Zusammenfassung Fertigungsverfahren Industire 4.0.pdf

Fertigungsverfahren Industrie 4.0 1. Einführung in die Fertigungstechnik Einführung 1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge in der Fertigungstechnik - Fertigungstechnik befasst sich mit der Formgebung und Veränderung der Eigenschaften von Bauteilen - DIN 8580 beschreibt die daz...

Fertigungsverfahren Industrie 4.0 1. Einführung in die Fertigungstechnik Einführung 1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge in der Fertigungstechnik - Fertigungstechnik befasst sich mit der Formgebung und Veränderung der Eigenschaften von Bauteilen - DIN 8580 beschreibt die dazugehörigen Prozesse - Hauptgruppen: Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern - Fertigungsverfahren orientieren sich am Begriff des Zusammenhalts der Werkstoffe: Werkstoffe - Neben Stahl als meist verwendeten Konstruktionswerkstoff gibt es Werkstoffe wie Leichtmetalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe - Aspekte zur Werkstoffwahl sind u.a. Festigkeit, Zähigkeit, Korrosions-, Hitze- und Verschleißbeständigkeit, Verarbeitbarkeit, Verfügbarkeit und Kosten - Leichtbau --> maximale Gewichtseinsparung, kann Betriebskosten senken oder Nutzlasten erhöhen (Typische Werkstoffe: Alu, Titan, faserverstärkte Kunststoffe, Verbundwerkstoffe) - Bei Verbundwerkstoffen werden günstige Eigenschaften kombiniert - CFK: Hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit Anforderungen an Werkstoffe - Im Maschinenbau wird oft Stahl verwendet aufgrund von Eignung, Preis und Verfügbarkeit -> kann mit Legierungen sehr universell angepasst werden - Im Automobil und Fahrzeugbau werden immer öfter Faserverbundwerkstoffe (z.B. CFK „Carbon“) benutzt - Aufgrund von Schwingbelastungen kann meist nicht die volle Zug- oder Druckfestigkeit ausgenutzt werden - Wichtigste Verbundwerkstoffe: o Glasfaser-(GFK), Kohlenstofffaser- (CFK) und aramidfaserverstärkte Kunststoffe (AFK) - Die Fasern sind die tragenden und versteifenden Teile des Verbunds - Die Matrix (Kunststoff) dient dazu, die Fasern in der richtigen Lage zu halten und überträgt die Schubkräfte - durch den Einsatz von Kohlenfaserverbundwerkstoffen sind Gewichtsreduzierungen bis zu 25% möglich - neue Materialen nur sinnvoll, wenn Mehrkosten vertretbar sind Mengenleistung (Flexibilität und Automatisierungsgrad) - die Flexibilität und der Automatisierungsgrad sind wesentliche Anforderung an die Wirtschaftlichkeit der Produktion - Flexibilität: Fähigkeit, eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauteilen (Geometrien) herzustellen - Automatisierungsgrad: Anteil der manuellen Tätigkeiten o 0%: Arbeitsperson muss ständig anwesend sein o 100%: Fertigungseinrichtung läuft allein vollautomatisch - Beide Aspekte schließen sich gegenseitig aus, denn: o Hochflexible Fertigungsanlagen sind i.d.R. Universalmaschinen welche gar nicht oder gering automatisiert sind o Hochautomatisierte Fertigungsanlagen sind kaum flexibel, da sie für ein bestimmtes Teil konfiguriert sind Fertigungszeiten - Für die Kalkulation, die Lohnrechnung und die Fertigungsplanung von großer Bedeutung - Detaillierte Zeitanalyse für jeden Bauteil -> Vorgabezeiten - Eine der bedeutendsten Methoden dafür: REFA-System o Ermittlung der Vorgabezeiten (IST-Zeiten): Stellen die zeitliche Belastung