzlich neue Wege zur Fertigung mechatronischer Baugruppen.
Dieser innovative Fertigungsprozess geht damit gegenüber den MIDs noch einen entscheidenden Schritt weiter in Richtung räumlicher Leiterbahn- integration, da bei seinem Produkt-entwicklungsprozess (PEP) nicht nur eine ECAD-Netzliste auf eine dreidimensionale Oberfläche projiziert wird, sondern die Inlets sowie die Leiterbahnen räumlich in einem volumetrischen Substratkörper integriert werden können.

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Autoren

M. Sc. Jochen Zeitler

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

M. Sc. Nikolaus Urban

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

M. Sc. Cornelius Kühn

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke

Jahrgang 1964, Inhaber des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Egerlandstraße 7–9, 91058 Erlangen
Tel.: 0 91 31/85-2 89 72
E-Mail: jochen.zeitler@faps.fau.de
www.faps.fau.de

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