Leitfaden Funktionsintegration – Additive Manufacturing

Funktionsintegration bei additiv gefertigten Komponenten der Antriebstechnik

In der digitalen, vernetzten Industrieproduktion der Zukunft wird die Additive Fertigung (engl.: Additive Manufacturing, kurz: AM) eine bedeutende Rolle spielen. Entsprechend hoch sind die Erwartungen an weitere industrielle Anwendungen, durch das schichtweise Auftragen von Material aus formlosem Rohstoff (z.B. Metallpulver) Objekte mit äußerst komplexen Formen zu »drucken«. Die Branche verzeichnet seit Jahren enorme Wachstumsraten. Anwender profitieren vor allem von hoher Gestaltungsfreiheit und der kostengünstigen Fertigung kleiner Losgrößen. Dabei wird die Technologie mittlerweile nicht nur branchenübergreifend für die Fertigung von Prototypen oder Werkzeugen eingesetzt, sondern ist auch in der Serienfertigung angekommen.

Um die vielfältigen Potenziale der additiven Fertigung kurzfristig zu nutzen, bedarf es eines Umdenkens über den gesamten Produktentstehungsprozess. Dabei müssen Besonderheiten wie die Möglichkeiten zur Funktionsintegration bereits in der Konzept- und Designphase konsequent umgesetzt werden.

Das Ergebnis des Projektes ist daher ein Selbstlerndokument zur Unterstützung der konzeptionellen und konstruktiven Aufgaben, die mit der Funktionsintegration mittels Additive Fertigung für die Antriebstechnik einhergehen. Der erste Abschnitt schafft für alle Anwender ein einheitliches Verständnis bezüglich der Grundlagen der additiven Fertigung. Im zweiten Teil des Dokumentes werden Prinzipien und Vorgehen zur Funktionsintegration präsentiert. Im dritten Abschnitt werden Anwendungsbeispiele entwickelt und beschrieben, um das Vorgehensmodell mit Anschauungsobjekten zu verdeutlichen. Wesentliche technische Aspekte im Zusammenhang mit additiven Fertigungsverfahren können über ein fundiertes Verfahrensverständnis verinnerlicht und damit auch auf zukünftige Herausforderungen angewendet werden. Neben allgemeinen Merkmalen und Abläufen werden die im Projektrahmen definierten Verfahren Stereolithografie (SLA), Selektives Lasersintern (SLS), Selektives Laserschmelzen (SLM) und Fused-Layer Modelling (FLM) im Einzelnen beschrieben.

Wie bei allen Fertigungsverfahren sind spezifische Fertigungsrestriktionen vorhanden. Trotz der großen Gestaltungsfreiheit durch die additiven Fertigungsverfahren gelten hier dennoch konstruktive Grenzen. Eine Übersicht wesentlicher Konstruktionsrichtlinien wird im Selbstlerndokument in Form von Steckbriefen dargestellt.

Zunächst werden in diesem Zusammenhang einige übliche Funktionen antriebstechnischer Systeme identifiziert und Kombinationsmöglichkeiten beschrieben. Da die konkrete Umsetzung einer Funktion nur anhand der gegebenen Randbedingungen und Anforderungen umgesetzt und bewertet werden kann, werden die Funktionen und möglichen Lösungsansätze anhand von bereits umgesetzten Beispielen dargestellt. Als Beispiel können die Funktionen „Kräfte leiten“ und „Fluid führen“ kombiniert und durch additive Fertigung in Kombination umgesetzt werden. Für einen effizienten Einblick und eine erste Übersicht sind Steckbriefe zu den Beispielen vorhanden, die die wesentlichen Informationen bereitstellen. Über die angegebenen Quellen können bei Bedarf weitere Informationen eingeholt werden.

Für eine erfolgreiche Funktionsintegration sollte neben dem Funktionsverständnis und der Beherrschung der konstruktiven Limitationen auch ein methodisches Vorgehen bei der Entwicklung berücksichtigt werden. Ein solches Vorgehen bildet einen Rahmen für die einzelnen Entwicklungsschritte. Im Selbstlerndokument werden dazu bereits vorhandene Methodiken aufgelistet und im nächsten Schritt eine eigene Methodik abgeleitet, die sowohl AM-Neulingen als auch erfahrenen Nutzern als Unterstützung dienen kann. Diese hat damit einen positiven Einfluss auf die Produktqualität, die Entwicklungszeit sowie auf die Produktkosten. Durch die Möglichkeiten von AM sind dabei einige Besonderheiten zu beachten, die hier Berücksichtigung gefunden haben.

Zum besseren Verständnis der erarbeiteten Methodik und des exemplarischen Vorgehens bei der Entwicklung additiv gefertigter Funktionsbauteile wurden insgesamt drei konkrete Anwendungsbeispiele speziell für das Selbstlerndokument ausgearbeitet. Betrachtet werden dabei ein Getriebegehäuse, ein Steuerblock und ein Bremsrotor einer Federkraftbremse. Der Entwicklungsprozess wird dafür detailliert beschrieben und an relevanten Stellen durch Hinweise und Erklärungen ergänzt.

Durch den Leitfaden kann eine breite Wissensbasis zu additiven Fertigungsverfahren im Anwendungsfeld der Antriebstechnik geschaffen, für die strategische Technologieplanung weiter ausgebaut und ein gemeinsames Verständnis innerhalb der Unternehmensbereiche und Abteilungen geformt werden.

Das Projekt 936I I der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über Eigenmittel finanziert.