Additive Fertigungsverfahren

Datenanalyse und digitale Werkzeuge verbessern additive Fertigungsmethoden und ermöglichen komplexe und individuelle Teile mit optimierten Geometrien und verbesserten Bauteileigenschaften.
Screw Extrusion Additive Manufacturing
Selektives Laserschmelzen
FlappyBot

Screw Extrusion Additive Manufacturing (SEAM) mit der hybriden Fertigungsanlage Space A

Die Idee dahinter

Die Fertigung von individualisierten Produkten on Demand und die wirtschaftliche Realisierung großer Variantenvielfalt bei kleinen bis mittleren Stückzahlen, bis hin zur Losgröße 1 ist eine stetig an Bedeutung gewinnende Anforderung an die industrielle Produktion.

Diese stellt vor allem konventionelle, oft relativ unflexible Fertigungslösungen vor große Herausforderungen. Additive Fertigungsverfahren (AM) ermöglichen, richtig eingesetzt, diese Lücke zu schließen. Die inhärente große Designfreiheit der Verfahren erlaubt Funktions- und Bauteilintegration, Flexibilisierung sowie die Herstellung materialeffizienter Leichtbaustrukturen ohne den Bedarf für produktspezifische Werkzeuge. Das Screw Extrusion Additive Manufacturing (SEAM) Verfahren, welches am Institut für Fahrzeugkonzepte in der hybriden Fertigungsanlage Space A eingesetzt und erforscht wird, bietet an dieser Stelle besondere Freiheiten im Hinblick auf die verarbeitbaren Materialien, die Bauteilgröße, sowie die automatisierte Kombination von AM mit anderen Fertigungsverfahren.
Mehr lesen
Der Aufbau des Systems

Die Fertigungsanlage besteht aus zwei gleichwertig flexiblen, sich gegenüberstehenden Modulen, welche je mittels Industrieroboter das entsprechende Werkzeug handhaben. In der Mitte befindet sich ein Dreh-Kipp-Tisch mit beheizbarer Bauplattform. Die Module haben jeweils die Fähigkeiten, mit zwei verschiedenen Extrudern und damit zwei Materialien additiv zu fertigen, mit einer Frässpindel subtraktiv zu arbeiten sowie mit einem Greifer Einlegteile zu platzieren.

Eine Besonderheit des Verfahrens ist der Extruder, welcher als kompakter Einschneckenextruder konzipiert ist. Dies bietet die Möglichkeit die meisten thermoplastischen Standardgranulate, gefüllt und ungefüllt, zu verarbeiten, was sowohl die Zahl der verfügbaren Materialien enorm erhöht, als auch die Materialkosten im Vergleich zu anderen AM-Verfahren drastisch senkt. Zusätzlich erlaubt die Extrusion mittels Schnecke sehr hohe Material-Austragsraten, wodurch die Fertigungszeit, vor allem bei großen Teilen, reduziert werden kann. Für die Qualitätssicherung, Prozessüberwachung und -entwicklung sind außerdem ein 3D-Scanner sowie eine Thermografie Kamera im System integriert. Der maximal bearbeitbare Bauraum umfasst 2000 x 1500 x 1500 mm, wobei die Größe der beheizbaren Bauplattform 1000 x 1000 mm beträgt.
Mehr lesen
Anwendungen

Aufgrund der hohen erreichbaren Aufbauraten eignet sich das Verfahren insbesondere für die wirtschaftliche Kleinserienfertigung. Durch die Nutzung von Standardgranulaten als Ausgangsmaterial und die damit große zur Verfügung stehende Materialpalette sind vielfältige Anwendungsbereiche möglich. Die Spanne reicht hier z.B. von Kopfbügeln für Faceshields aus hautverträglichem Polycarbonat bis zu großvolumigen Fahrzeugkomponenten aus faserverstärktem Polyamid. Zusätzlich erlaubt die Flexibilität der Fertigungszelle die Kombination von additiven mit konventionell hergestellten Strukturen und Einlegeteilen sowie die gezielte abtragende Bearbeitung von Funktionsflächen in einem integrierten Prozess.

