Projektbeispiele zum Forschungsthema TECHNOLOGIE

Flexibilisierung der additiven Fertigung für die Herstellung funktionsoptimierter Werkzeug- und Formeinsätze

Beispiele umfassen Werkzeugformen und -einsätze in Multimaterialbauweise mit langzeitfester Beschichtung, um die Standzeit zu erhöhen.

In einem Spritzgusswerkzug wird ein Grundkörper aus 1.2709-Werkzeugstahl aufgebaut und mit CCZ (Kupfer) in zwei unterschiedlichen Bauteilbereichen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr versehen. Durch diese innenliegenden Kühlstrukturen aus hoch wärmeleitfähigen Materialien kann der Wärmehaushalt verbessert und dadurch die Zykluszeit reduziert werden.

Publikation:

Anstaett, Christine; Seidel, Christian (2016): Multi-Material Processing. Next step in laser-based powder bed fusion. In: Laser Technik Journal (4), zuletzt geprüft am 16.11.2016

Link:

https://www.forschungsstiftung.de/Projekte/Details/ForNextGen-Next-Generation-Tools-Generative-Fertigungsverfahren-im-Werkzeug-und-Formenbau.html

Kontakt:

Fraunhofer IGCV, Christine Anstätt, christine.anstaett@igcv.fraunhofer.de, +49 821 90678-150

Branchenlösung

Metalle und technische Keramiken haben unterschiedliche Materialeigenschaften. Keramiken weisen typischerweise eine hohe Härte sowie eine geringe Leitfähigkeit auf und werden daher als Isolator oder als Verschleißschutz eingesetzt. Metalle dagegen sind duktil und leitfähig.

Eine Kombination beider Werkstoffe ist deshalb in vielen Bereichen (Leistungselektronik, Sensorik, Energietechnik) vorteilhaft.

Die additive Herstellung von Bauteilen bietet unter Verwendung der am Fraunhofer IGCV erarbeiteten Methoden und Anlagenkomponenten die Möglichkeit, mehrere Materialien in einem Prozess zu verarbeiten.

Im Projekt CerAMics wurde gezeigt, dass sich ein Multimaterialprozess für die Materialpaarung Metall-Keramik realisieren lässt.

Neuartige Pulverauftragsverfahren des Fraunhofer IGCV wurden hierfür angewendet.

Publikation:

Anstaett, Christine; Seidel, Christian (2016): Multi-Material Processing. Next step in laser-based powder bed fusion. In: Laser Technik Journal (4), zuletzt geprüft am 16.11.2016

Kontakt:

Christine Anstätt, christine.anstaett@igcv.fraunhofer.de, +49 821 90678-150

Branchenlösung

Der fortschreitende Technologiereifegrad, Größe und Produktivität neuester Anlagen für das Selektive Laserschmelzen (SLM) ermöglichen erste industrielle Kleinserienproduktionen von mittelgroßen Metallbauteilen.

Auf einer SLM-Anlage der neuesten Generation (EOS M400) werden metallische Bauteile bis zu einer Dimension von 400 mm bzw. Kleinserien mittelgroßer Bauteile gefertigt

Zunehmende Bauteildimensionen und gleichzeitige Fertigung einer Vielzahl von Bauteilen führen hierbei zu neuen Fragestellungen hinsichtlich der Prozessführung und Qualitätsbewertung.

Der belichtungsstrategieabhängige Ressourceneinsatz wurde hinsichtlich Maschinenzeit, Material- und Energiebedarf betrachtet.

Erkenntnisse aus Verzugsanalysen ermöglichen eine bauteilgerechte Fertigung unter der Berücksichtigung der Prozesslimitierungen in Hinsicht auf großvolumige Bauteile.

Die Oberflächengüte und Materialhomogenität wurde mit Hilfe von Laserscanning-Mikroskopen und µCT Messungen bewertet und unter Einfluss einer Wärmebehandlung untersucht.

Für die Kleinserienproduktion wurden Modelle für die optimale Prozessführung unter Berücksichtigung von Wechselwirkungen im Prozess entwickelt.

Das neu entwickelte Vorgehen ermöglicht eine bauteilspezifische Fertigungsparameterwahl für optimierte Ergebnisse und angepasste Werkstoffperformance.

Weiterhin werden ökomische Untersuchungen in Bezug auf Produktionskosten und eingesetzten Ressourcen in der Fertigung durchgeführt.