des Menschen oder der Fertigungseinrichtung im Prozess dar -> getrennte Betrachtung für Arbeitsperson (Vorgabezeit) und Betriebsmittel (Belegungszeit) -> Ermittlung durch Befragung, Selbstaufschreiben oder Zeitstudien o Ermittlung der Grundzeiten, Verteilzeiten und der Erholungszeit (nur bei Personen) o SOLL-Zeiten: Zeiten die im Rahmen des Prozesses von Menschen (Ausführungszeit) und Betriebsmitteln (Belegungszeit) benötigt werden -> Es wird von Normalleistung 100% ausgegangen Neben der REFA-Methode gibt es weitere Methoden, um die zeitliche Belastung von Arbeitsprozessen zu ermitteln. Dazu zählen die Work-Factor-Methode (WF) oder die MTM- Methode (Methods-Time Measurment). Dies sind beides Systeme mit vorbestimmten Zeiten. Qualität - Ziel ist es, dass das Ergebnis der Fertigung Fehlerfrei ist - Insbesondere die Massenproduktion erfordert ständige Sicherstellung der Prozesse und Prozessfähigkeit im Einklang mit den jeweiligen Qualitätsstandards DIN EN ISO 9001: - „Qualität wird als Grad der Erfüllung inhärenter (zugehörender) Merkmale an die Anforderung definiert. Die Qualität gibt damit an, in welchem Maße ein Produkt (oder eine Dienstleistung) den Anforderungen entspricht.“ - Installation von Qualitätsmanagementsystemen (QMS) führ zu einem Anstieg der Produktivität und gleichzeitig zu verbesserten betrieblichen Ergebnissen - Fehler zu beseitigen ist sehr kostenintensiv --> kosten vervielfachen sich je nach Stadium des Fehlers (siehe Abbildung) - Deswegen ist ein Qualitätsmanagement unbedingt notwendig - Methoden wie FMEA werden zur frühzeitigen Erkennung von Fehlern eingesetzt - Kosten zur Beseitigung von Fehlern steigen mit jeder Stufe um den Faktor 10 (10-er Regel) - In vielen Branchen ist ein QMS nach DIN EN ISO 9001 vorgeschrieben Produktionsmanagement - Umfasst Produktions-, Planungs- und Steuerungssysteme wie z.B. SAP Toyota Production System: o Integriert, soziale und technische Philosophie für die Produktion der Industrie o Organisationssystem für die Produktion und die Logistik o Im Zuge dessen wurde der Begriff der Verschwendung definiert (7 Arten) ➔ Überproduktion ➔ Materialbestände ➔ Transporte und Laufwege ➔ Umständliche Bearbeitung ➔ Umständliche Bewegungen ➔ Wartezeiten ➔ Nacharbeiten ➔ (zusätzlich) ungenutzte Fähigkeit der Mitarbeiter Lean Management: - Ist im Rahmen der Entwicklung des TPS entstanden - Umfasst Methoden zur effizienteren Gestaltung der Wertschöpfungskette Kaizen-System: - Hat das Ziel, aus Fehlern zu lernen -> „Fehler sind die Chancen zur Verbesserung“ Fertigungskosten - Unerlässlich für die Betrachtung der Wettbewerbsfähigkeit und zur Preisermittlung - Durch den Vergleich der Kosten in der Fertigung mit dem Erlös lässt sich das Ergebnis (Gewinn oder Verlust) ermitteln - Wichtigste Aufgaben der Kosten- und Leistungsrechnung: o Kosten und Leistungen einer Abrechnungsperiode erfassen o Herstell- und Selbstkosten eines Bauteils bestimmen o Kalkulationen (SOLL-Kosten) erstellen o Entscheidungsgrundlagen liefern - Fertigungskosten entstehen durch Fertigungseinzelkosten (Löhne), pauschale Fertigungsgemeinkosten (Hilfs- und Betriebsstoffe, Energiekosten) und Sondereinzelkosten (Vorrichtungen, externe Bearbeitung etc.) 1.2 Historische Entwicklung der Fertigung 1.3Diskussion über den Long Tail - Produkte eines