Innenansicht Hybride Fertigungszelle Space A

Ansprechpartner:

Nicolas Unger

FlappyBot – der neue Freiheitsgrad für Fiberplacement

Die Idee dahinter

Große, flächige Faserverbundstrukturen für Verkehrsflugzeuge werden aufgrund von Automatisierbarkeit und Prozessstabilität vorwiegend im Fiberplacement-Verfahren hergestellt. Ein typischer Anwendungsfall sind die Flügelschalen.

Das Laminat wird aus bis zu 300 Einzellagen dünner, unidirektionaler Faserhalbzeuge aufgebaut. Der Ablegekopf wird dabei durch große Portalanlagen oder Knickarmroboter geführt. Entsprechend der Bauteilgröße eines Flügels und der erforderlichen Genauigkeit sind die Portalanlagen entsprechend groß und massiv ausgeführt. Kompaktere Knickarmroboter verfügen über eine eingeschränkte Reichweite. Mit kontinuierlicher Effizienzsteigerung in der Produktion entstand der Ansatz, mehrere Ablegeköpfe gleichzeitig an einem Laminat legen zu lassen. Eine robotergebundene Umsetzung dessen wird bereits in Stade entwickelt. Als zukünftige Ausbaustufe sind frei verfahrbare, kabellose, autonome Plattformen denkbar, die die bisherigen Führungskinematiken obsolet machen. Schwarmähnliche Effizienz mehrerer kooperierender Einheiten und Redundanz durch Austauschbarkeit einzelner Einheiten machen das Fertigungssystem wirtschaftlicher und robuster.
Mehr lesen
Der Aufbau des Systems

Der Ansatz frei verfahrbarer, mobiler Einheiten wird seit einer Prämierung durch den DLR-Idea-Award verfolgt. Die zentrale Herausforderung des Verfahrens – dem Fahren auf dem Laminat ohne unzulässige Beschädigungen – wurde auf einem Prüfstand untersucht.

Aufgrund der Prozesscharakteristik sind als Radlösung Kugelradmodule am besten geeignet. Die selbstfahrenden Einheiten verfügen dabei über jeweils drei Kugelradmodule. Insbesondere bei Richtungsänderungen verhalten sich diese schonender gegenüber dem noch unausgehärteten Laminat. Gleichzeitig ist die im Vergleich zu konventionellen Rädern höhere Flächenpressung unter der Kugel nicht kritisch. An einem Prüfstand werden für kommende Ausbaustufen weitere kritische Parameter wie beispielsweise das viskoelastische Verhalten des Fasermaterials und die Schlupfcharakteristik zwischen Kugel und Laminat untersucht. Parallel zur Validierung der Auswirkungen auf das Laminat wird das Antriebsmodul entwickelt und in das Mockup implementiert.
Mehr lesen
Anwendungen

Für Fiberplacement sind Portalsysteme und Knickarmroboter durch Legeleistung und Genauigkeit Benchmark. Solche Systeme sind durch ihren großen Umfang an Hardware und baulichen Voraussetzungen jedoch nur bedingt skalierbar. Das Projekt FlappyBot hat das Ziel, den Entwicklungsfortschritt der mobilen Robotik für Fiberplacement zugänglich zu machen.

Mehrere selbstfahrende, kabellose Robotereinheiten sollen das Laminat aus Fasermaterial aufbauen. Schwarmähnlich sollen die Einheiten kooperieren und für Fiberplacement erstmalig eine Redundanz ermöglichen, um Stillstandzeiten durch Bestückung, Wartung und Reinigung abzufangen. Diese Flexibilität ist der entscheidende Vorteil des Fertigungssystems. Die Fertigungstechnik von kommenden Nurflügler-Flugzeugkonfigurationen könnte aufgrund der guten Skalierbarkeit und des geringen Hardwareumfangs ebenfalls von FlappyBot profitieren. Ein Zwischenschritt in der Entwicklung von FlappyBot im skalierten Maßstab können NDT-Anwendungen parallel zum Ablegeprozess oder der vollständig ausgehärteten Flügelschalen sein.
Mehr lesen

Fiberplacement durch autonome selbstfahrende Einheiten

Mehrere Einheiten kooperieren und verfahren ohne Führungskinematik

Ansprechpartner:

Philipp Sämann M.Sc.

