Additive Fertigungstechnologien bauen Werkstücke schichtweise auf, ohne dass produktspezifische Werkzeuge benötigt werden und bieten so die Möglichkeit, schnell und flexibel auf Marktentwicklungen zu reagieren. Das selektive Laserstrahlschmelzen (eng.: Selective Laser Melting, SLM) ist ein Verfahren, das sich für die additive Fertigung von metallischen Werkstücken eignet. Um diese Potenziale der additiven Fertigung auszunutzen, wurden in diesem Forschungsprojekt spezifische Prozesskenntnisse, Werkstoffsimulationen und Konstruktionsvorgehen für SLM interdisziplinär weiterentwickelt.
Das IKTD beteiligte sich am Forschungsprojekt GrantSLAM (Generic parts research and transfer – Selective Laser Melting) mit dem Teilprojekt Design4SLM. Das Forschungsprojekt ist eine Kooperation der Universität Stuttgart, der ARENA 2036 und der TRUMPF GmbH + Co. KG. Neben dem IKTD wirken die Institute IFSW, IFB, IMWF und IFKB am Projekt mit. Des Weiteren werden die Bearbeiter von der Graduiertenschule der Universität Stuttgart (GSaME) unterstützt.
Zielsetzung
Die hohen Kosten, die mit dem SLM verbunden sind, stellen derzeit ein Hindernis für dessen industriellen Einsatz dar. Die beiden Hauptkostentreiber des Verfahrens sind zum einen die Vorbereitungs- und Fertigungszeit, die direkt mit der gravimetrischen Masse der zu fertigenden Werkstücke korreliert, und zum anderen die Nachbearbeitung der rauen Oberflächen der gefertigten Werkstücke. Um diesen Kostentreibern bereits beim Konstruieren zu begegnen, sind massearme Produkte mit einer möglichst geringen Anzahl von benötigten Bauteilen anzustreben. Die Strategien zur Erreichung dieser Ziele sind der Leichtbau und die Funktionsintegration. Ziel des Teilprojekts Design4SLM war es, Konstrukteure dabei zu unterstützen, die spezifischen Vorteile von SLM für Funktionsintegration und Leichtbau zu nutzen, um die Gesamtkosten der hergestellten Produkte zu reduzieren.
Entwickelte Methoden
Eine effiziente Methode zur Funktionsintegration ist es, sich an bereits gestalteten Beispielen zu orientieren und bewährte Integrationsmöglichkeiten zu übernehmen. Konstruktionskataloge können mit beispielhaften Konstruktionen unterstützen, bestehende Konstruktionskataloge gehen jedoch nicht auf die Aspekte der Funktionsintegration ein. Konstruktionskataloge strukturieren häufig nur einzelne Beispielkomponenten, die das Konzept der Funktionsintegration vermitteln. Diese Komponenten passen nicht immer zur aktuellen Problemstellung und die Suche nach geeigneten integrierten Beispielen wurde bisher nicht unterstützt. Im Projekt wurde untersucht, wie die Suche nach funktionsintegrierten Lösungen für ein konkretes Problem vereinfacht werden kann und wie diese Lösungen den Benutzern auf einfache Art und Weise vermittelt werden können. Das Forschungsergebnis ist ein spezieller Konstruktionskatalog, der durch einen multidimensionalen Zugriffsteil das systematische Auffinden funktionsintegrierter Lösungen ermöglicht und durch die Bereitstellung von Basiselementen ein Verständnis für die multifunktionalen bzw. funktionsintegrierten Lösungen vermittelt.
Neben einem geeigneten Beispiel für eine konkrete Problemstellung, von dem Konzepte übernommen werden können, ist auch die Vorgehensweise beim Entwurf der funktionsintegrierten Bauteile und Module wichtig. Ein gängiges Hilfsmittel in diesem Schritt ist die Strategie der einteiligen Maschine nach Ehrlenspiel. Diese Methode wird jedoch auf unterschiedliche Weise angewandt. Im Projekt wurde untersucht, wie Konstruierende bei der Integration von Komponenten in der frühen Entwurfsphase angeleitet werden sollten. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass ein schrittweises Vorgehen zu empfehlen ist, bei dem ein Element nach dem anderen analysiert und mit dem Hauptteil des Entwurfs verbunden wird. Für jede der möglichen Operationen zur Verbindung der Elemente wurden Beispiele entwickelt, um ein besseres Verständnis für die Möglichkeiten zu schaffen.
Neben den Aspekten der Funktionsintegration wurden auch Unterstützungen für den Strukturleichtbau in frühen Phasen der Produktentwicklung untersucht. Der Strukturleichtbau auf der Grundlage von Freihandskizzen wurde vor dieser Arbeit von keinem Werkzeug unterstützt. Konstruierende mussten entweder auf ein digitales Modell wechseln, oder auf Basis ihrer Erfahrungen Leichtbauaspekte berücksichtigen. Um eine effiziente und einfach zu bedienende Unterstützung bei der ersten Auseinandersetzung mit dem Produkt zu bieten, wird ein neuer Ansatz vorgeschlagen. Hierbei analysiert ein Werkzeug die Handskizze des Konstruierenden und gibt Vorschläge für einen optimierten Kraftfluss. Kern des entwickelten Werkzeugs ist eine künstliche Intelligenz, die darauf trainiert wurde, Freihandskizzen hinsichtlich einer kraftflussgerechten Gestalt auszuwerten. Somit können Konstrukteure ohne Modellierung im CAD-System bei der Entwicklung von Leichtbaukonstruktionen unterstützt werden.
Ergebnisse
Die Anwendung der entwickelten Werkzeuge und Methoden wird mittels einer Schulung zum leichtbaugerechten und funktionsintegrierten Konstruieren von SLM‑Bauteilen vermittelt. In den Evaluationen der Methoden mit 37 Studierenden konnten die angestrebten Konstruktionserfolge nachgewiesen werden. Durch die Anwendung der Methoden konnten die Studierenden mehr als 45 % der Bauteile einsparen und erzielten deutlich massereduzierte Konstruktionen. Diese Ergebnisse werden durch Schulungen mit insgesamt 17 Industrievertretern bestätigt. Mehr als 88 % der Schulungsteilnehmenden gaben an, dass sie durch die entwickelte Konstruktionsmethodik befähigt werden, massereduzierte und stärker integrierte Produkte zu entwerfen.