Herstellers folgen üblicherweise dem Pareto-Prinzip (80-20 Regel) o Besagt, dass 80% des wirtschaftlichen Ergebnisses mit 20% des Gesamtaufwand erreicht werden -> restlichen 20% des Erfolgs benötigen 80% des Aufwands - Diese 20% bilden Nischenprodukte o Diese Produkte lassen sich meist nur in Einzel- oder Kleinstserienfertigung produzieren o Befinden sich im Bereich des Long Tails o Additive Verfahren und Vertrieb im Internet senken die Kosten und machen diese Produkte wirtschaftlicher - Theorie des Long Tails basiert auf der Annahme, dass durch das Internet gerade Nischenprodukte für den wirtschaftlichen Erfolg eines Unternehmens sehr wichtig sein können 2.Fertigungshauptgruppen nach DIN 8580 - Je nach angewendeten Fertigungsverfahren unterscheide sich Maß-, Form- und Lagegenauigkeit sowie die Oberflächenstruktur - Deshalb muss immer das für die gewünschte Genauigkeit und Oberflächengüte geeignetste Verfahren angewendet werden - Neben den oben genannten Anforderungen spielt die Wirtschaftlichkeit ebenso eine wichtige Rolle --> erfordert möglichst hoch automatisierte, aber auch hochflexible Fertigungssysteme Urformen - Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen von Zusammenhalt o z.B. aus Gasen, Flüssigkeiten, Pulver, Fasern etc. - die wichtigsten Verfahren sind die Verfahren zum Schaffen des Zusammenhalts: o aus dem flüssigen oder breiigen Zustand (Gießen) o aus dem festen, körnigen oder pulvrigen Zustand von Metallen (pressen, sintern) o durch additive Fertigungsverfahren Gießereitechnik - eignet sich besonders gut für die Massenproduktion - Probleme können beim Erstarrungsvorgang entstehen (Schrumpfung, Lunkern) - Hohlräume können mithilfe eines Kerns leicht hergestellt werden - Modell- und Formbau sind teuer - Verlorene Formen/Modelle (Sand/Gips etc.) werden beim Prozess zerstört - Dauerformen/Dauermodelle (Metall/Kunstsoff/Holz) können wiederverwendet werden - Spezifische Schwindung --> tritt bei Abkühlung von Erstarrungstemperatur auf Raumtemperatur auf - Die Qualität der Gussteile hängt von der chemischen Zusammensetzung der Schmelze sowie der Gefügestruktur im festen Zustand ab - Eine gießgerechte Konstruktion des Gussteils ist von großer Bedeutung - Eins der ältesten und wichtigsten verfahren ist der Sandguss: - Ein weiteres wichtiges Verfahren ist der Feinguss o Kleinste Bauteile in hoher Präzision mit wenig Nacharbeit möglich o Wachausschmelzverfahren - Modell wird aus Wachs hergestellt --> verlorene Modelle - Diese Modelle werden zu Modelltrauben zusammengesetzt welchen dann in keramischer Schlickermasse getaucht und anschließend besandet und gebrannt o Wachs schmilzt dabei aus - Gießen von Gussstücken von 0,01 kg bis mehrere Hundert kg - Toleranz bei etwas 0,4 bis 0,7% vom Nennmaß - Mit diesem Verfahren lassen sich präzise Integralbauteile herstellen, welche folgende Vorteile haben: o Verringerung Anzahl der Teile o Reduzierung der Montagezeit o Herstellkosten senken Sintertechnik (Pulvermetallurgie) - Verfahren zu Herstellung von metallischen Formkörpern aus Metallpulver o Partikelgröße beträgt ca. 0,1-1,0 mm - Schmelztemperatur des Basismetalls wird nicht erreicht - Verschiedene Metallpulver, welche sich in der Schmelze nicht legieren lassen können somit im Festkörperbereich gemischt werden --> Pseudolegierungen - Porenraum