Publikation:

Bierdel, M. (2017). Ressourceneffizienz wie in der Natur durch intelligentes Leichtbaudesign für den Herstellungsprozess der Additiven Fertigung. 4th Technologietag Hybrider Leichtbau (2017), abstract

Kontakt:

 Aron Pfaff, aron.pfaff@emi.fraunhofer.de, +49 761 2714 522

Branchenlösung

Herausforderungen

Integration Additiver Verfahren in die nachhaltige Fertigung langlebiger und hochbeanspruchter Investitionsgüter wie Turbinenkomponenten.

Schwerpunkte

Identifizierung und Adaption der qualitätsrelevanten Fertigungsrandbedingungen

AM-gerechte Konstruktion

Entwicklung von Strategien zur robusten Fertigung (Condition Monitoring)

Erforschung geeigneter Nachbearbeitungsverfahren wie z.B. Kugelstrahlen, Strömungsschleifen & Gleitschleifen

Test von gefertigten Bauteilen im realen Betrieb

Zielstellung

Bereitstellung einer vollständigen und in die Industrie übertragbaren Prozesskette für die additive Fertigung von hochkomplexen Turbinenkomponenten wie Schaufeln und Brennern aus der Nickelbasislegierung Inconel 718.

Publikation:

E. Uhlmann et al.: Flexible manufacturing with an additive process chain. Design, production and surface finish. In: ASPE 2015 Spring Topical Meeting. Proceedings : April 26-29, 2015

Produktblatt:

http://www.ipk.fraunhofer.de/fileadmin/user_upload/IPK/geschaeftsfelder/ps/fer/LCE_Profex.pdf

Kontakt:  

Tobias Neuwald, tobias.neuwald@ipk.fraunhofer.de, +49 30 39006 308

Zur Herstellung von Prägewerkzeugen werden derzeit aufwändige und umweltschädliche Ätzprozesse  eingesetzt.

Das abzutragende Volumen  überwiegt dabei deutlich dem der verbleibenden Struktur.

Laser-Draht-Auftragschweißen mit Feindraht ist ein alternatives Herstellungsverfahren zum Aufbau präziser Prägestrukturen auf Werkzeugen.

Dieses Verfahren bietet sowohl eine technische, ökonomische als auch ökologische Verbesserung der bisherigen Vorgehensweise.

Anwendervorteile ergeben sich hinsichtlich einer effektiven Werkstoffausnutzung von 100%, hoher Produktivität sowie sauberen Prozessbedingungen.

Projekte:

FOLD

Publikation:

COAXwire: Processing optic for laser wire cladding; Presentation held at 9. Internationales Lasersymposium und Internationalen Fügetechnischen Symposium "Tailored Joining" 2016, Dresden, 22.-24.2.2016

Links:

http://www.iws.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/generieren_drucken/generative_fertigung/verfahren/generatives_laser-draht-auftragschweissen.html

Kontakt:  

Franz Marquardt, franz.marquardt@iws.fraunhofer.de
Robin Willner, robin.willner@iws.fraunhofer.de

Die Herstellung von Bauteilen mit Gitterstrukturen durch Laser-Strahlschmelzen kombiniert eine Gewichtsreduktion des Bauteils mit Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Fertigung.

Die für die Auslegung ihres mechanischen Verhaltens durch Simulation benötigten Kennwerte werden experimentell ermittelt.

Durch die Automatisierung und Integration der mechanischen Auslegung in die CAD-Umgebung wird die Verwendung von Gitterstrukturen für den Nutzer vereinfacht.

In dem DFG-Projekt » Konstruktion, Berechnung und Herstellung komplexer geometrischer Strukturen mittels Laserstrahlschmelzen GIHSL  (289647464)« wird die mechanische Auslegung von Gitterstrukturen für den Anwender durch Automatisierung und Integration der Prozesskette in die CAD-Umgebung vereinfacht.

Die Verwendung von Gitterstrukturen eignet sich insbesondere bei der Herstellung durch Laser-Strahlschmelzen zur Gewichtsreduktion des Bauteils und zur Kosteneinsparung.

Eine Erstellung und mechanische Auslegung von Bauteilen mit Gitterstrukturen ist bisher nur unzureichend möglich, sie werden bislang lediglich zu Anschauungszwecken eingesetzt.

Die für die Auslegung durch Simulation benötigten mechanischen Kennwerte der Gitterstrukturen werden im Zugversuch entsprechend E DIN 50099 ermittelt.

Die Belichtungsstrategie für die Fertigung wird optimiert.

Ein in die CAD-Umgebung integriertes Software-Tool vereinfacht auf der Basis der ermittelten Kennwerte die Verwendung von Gitter-strukturen von der Topologie-Auswahl über die Erstellung und Auslegung bis hin zur Erzeugung der Fertigungsdaten.

