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Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Nutzbar machen, was denkbar ist


Die additive Fertigung versetzt uns in die Lage, faszinierende Konstruktionen mit einem hohen Maß an Funktionalität und Strukturleichtbau schnell und ohne Werkzeugkosten herzustellen. Während zunächst Prototypen als Basis für konventionell zu produzierende Bauteile gebaut wurden (Rapid Prototyping), erzeugen wir mittlerweile verwendungsfertige Bauteile – durch additive Verfahren direkt oder in Verbindung mit nachgelagerten Prozessen (Direct Manufacturing).
Das zwingt uns dazu, von der euphorischen Position „Mit 3D-Druck ist alles möglich“ abzurücken. Hintergrund ist, dass die Bauteilfunktionalität stark von der Qualität des Ausgangsmaterials, von den Prozessparametern während der Herstellung und insbesondere von der fertigungsgerechten Gestaltung abhängt. Hierzu werden seit einigen Jahren umfangreiche Forschungs- arbeiten durchgeführt. So sind mittlerweile VDI-Richtlinien entstanden, die Überlegungen zur Funktionsintegration oder Regeln zur fertigungsgerechten Gestaltung für additive Fertigungsverfahren beschreiben. Wir kommen also durch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit in Hochschulen und Unternehmen immer mehr zu dem „Prozess-sicher Machbaren“. Das führt dazu, dass die großen Potentiale der additiven Fertigung zunehmend im Sinne des Direct Manufacturing genutzt werden können.
Wichtig ist es also, dass wir die faszinierenden Möglichkeiten, aber auch die relevanten Restriktionen der additiven Fertigung, entlang des gesamten Entwicklungs- und Herstellungsprozesses proaktiv, durchgängig und systematisch berücksichtigen.
So kann es nur in den wenigsten Fällen Sinn machen, ein bislang konventionell hergestelltes Bauteil additiv zu fertigen. Vielmehr muss die Frage sein, welche Funktion zu erfüllen ist und welche Funktionen vielleicht noch in die zu entwerfende Struktur integrierbar sind. So können kraftübertragende Bauteile (Fahrwerke, Maschinenrahmen) unmittelbar für die Wärmeübertragung oder zur Schwingungsdämpfung genutzt werden. Auch die Integration von Sensoren ist möglich, was wiederum Kommunikationsfähigkeit mit sich bringt. Es stellt sich also bereits in der Konzeptionsphase die Frage nach der Systemgrenze.
Bei der Umsetzung eines Konzepts in eine Bauteilgestalt sind Methoden der Topologieoptimierung hilfreich, die gegenwärtig durch Softwareentwicklung mit Richtlinien zur fer-tigungsgerechten Gestaltung kombiniert werden; ein wichtiger Schritt, um Iterationsschleifen im Konstruktionsprozess zu reduzieren. Dazu benötigen wir Datenformate, die neben der Geometrie auch Informationen über das Material und die Herstellungshistorie beinhalten. Ziel muss es sein, diese Daten in einer vielfältigen IT-Systemlandschaft nahtlos zu integrieren und damit Grundlagen für eine durchgängige virtuelle Produktentwicklung zu schaffen.
Bei der Auslegung additiv gefertigter Teile beschäftigt uns die Frage, wie lokal unterschiedliche oder richtungsabhängige Eigenschaften bei statischen oder zeitlich veränderlichen Lasten berücksichtigt werden können. Hier sind Berechnungsmethoden und die für deren Anwendung relevanten Kennwerte zu erarbeiten. Aber auch Fragen nach Wärmeübergangszahlen, zur elektrischen Leitfähigkeit oder zur magnetischen Flussführung sind zu beantworten, etwa wenn wir durch Multimaterialdruck einen Elektromotor herstellen wollen, vielleicht mit „additiv integrierter“ Kommunikationsfähigkeit.
Es gibt also viel zu tun, und wir sollten die Zusammenarbeit von Produktentwicklern, Materialwissenschaftlern sowie von Produktions- und Informationstechnikern fördern, um das Denkbare nutzbar zu machen!

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer

Universität Paderborn
Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik KAt
Pohlweg 47–49
33098 Paderborn
Tel.: 0 52 51 60/22 57
E-Mail: detmar.zimmer@uni-paderborn.de
http://mb.uni-paderborn.de/kat/

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