lässt sich durch Pressdruck variieren --> bei hoher Volumenerfüllung ähnliche Eigenschaften im Vergleich zu erschmolzenen Bauteilen Urformen von Kunststoffen - Ausgangsmaterial meist Kunststoffgranulat - Oft angewendete Verfahren: Spritzguss oder Extrusion - Meist Verwendung von Thermoplasten o Duroplaste erfordern komplexere Prozesse, da sie mit eingemischten Vernetzungsstoffen (Härter) verarbeitet werden müssen Extrudieren und Spritzgießen - Kunststoff wird als Granulat eingezogen und im Extruder erwärmt bis er aufgeschmolzen ist - Danach wird der flüssige Kunststoff in das Formwerkzeug gespritzt --> kühlt ab und erstarrt --> geteilte Werkzeug wird geöffnet und Bauteil ausgestoßen - Komplizierte Formteile können voll automatisiert und in hohen Stückzahlen produziert werden --> hohe Genauigkeit, verschiedenste Oberflächenstrukturen - Formwerkzeuge sehr teuer, können aber für die Herstellung von bis zu einigen Millionen Teilen verwendet werden --> nur für größere Stückzahlen wirtschaftlich Tiefziehen Kunststoffe - Umformprozess, bei welcher (meist Thermoplaste) erwärmt werden und mit geringer Umformkraft in eine neue Form gebracht werden Kalandrieren - Formgebung erfolgt durch Walzen --> wird häufig in der Kunststoff-Halbzeugfertigung eingesetzt Blasformen - Herstellung von hohlen Formkörpern (Flaschen etc.) o Thermoplast-Vorformling wird erzeugt und in einer Form aufgeblasen Kunststoffverbundbauteile - CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) o Anwendung nimmt insbesondere im Flugzeugbau zu Schichtverbunde - GLARE (Glass Laminated Aluminium Reinforced Epoxy) o Besteht aus mehreren Lagen (ca. 3-5 Lagen) circa 0,3mm dünnen Aluminiumblechen und Zwischenschichten aus Klebe- und Glasfaserfolien (GFK – glasfaserversärkte Kunststoffe) Faserverbunde - Bestehen aus Matrix-Werkstoff (Epoxid-Harz oder Duroplaste) und einem Faserwerkstoff (Glas- oder Kohlenstofffiber) als Festigkeitsträger o Gewichtsreduzierungen bis zu ca. 30% und Kostenreduzierungen um ca. 40% gegenüber metallischen Leichtbaustrukturen - Vorteile in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit --> Ausrichtung der Fasern entsprechend der Belastung spielt eine große Rolle - Nutzung momentan noch eingeschränkt, da keine kosteneffizienten Herstellungsverfahren verfügbar sind o Nasstechnologie (PREPREG) --> vorimprägnierte Gelege werden ausgehärtet o Trockentechnologie (Textiltechnik) --> trockene Fasern werden geformt und eingelegt und mit Matrixwerkstoff verbudnen 2.2 Umformtechnik - beruht auf der bleibenden plastischen Verformbarkeit der - Fertigungsverfahren zum Umformen erfordern immer, dass der Werkstoff in den plastischen Bereich kommt --> Notwendigkeit einer Spannung, die die Fleißgrenze (Streckgrenze) des Werkstoffes überschreitet - Werkstoffe weisen üblicherweise eine Verfestigung während der Umformung auf - Umformverfahren werden im umfangreichen Maße zur Herstellung von Halbzeugen eingesetzt (Walzen von Profilen, Strangpressen etc.) --> Warmformgebungsverfahren - mit Anstieg der plastischen Verformung steigt die Verfestigung und das Risiko zur Rissbildung - Warmformgebung: leichtere Verformbarkeit, aber Abbau der Verfestigung - Kaltformgebung: hohe Spannungen erforderlich, dafür erhebliche Verfestigung der Werkstoffe Gesenkschmieden - Plastische Verformungen