additive manufacturing integration von fertigung und
TRANSCRIPT
Addit ive Manufacturing –
Integrat ion von Fert igung und
Produktentwicklung
Dipl.-Ing. Alexander Martha
2© Universität Duisburg-Essen
Additive Manufacturing
Integrationskonzept
Additive Manufacturing Parameters
Additive Manufacturing CAD-Tool
Zusammenfassung und Ausblick
Gl iederung
Addit ive Manufacturing
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4© Universität Duisburg-Essen
3D-Drucken vs . Addi t ive Manufactur ing?
Bild: Gartner's 2013 Hype Cycle for Emerging Technologies
5© Universität Duisburg-Essen
3D-Drucken vs . Addi t ive Manufactur ing?
Enterprise 3D Printing,
Additive Manufacturing,
Generative Fertigung, …
Consumer 3D
Printing,
3D-Drucken,
Maker, …
Bilder: Makerbot 1, secondagenda.be 2, 3dsystems 3, The Saving Project 4, EOS 5, Renishaw 6, Rennteam Uni Stuttgart 7
1
2
2
3
4
5
6
7
6© Universität Duisburg-Essen
Kann mi t AM wir tschaf t l ich produz ier t werden?K
os
ten
Stückzahl
Ko
ste
n
Komplexität
hoch
gering hoch
hoch
gering hoch
additiv
konventionell
additiv
konventionell
Quelle: rechts in Anlehnung an Roland Berger 2013: Additive manufacturing – A game changer for the manufacturing industry?
7© Universität Duisburg-Essen
Einf lussfaktoren auf den Fer t igungsprozess
Gestalt
Material
In-
Process
Post-
Process
Pre-
Process
AM-
Anlage
Bauraumabmessungen
Bauraumtemperierung
Schrumpffaktoren
simultane Fertigung und
Bauteilverschachtelung
Stützkonstruktionen
zulässige Wanddicken
abbildbare Radien
Spaltmaße
Bohrungsdurchmesser
Materialanhäufungen
Materialqualität
Korngröße
erzielbare
Werkstoffeigenschaften
Schichtdatengenerierung
Pfadgenerierung
Laserleistung
Scangeschwindigkeit
Bauteilorientierung
Beschichtung
Wärmebehandlung
trennende
Nachbearbeitung
Auspacken, Reinigen
Featureorientierung
Funktionsintegration
Anisotropie
Verweilzeiten
Hinweis: Auswahl für pulverbettbasierte Verfahren
8© Universität Duisburg-Essen
Auslegung und Gesta l tung von AM Baute i len
VerfahrensspezifischeKonstruktionsregeln
Prozessspezifische
Randbedingungen
• FEM
• Rechnerische Festigkeitsnachweise(z. B. FKM)
• Ergebnisnutzung zur Gestaltoptimierung (z. B. Topologieoptimierung)
Berechnung & Nachweis
unzweckmäßig zweckmäßig unzweckmäßig zweckmäßig
Bilder: Zimmer & Adam 1
1 1
9© Universität Duisburg-Essen
Ver fahrensspez i f ische Konstrukt ionsregeln
Konventionelles Design:Zwei Sacklochbohrungen
Einfache Optimierung:
Kreisquerschnitt als Schnitt entlang Leitkurve
Baurichtungsoptimiert:
Tropfenform zur Vermeidung von
Stützkonstruktionen,
Schnitt entlang der Leitkurve konstant parallel zur
Baurichtung
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Lassen sich von den verfahrensspezifischen Konstruktionsregeln ableiten
Berücksichtigen im Detail prozessspezifische Besonderheiten:
− Anlagengröße
− Materialeigenschaften bei gewähltem Parametersatz
− Schichtdicken, adaptive Schichtzerlegung
− Stützkonstruktionen
− …
Stellen Werte und Randbedingungen für die Gestaltung zur Verfügung
− Wandstärken 1
− Spaltmaße
− Innen- und Außenradien 2
− Materialanhäufungen
− Neigungswinkel für Flächen-(Bereiche)
− Überhänge und Auskragungen 3
− Orientierungsabhängige Effekte
− …
Prozessspez i f ische Randbedingungen
1
2
3
11© Universität Duisburg-Essen
Integrat ionskonzept
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12© Universität Duisburg-Essen
