Kombination und Integration etablierter Technologien mit additiven Fertigungsverfahren in einer Prozesskette (KitkAdd)

Problemstellung
Die additive Fertigung (3D-Druck) ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteilstrukturen, die bislang nicht möglich waren. Es lassen sich beispielsweise bionische Gitterstrukturen in Zahnräder einbringen, die diese leichter und leiser machen. Aufgrund der noch hohen Herstellkosten werden die Fertigungsverfahren aktuell nur selten in der Serienproduktion angewandt. Hinzu kommt, dass aufgrund fehlender Konstruktionsempfehlungen das Potenzial nicht voll ausgeschöpft werden kann. Zudem führt die mangelnde Prozessfähigkeit der additiven Verfahren zu einem hohen Ausschuss.

Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts KitkAdd war deshalb, durch Kombination der additiven Fertigung mit etablierten Fertigungsverfahren, wie Zerspanen, Sintern sowie Spritzgießen, den gesamten Herstellungsaufwand zu senken. Eine neuartige Prozessüberwachung mittels akustischer Sensorik kann nun zusätzlich den entstehenden Ausschuss minimieren.

Vorgehensweise
Zunächst wurden ausgewählte Bauteile der beteiligten Unternehmen herangezogen und analysiert. Dazu gehörten Zahnräder, eine Turbinenschaufel für Gasturbinen, Komponenten für Arbeitsmaschinen sowie Werkzeuge. Die Analyse diente zur Identifikation der Bauteilbereiche, welche beispielsweise durch Gitterstrukturen eine deutliche Verbesserung der Produkteigenschaften durch eine additive Fertigung erreichen. Zur Gestaltung dieser Bauteile wurden dabei Konstruktionsempfehlungen erarbeitet, welche die Angabe von möglichen Fertigungsgenauigkeiten und Konstruktionsrichtlinien beinhalten. Weitere Bauteilbereiche wurden anschließend mit etablierten Fertigungsverfahren weiterbearbeitet. Die Qualitätssicherung konnte durch ein innovatives akustisches Messprinzip verbessert werden, was eine Reduktion von Eigenspannungen im Bauteil während der Fertigung gewährleistet und somit den Ausschuss minimiert. Für die betrachteten kombinierten Prozessketten wurden zukünftige Fabrikkonzepte zur additiven Fertigung für Großserien entwickelt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Ergebnis liegt nun eine an die additive Fertigung angepasste Konstruktionsmethode vor, die dem Anwender erzielbare Fertigungsgenauigkeiten beschreibt. Produkte können damit so gestaltet werden, dass zum Beispiel durch das Einbringen von Gitterstrukturen ein deutlich höherer Produktnutzen erzielt wird. Für die betrachteten Bauteile wurden industrielle Produktionskonzepte erstellt, die im Vergleich zur rein additiven Prozesskette eine wirtschaftlichere Herstellung ermöglichen. Die Reduzierung des Ausschusses im additiven Fertigungsprozess durch das entwickelte Messsystem wird zu einer Etablierung der additiven Verfahren in weiteren Branchen, wie beispielsweise dem Fahrzeugbau sowie dem Maschinen- und Anlagenbau, beitragen. Die Projektergebnisse wurden in entsprechende Standardisierungsgremien eingebracht.

• Eisenhuth GmbH & Co. KG
• GKN Sinter Metals Engineering GmbH
• H & H Gesellschaft für Engineering und Prototypenbau mbH
• John Deere GmbH & Co. KG - Mannheim Regional Center
• Karlsruher Institut für Technologie (Universitätsaufgabe)
• Schübel GmbH
• Siemens Aktiengesellschaft
• Universität Paderborn