werden bei hohen Temperaturen mit begrenzenden Werkzeugen erzeugt --> Fasern der Werkstoffe werden verschoben, aber erhalten - Wesentlicher unterschied im vergleich zu spanend bearbeiteten Teilen bei der dynamischen Belastungsfähigkeit --> Geschmiedete Bauteile haben durch den erhalt der Fasern eine weitaus höhere Belastungsfähigkeit als spanend hergestellte Bauteile - Zur Herstellung Sicherheitsrelevanter Bauteile - Wirtschaftlichkeit setzt eine hohe Stückzahl voraus --> Gesenkwerkzeug ist teuer Biegen - Biegemoment wird in das Ausgangsmaterial eingeleitet, welches eine dauerhafte, plastische Verformung bewirkt Streckziehen - Kaltumformverfahren für große Blechteile (z.B.: Beplankung Flugzeuge) - Bleche sind in Spannvorrichtungen eingespannt und werden über das Formwerkzeug gezogen --> Werkzeug hat innere Form des Blechbauteils - Einfache und kostengünstige Ausführung der Streckziehwerkzeuge o Auch für kleine und mittlere Stückzahlen Tiefziehen - Zum Herstellen von Hohlkörpern - Werkzeug besteht aus Stempel, Matrize und Niederhalter - Anwendung im Karosseriebau 2.3 Trennen (Zerteilen, Zerspanung, Abtragen) Zerteilen (Stanzen) - Scherschneiden (Stanzen) gehört der Gruppe Zerteilen an, welche zu den Trennverfahren zählt - Heutzutage werden Stanzvorgänge mehr und mehr durch Laserschneidanlagen ersetzt Zerspanung - Es wird unterschieden zwischen: o Spanen mit geometrisch bestimmten Schneidformen (Bohren, Drehen, Fräsen) o Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneidformen (Schleifen, Hohnen) - Keilförmige Werkzeuge dringen in die Oberfläche des Werkstücks ein und schält den Span ab --> Schneidstoff muss wesentlich härter als das zu bearbeitende Material sein o Einfache Werkezugstähle zur Bearbeitung weicher Materialien o Spezielle Werkzeugstähle, Keramik, HM etc. für härtere Materialien  - Eines der größten Probleme der spanenden Fertigung ist der Werkzeugverschleiß o Hohe Temperaturen, Abrieb, Oxidation --> Werkzeugwechsel oder schärfen o HM-Werkzeuge können einfach gewendet werden o Verschleiß bedeutet Maßstabsabweichungen und Veränderung der Oberfläche o Standzeit --> Zeit die das Werkzeug im Eingriff bleiben darf („Lebensdauer“) - Sehr hohe Genauigkeit 1/100mm bei Bauteilgröße bis zu 8m - Durch CNC-Technik hochautomatisiert möglich - Höchste Wirtschaftlichkeit bei Komplettbearbeitung auf einer Maschine in einer Aufspannung Hochgeschwindigkeitsfräsen HSC (Flugzeugbau) - Schnittgeschwindigkeiten bis 1.000 m/min, Drehzahlen bis 30.000 1/min und Vorschubgeschwindigkeiten bis 3.000 mm/s - Hohe Oberflächengüte, erhöhte Genauigkeit und hohe Wirtschaftlichkeit - Große Bedeutung bei der Alu-Bearbeitung mit geringen Wandstärken - Geringere Schnittkräfte --> gut für dünnwandige Bauteile Abtragen - Teilgruppe des Trennens - Dazu zählen: Thermisches Abtragen (Funkenerosion), chemisches Abtragen, elektrochemisches Abtragen - Funkerosion (EDM – Electro Discharge Machining) o Werkstück ist im Dielektrikum (Petroleum) --> Werkzeug erzeugt hohe Spannung und durch Funkenentladung wird Material abgetragen - Elektrochemisches Abtragen (ECM – Electro Chemical Machining) o Bei harten, schwer zerspanbaren Werkzeugen (Werkzeugbau) o Werkstück befindet sich im Elektrolyten, Werkstück ist die Anode und Werkzeug die Kathode --> durch Gleichspannungimpulse