Methodik zur Integration pulverbettbasierter additiver Fertigungstechnologien in Fertigungsprozessketten

Das große Potenzial zur industriellen Anwendung der additiven Fertigung muss durch Prozesskettenintegration unterstützt werden. So können typische Qualitätsanforderungen maschinenbaulicher Werkstücke durch sequentielle additiv-subtraktive Bearbeitung erreicht werden. Die entwickelte Methodik bezieht AM-spezifische Bauteilcharakterisierungen ein und beschreibt die Leistungsfähigkeit von Fertigungsmitteln zur Weiterbearbeitung. Schließlich werden daraus Fertigungsprozessketten generiert und bewertet.

Die direkte Verknüpfung zwischen 3D-CAD-Modell also virtuellem Design und Werkstückaufbau also der »Materialisierung« von Ideen führt mit der additiven Fertigung zu einer digitalen Fertigungstechnologie. Parallel existiert großes Potenzial hinsichtlich industrieller Anwendung der additiven Fertigung, unterstützt durch Automatisierung und Prozesskettenintegration. Der langfristig ökonomisch wie technologisch effektive Einsatz kann nur gelingen, wenn diese Potenziale adressiert werden. Dem Schwerpunkt der Prozesskettenintegration widmet sich diese Arbeit, mit Fokus auf metallischen Bauteilen. Im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren zur Bearbeitung von maschinenbaulichen Werkstücken sind additive Fertigungsverfahren bisher nicht hinreichend in Fertigungsprozessketten integriert. Dies ist jedoch notwendig, um typische Qualitätsanforderungen durch sequenzielle Bearbeitung zu erreichen. Dabei ist zu beachten, dass die besonderen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile zu einer neuartigen Betrachtung bei der Prozesskettengestaltung führen. Gleichzeitig bietet die additive Fertigung Vorteile bei der Unikat- und Kleinserienfertigung und ermöglich so die Individualisierung und Anpassbarkeit von Produkten. Die Prozesskettenintegration von additiver Fertigung und damit deren Verknüpfung mit subtraktiver Fertigung muss also auf individuelle Bauteilanforderungen reagieren können und unterschiedlichste Fertigungsmittel mit ihren technologischen Leistungsfähigkeiten berücksichtigen. In dieser Dissertation wird eine Methode zur Beschreibung von Bauteilen und deren Anforderungen entwickelt, die den Eigenschaften additiv gefertigter Werkstücke gerecht wird und ebenso für die Weiterbearbeitung geeignet ist. Weiterhin werden bestehende Methoden zur Generierung und Gestaltung von Fertigungsprozessketten derart adaptiert und erweitert, dass additiv-subtraktive Prozessketten entwickelt werden können. Schließlich werden diese Elemente in eine gemeinsame Methodik integriert. Damit wird Fertigungsexpert·innen unabhängig von ihrer Expertise im Bereich Fertigungsplanung oder additive Fertigung ein Tool zur Verfügung gestellt, mit dem kennzahlenbasiert neue Prozessketten umgesetzt und strategische Entscheidungen zur zukünftigen Ausrichtung einer Fertigungsumgebung erleichtert werden. Die Umsetzung in einer prototypischen Software und die Validierung anhand von drei Fallbeispielen stellt die praxisgerechte Anwendbarkeit der Methodik sicher.

Klappentext

Die direkte Verknüpfung zwischen 3D-CAD-Modell - also virtuellem Design - und Werkstückaufbau - also der »Materialisierung« von Ideen - führt mit der additiven Fertigung zu einer digitalen Fertigungstechnologie. Parallel existiert großes Potenzial hinsichtlich industrieller Anwendung der additiven Fertigung, unterstützt durch Automatisierung und Prozesskettenintegration. Der langfristig ökonomisch wie technologisch effektive Einsatz kann nur gelingen, wenn diese Potenziale adressiert werden. Dem Schwerpunkt der Prozesskettenintegration widmet sich diese Arbeit, mit Fokus auf metallischen Bauteilen. Im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren zur Bearbeitung von maschinenbaulichen Werkstücken sind additive Fertigungsverfahren bisher nicht hinreichend in Fertigungsprozessketten integriert. Dies ist jedoch notwendig, um typische Qualitätsanforderungen durch sequenzielle Bearbeitung zu erreichen. Dabei ist zu beachten, dass die besonderen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile zu einer neuartigen Betrachtung bei der Prozesskettengestaltung führen. Gleichzeitig bietet die additive Fertigung Vorteile bei der Unikat- und Kleinserienfertigung und ermöglich so die Individualisierung und Anpassbarkeit von Produkten. Die Prozesskettenintegration von additiver Fertigung - und damit deren Verknüpfung mit subtraktiver Fertigung - muss also auf individuelle Bauteilanforderungen reagieren können und unterschiedlichste Fertigungsmittel mit ihren technologischen Leistungsfähigkeiten berücksichtigen. In dieser Dissertation wird eine Methode zur Beschreibung von Bauteilen und deren Anforderungen entwickelt, die den Eigenschaften additiv gefertigter Werkstücke gerecht wird und ebenso für die Weiterbearbeitung geeignet ist. Weiterhin werden bestehende Methoden zur Generierung und Gestaltung von Fertigungsprozessketten derart adaptiert und erweitert, dass additiv-subtraktive Prozessketten entwickelt werden können. Schließlich werden diese Elemente in eine gemeinsame Methodik integriert. Damit wird Fertigungsexpert·innen unabhängig von ihrer Expertise im Bereich Fertigungsplanung oder additive Fertigung ein Tool zur Verfügung gestellt, mit dem kennzahlenbasiert neue Prozessketten umgesetzt und strategische Entscheidungen zur zukünftigen Ausrichtung einer Fertigungsumgebung erleichtert werden. Die Umsetzung in einer prototypischen Software und die Validierung anhand von drei Fallbeispielen stellt die praxisgerechte Anwendbarkeit der Methodik sicher.