Die Projektdurchführung erfolgt in Zusammenarbeit mit TUD/KTC.

Projekte:

Konstruktion, Berechnung und Herstellung komplexer geometrischer Strukturen mittels Laserstrahlschmelzen GIHSL
(DFG, 289647464)

Publikation:

MS&T 2017, KT 2017 (Abstracts akzeptiert)

Kontakt:

Dipl.-Ing. Hannes Korn, hannes.korn@iwu.fraunhofer.de +49 351 4772 2919

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie galt es zu untersuchen, inweit das FFF-Verfahren  (Fused Filament Fabrication) zur Herstellung keramischer Bauteile genutzt werden kann.

Für das CMC-Werkstoffbeispiel SiC-Kurzfaser verstärktes SiC konnten auf Basis eigene Bindersysteme hochgefüllt (40 -50 Vol.-% SiC) Filamente hergestellt werden, die auf einer handelsüblichen FFF-Anlage sehr gut verarbeitbar waren.

Die hergestellte Grünteile  ließen sich defektfrei entbindern und den weiteren thermische Prozessen unterziehen.

Die Mikrostruktur zeigt eine Faserausrichtung parallel zur Ablagerichtung beim FFF, womit sich neue Möglichkeiten zur richtungsabhängigen Eigenschaftsanpassung von CMCs ergeben.

Herausforderungen ergeben bei der Wahl des Düsenmaterials für die FFF-Anlage, wenn hochabrasive SiC-Filamente verarbeitet werden. 

Kontakt:

Johannes Abel, johannes.abel@ikts.fraunhofer.de, +49 351 7502

Der innovative Kern des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuen Materialsystems für komplexe Hartmetall-Werkzeuge mittels 3-D-Druck sowie die Entwicklung und Anpassung nachgeschalteter Prozesse.

 Das Vorgehen hat das Potenzial, die bestehende Prozesskette signifikant zu verkürzen, wobei die Formgebungsfreiheit stark vergrößert wird.

Somit können kostenintensive spanende Prozesse ersetzt oder zumindest in ihrem Umfang reduziert werden. Weiterhin sind neuartige Bauteilkonstruktionen möglich, die konventionell nicht oder nicht wirtschaftlich darstellbar sind.

Ziel: Neuartige Prozesskette zur Herstellung von Hartmetallwerkzeugen

Projekte:

HM-Druck: Entwicklung eines Verfahrens zur Hartmetallverarbeitung mittels binderbasiertem 3-D-Druck für komplexe Hartmetallwerkzeuge

Kontakt: 

 Dr.-Ing. Georg Schlick, georg.schlick@igcv.fraunhofer.de, +49 821 90678-179

• Mit der Smart Plattform ist am Fraunhofer IAPT eine Cloud-Plattform entstanden, die es ermöglicht, Potenziale in der additiven Fertigung zu identifizieren und zu erschließen.

• Der Kunde lädt dazu sein Bauteil über den Webbrowser hoch.

• Anschließend wird dieses automatisch auf Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsrichtlinien geprüft sowie eine Angebots- oder Vergleichskalkulation vorgenommen.

• Daraufhin kann der Kunde über die Plattform einen Fertigungsauftrag abgeben und die komplette Bestellabwicklung über die Cloud verfolgen. 

Kontakt: 

Dipl.-Ing. Tim Wischeropp, tim.wischeropp@iapt.fraunhofer.de

Im laufenden BMBF-Projekt »HP3D« (FKZ: 02P14A025) wird eine hochproduktive Fertigungsanlage zur generativen Herstellung großvolumiger Bauteile aus wahlfreien Kunststoffen entwickelt.

Mit der Anlage lassen sich großformatige Bauteile von Abmessungen bis zu 2000 x 2000 x 1000 mm generativ herstellen.

Durch die hohen Aufbauraten bis zu 5 kg/Std. wird die generative Fertigung von großformatigen Modellen und Negativformen insbesondere im Modell-, Formen- und Werkzeugbau produktiv und wirtschaftlich.

Als erste Demonstratoren wurde ein schwimmfähiges Kanu und ein Steuerrad für ein Segelschiff entworfen und gefertigt.

Eine Patentanmeldung ist in Vorbereitung.

Publikation:  

Klaeger, U., Felsch, T.: Robotergestütztes Fertigungsverfahren zur additiven Herstellung geometrischer Großbauteile. Rapid.Tech Erfurt 2016. 

Link:

http:/plastverarbeiter.de/58956/mannshoch-3d-gedruckt/

Kontakt:

Dr. Uwe Klaeger, uwe.klaeger@iff.fraunhofer.de, +49 391 4090 809

Branchenlösung