fließt ein Strom, welche die Oberfläche des Werkstücks auflöst - Chemisches Abtragen o Mittels Säure 2.4 Fügen  - Die ersten fünf Gruppen haben eine große Bedeutung in der Automobilbranche - Anteil der Montage macht ca. 50% im Automobilbau und ca. 70% im Flugzeugbau aus Nieten - Unlösbare Verbindung mit Anwendung bei Metallen oder auch CFK-Komponenten - Wenn Vollniete nicht den nötigen Anforderungen entsprechen, werden Passnieten eingesetzt Schweißen - Stoffschlüssiges Fügeverfahren --> unlösbare Verbindung - Insbesondere im Bereich Maschinenbau und Automobilbau weit verbreitet - Durch Gegenmaßnahmen, kann den Problemen entgegengewirkt werden o Auswahl geeigneter Verfahren, Schweißzusatz, Nachbehandlung, Vorwärmen Schmelzschweißen - Nachteile: thermische Beeinflussung der Bauteile, Stoffeigenschaftsänderungen, Eigenspannung, Kristallbildung - Es wird zwischen Schmelzschweißen und Pressschweißen unterschieden: o Schmelzschweißen: Materialien werden aufgeschmolzen und verbinden sich somit im flüssigen Zustand o Pressschweißen: Durch Wirkung von Wärme und Druck entstehen atomare Bindungskräfte - Beim Schmelzschweißen kann der Grundwerkstoff durch starke Erhitzung und Abkühlung ungünstige Eigenschaften entwickeln --> deutliche Änderungen der mechanischen Eigenschaften möglich - Die Wärmeeinflusszone (WEZ) bestimmt den Bereich, welche von der hohen Wärmeentwicklung betroffen ist --> im direkten Zusammenhang mit der Energiedichte der Schweißart - Niedrige Energiedichte (Gasschweißen) --> hoher Einfluss - Hohe Energiedichte (z.B.: WIG) --> kleiner Einfluss --> besseres Ergebnis - Energiedichte der Wärmequelle hat somit einen wesentlichen Einfluss auf die Folgen und die Qualität des Schweißergebnisses Pressschweißen - Keine Schmelze --> wesentlich geringerer negativer Einfluss - Pressschweißverbindungen sind immer vorzuziehen --> wenn es möglich ist Reibrührschweißen (Friction Stir Welding) - Im Flugzeugbau zur Blechschweißung (großflächige Bauteile) - Reibungsenergie wird durch rotierendes, verschleißfestes Werkzeug erreicht - Rotierendes Werkzeug wird mit hoher Kraft auf den Fügespalt gedrückt --> Wärme wird durch das Werkzeug eingebracht (Reibung) --> Durchmischung der Fügezone Laserstrahlschweißen - sowohl beim Gaslaser (CO2) als auch beim Festkörperlaser (NdYAG) werden hohe Strahlenintensitäten erzeugt, welche vom Material absorbiert werden und es kommt zur Bildung einer Dampfkapillare (Hohlraum mit Metalldampf) --> sehr hohe Energiedichte - Anwendung im Bereich anspruchsvoller Konstruktionen und Materialien - Durch Wegfall von Nieten lässt sich Gewicht sparen und die Korrosionsbeständigkeit ist erhöht Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) - Lichtbogen-Schmelzschweißverfahren --> arbeitet mit inerten Schutzgasen (Ar, He) - Geringer Wärmeeintrag und kleine WEZ --> kleinerer Verzug, höhere Güte Elektronenstrahlschweißen - Energie durch von Hochspannung (60-150 kV) beschleunigte Elektronen --> werden im Vakuum in die Prozesszone eingebracht und im Hochvakuum auf höchste Geschwindigkeiten beschleunigt - Bei Aufprall auf das Werkstück wird kinetische Energie in Wärme umgewandelt, welche die Schweißzone aufschmelzen lassen --> Röntgenstrahlung entsteht - Höhere Leistungsdichte und Wirkungsgrad als Laserstrahlschweißen - Verwendung von