Daten und Schni t ts te l len: Konzept
BauteilgestaltungDefinition
Fertigungsprozess
Prozess-
parameter
Prozess-
spezifische
Rand-
bedingungen
Verfahrens-
spezifische
Konstruktions-
regeln
Versuch &
Erprobung
Berechnung &
Nachweis
Werkstoff-
kennwerte &
Material-
modell
Stütz-
konstruktionen
Schichtzerlegung
Verschachtelung
Funktions-
integration
3D GeometrieFertigungs-
Metadaten
Schichtdaten-
erzeugungPfadgenerierung
VerschachtelungStütz-
konstruktionen
13© Universität Duisburg-Essen
Daten und Schni t ts te l len: Stand
aktuell integriert
BauteilgestaltungDefinition
Fertigungsprozess
Prozess-
parameter
Prozess-
spezifische
Rand-
bedingungen
Verfahrens-
spezifische
Konstruktions-
regeln
Versuch &
Erprobung
Berechnung &
Nachweis
Werkstoff-
kennwerte &
Material-
modell
Stütz-
konstruktionen
Schichtzerlegung
Verschachtelung
Funktions-
integration
3D GeometrieFertigungs-
Metadaten
Schichtdaten-
erzeugungPfadgenerierung
VerschachtelungStütz-
konstruktionen
14© Universität Duisburg-Essen
Entwickel te Appl ikat ionen
Final Surface
RP Support Plugin RP Slicer Plugin
AMT – Additive Manufacturing Tools
AMC – AM CAD Tool (Inventor & Creo)AMP – AM Parameters
15© Universität Duisburg-Essen
Appl ikat ionen und Schni t ts te l len: Umsetzung
STL, AMF,
AMP-XML
AMP
AMC
Final Surface
AMP-XML
CLI, STL
QS
Fertigungstechnologie /
Arbeitsvorbereitung
Konstruktion
AM-Software
AMP
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Addit ive Manufacturing Parameters
AMP
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17© Universität Duisburg-Essen
Einsatz von AMP
• Prozessspezifische Erhebung
• Allgemeine Informationen
• Parameterabhängige Informationen
Erfassen
• Ablage von Bild- und Textinformationen
• XML-basierte Datenablage
• Änderungsnachverfolgung
Dokumentieren & Pflegen
• AMP-XML Datensätze
• Druckbare Berichte im „WPS“-Stil
• Integration als Viewer
Bereitstellen
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Erfassen der geometrischen Randbedingungen über geeignete
Prüfgeometrie. Probenkörper in AMP integriert:
AMP: Er fassen
Prüfgeometrie
• Wandstärken
• Zylinder
• Spalte
• Bohrungen
• Aufbauwinkel
Prüfbereich
• 0,1-1 mm in Schritten von 0,1 mm
• 1-2 mm in Schritten von 0,25 mm
Curleffekt
• Belichtung großer Flächen sollte
vermieden werden
Stützkonstruktionen
• Leichtes Entfernen
• Geringer Einfluss auf Ergebnisse
Beschichtung
• Einfluss auf Prozesssicherheit
• Beeinflussung der Testgeometrie
untereinander
Bauhöhe
• Kosten von additiven Prozessen
werden maßgeblich durch die
Bauhöhe bestimmt
Oberfläche
• Visualisierung des für additive
Verfahren charakteristischen
Treppenstufeneffektes
Auswertung
• Testkörper sollte weitestgehend
durch Koordinatenmessgerät
vermessen werden können Na
ch
: H
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ren
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01
4
19© Universität Duisburg-Essen
AMP: Dokument ieren & Pf legen
Allgemeine
Informationen
Prozess-
informationen
Geometrie &
Probenkörper
Geometrie-
parameter
Hinweise in
Textform
Datenaustausch
& Einstellungen
20© Universität Duisburg-Essen
Versuch & QS
AMP: Dokument ieren & Pf legen
AMP-XML
Prozess A
z. B. Strahlschmelzen
fein
Bilddaten
AMP-XML
Prozess B
z. B. Strahlschmelzen
mittel
Bilddaten
AMP-XML
Prozess C
z. B. Strahlschmelzen
grob
Bilddaten
21© Universität Duisburg-Essen