Selektives Laserschmelzen

Motivation

Die metallische additive Fertigung („3D-Druck“), z.B. mit Pulverbett-Laserschmelzprozessen (Laser Powder Bed Fusions, LBPF), stellt ein sich rapide weiterentwickelndes Feld dar, welches bereits jetzt erheblichen Einfluss auf die Fertigungswelt von heute ausübt.

Neue Designfreiheiten, Fertigungsmöglichkeiten und ökonomische Produktionsvorteile werden ermöglicht, welche massive Vorteile versprechen. Bislang nicht realisierbare Bauteilgestaltungen und neue Funktionalisierungen werden ermöglicht. Beispielsweise können bionisch angelehnte Strukturen hergestellt werden, die zuvor nicht herstellbar waren.
Neben der hohen Komplexität, in der LBPF-Prozesse, Werkstoffe, Baustrategien und entstehende Bauteile mit ihren letztendlichen Eigenschaften zusammenhängen, stellt die Prozessüberwachung und Qualitätssicherung aus heutiger Sicht eine wichtige Herausforderung dar. Diese ist notwendig, damit die Verfahren zukünftig robuster und zuverlässiger gestaltet und somit für kritischere Anwendungsbereiche eingesetzt werden können. Prozessüberwachungsverfahren wie z.B. das in situ Melt pool Monitoring können auch einen wichtigen Beitrag zur systematischen Prozess- und Scanstrategieentwicklung für neue Werkstoffe und spezifische Bauteile liefern und das Verständnis der zugrundliegenden Prozess-Bauteil-Material-Zusammenhänge steigern.
Mehr lesen
Beschreibung

Spezielle Aspekte der Bauteilcharakterisierung und Qualitätssicherung bei der additiven Fertigung metallischer Materialen für Luft- und Raumfahrtkomponenten durch selektives Laserschmelzen (ein LBPF Verfahren) werden in FoF untersucht.

Die Untersuchungen dienen der Steigerung der Expertise in der Entwicklung der bauteilspezifischen Baustrategien und der systematischen Anpassung der Prozesse, um spezifische Komponenten und Werkstoffe wie z.B. Titan- und Kupferlegierungen erfolgreich mittels LBPF umsetzen zu können. Erkenntnisse dieser Untersuchungen dienen WF zur Vertiefung der Expertise in SLM und unterstützen die laufenden Luft- und Raumfahrtprojekte.
Mehr lesen
Anwendungsfall

Es wird z.B. die Geometrieabhängigkeit des beim LBPF entstehenden Werkstoffes in einem Turbopumpenimpeller aus Ti-6Al-4V untersucht. Je nach Bauteilgeometrie, z.B. in dünnen im Gegensatz zu massiven Bereichen oder oberhalb von Stützstrukturen, verläuft der Wärmeabfluss der Laserenergie des 3D-Druckprozesses erheblich unterschiedlich.

Dies führt dazu, dass in einem Bauteil unterschiedliche „thermische Historien“ beim 3D-Druck auftreten, was wiederum zu unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften (z.B. Gefügen, Eigenspannungen oder Oberflächeneigenschaften) innerhalb der Komponente  führen kann. Informationen zur thermischen Emission beim Aufschmelzen, die man mittels  Melt pool Monitoring erzielen kann, werden mit verschiedenen Materialeigenschaften (z.B. Phasenanteile aus Röntgenbeugungsversuchen) korreliert, um die Rolle der Geometrie genauer zu untersuchen und den Prozess systematisch anpassen zu können.
Mehr lesen

SLM gefertigtes Verdichterrad mit generischen inneren Gitterstrukturen. Im rechten Schaufelblattbereich sind sogn. Stützstrukturen vorhanden, die später entfernt werden müssen.

Ansprechpartner:

Jan Haubrich