AMP: Bere i ts te l len
AMP-XML
Prozess A
z. B. Strahlschmelzen
fein
Bilddaten
AMC
AMPEXCEL / PDF
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Addit ive Manufacturing CAD-Tool
AMC
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23© Universität Duisburg-Essen
Addin für Autodesk Inventor 1 und PTC Creo 2
Stellt AM-spezifische Funktionen und Tools zur Verfügung
Integriert die mit AMP erfassten Daten in den Konstruktionsprozess
Sichert AM-spezifische Besonderheiten
(Stützkonstruktionen/Schichtzerlegung) ab
AMC
1
2
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AMC: CAD Templates (Bsp. Creo)
Template für AM-gerechten Modellaufbau
Bezugselemente für AM
Ermöglicht jederzeit Neuorientierung des CAD-Modells
25© Universität Duisburg-Essen
Importiere AMP-XML
− Importiert AMP-XML Daten um z. B. die Bauraumabmessungen
anzuzeigen
Importieren
− Ruft die Inventor-Importfunktionen für z. B. IGES oder STL auf.
AM Bezugselemente und Ansichten erzeugen
− Erzeugt die Bauteilansichten mit der Z-Achse in Baurichtung,
Bezugsebenen „Platform“, „Front“ und „Side“
AM Bauraum erzeugen
− Liest die Daten für den Bauraum aus der AMP-XML und zeigt diesen
als 3D-Skizze
Schrumpf berücksichtigen
− Zeigt den zur Verfügung stehenden Bauraum unter Berücksichtigung
des Bauteilschrumpfes an
Bounding Box erzeugen
− Erzeugt achsenorientierte Bounding Box des gewählten Features
AMC: Funkt ionen (Bsp. Inventor )
26© Universität Duisburg-Essen
Volumen der Stützkonstruktionen
Angriffsflächen
Lageoptimierung
AMC: Evalu ierung von Stützkonstrukt ionen
Final Surface RP Support Plugin
Final Surface RP Support Plugin
27© Universität Duisburg-Essen
Übergabe der Schichtzerlegungsinformationen aus der CAD-Umgebung
Gleichmäßige und bereichsweise-adaptive Schichtzerlegung
Erstellung von CLI-Schichtdaten
Visualisierung der Schichtzerlegungseffekte
AMC: Schichtzer legung
Final Surface RP Slice Plugin
Final Surface RP
Slicer Plugin
CLI
Schichtdaten
AMC
Bereiche
unterschiedlicher
Schichtdicke
28© Universität Duisburg-Essen
Zusammenfassung und Ausblick
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29© Universität Duisburg-Essen
Additive Manufacturing hat sich als Fertigungstechnologie etabliert
Erforderlich sind Software-Werkzeuge zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses für AM-Produkte
Kommunikation an den Schnittstellen der Prozesskette muss sichergestellt werden
Mit den entwickelten Additive-Manufacturing Tools wird der Gestaltungsprozess unterstützt und strukturierte Informationen werden bereitgestellt
Für AM spezifische Einschränkungen, wie Stützkonstruktionen und Schichtzerlegungseffekte, können konstruktionsbegleitend evaluiert werden
Ein weiterer Ausbau der CAD-Werkzeuge ist geplant, um den Gestaltungsprozess mit AM-gerechten Features weiter zu unterstützen
Zusammenfassung
Dipl.-Ing. Alexander Martha
+49 203 379 3935
Universität Duisburg-Essen
Institut für Produkt Engineering
Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion
www.uni-due.de/cae
Lotharstr. 1
47057 Duisburg
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Das IGF-Vorhaben 424 ZBG der
Forschungsvereinigung Gesellschaft zur
Förderung angewandter Informatik e. V.
wurde über die AiF im Rahmen des
Programms zur Förderung der Industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom
Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.