Schutzgasen entfällt, da im Vakuum gearbeitet wird - Für höchstwertige Schweißnähte in anspruchsvollen Werkstoffen Löten - Thermisches Fertigungsverfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von Bauteilen - Lot als Verbindungsmittel geht durch Diffusion eine atomare Verbindung mit den Bauteilen (Kohäsionskräfte) ein 3. Additive Fertigungsfahren Grundprinzipien - Bauteil wird schichtweise durch das Schaffen von Zusammenhalt aufgebaut - Es wird zwischen folgenden Anwendungsgebieten unterschieden: o Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing - Drastische Reduzierung von Lagerhaltung --> “on demand“ Fertigung - Additive Fertigung erfolgt nach den folgenden Aspekten: o Formgebung nicht durch Reduzierung (subtraktiv), sondern durch Addition o Material ist formloser Stoff o Aufbau schichtweise o Ohne formgebende Werkzeuge Rechtliche Aspekte - Entwickler als Produktverantwortlicher legt normalerweise alle nötigen Spezifikationen fest --> Wer übernimmt nun Verantwortung, wenn diese Teile weit weg oder sogar anonym gefertigt werden? - Zur Sicherung des Urheberrechts ist die Patent Eintragung und Registrierung dringend notwendig - Wer haftet bei evtl. Versagen der Bauteile (Zulieferer, Konstrukteur oder OEM)? o Klare Vorgaben und Regeln für Konstruktion, Produktion und QS erforderlich - Notwendigkeit von Definition von Prüfregeln (CE-Richtlinien) „Für die additiven Fertigungsverfahren bedarf es hier sicherlich noch vielfältiger juristischer Klärungen“ Druckverfahren Stereolithografie (STL) - Schichtweiser Aufbau, durch Vernetzung von aushärtbaren Kunststoffen - Wesentlicher Teil ist das Becken mit dem flüssigen photosensitiven oder wärmesensitiven Polymer - Plattform taucht ein in 0,05 – 0,3 mm Schritten, Laser mit X-/Y- Steuerung härtet Schichten aus (durch UV-Licht oder Wärme) - Werkstück befindet sich bis zum Ende im flüssigen Kunststoffbad - Im Nachgang werden Harzreste und eventuelle Stützstruktur entfernt - Erzielbare Genauigkeit liegt bei ca. 50 mü --> Genauigkeit und Oberflächengüte liegen somit auf hohem Niveau Materialien: - Lichtaushärtenden Photopolymere auf Epoxy- oder Acrylbasis (meist Epoxidharz) o Hohe Festigkeit, geringe Schlagempfindlichkeit, Abriebfestigkeit, hohe Maßgenauigkeit, Flexibilität und gute elektrische Isolierung - Bei Raumtemperatur flüssig --> werden durch Laser polymerisiert - Üblicherweise mit Additiven versetzt, um bestimmte Eigenschaften zu erfüllen - Kosten vergleichsweise hoch Selektives Lasersinter (SLS) und selektives Strahlschmerzen mit Laser- (SLM) oder Elektronenstrahl (SEBM) - Bei SLS wir ein Metallpulver, dessen Partikel mit Kunststoff beschichtet sind, durch das Anschmelzen der Kunststoffschicht zum Festkörper aufgebaut --> geht ebenso mit Kunststoffpulvern, Metallpulvern oder auch Sandkörner, welche mit Polymeren beschichtet sind (Sandgussformen für Gießereitechnik) - Nach Fertigstellung des Modells, kommt dieses in einen Sinterofen, wo der Kunststoffanteil ausgetrieben wird und durch Diffusion eine atomare Verbindung der Metallteilchen hergestellt wird - Es sind unterschiedlichste Werkstoffe zur Anwendung möglich (Stähle, Aluminium, Titan)  - Bei SLM oder SEBM wird mithilfe eines energiereichen Strahls ein Kunststoff- oder Metallpulvergemisch aufgeschmolzen und mit der darunterliegenden Schicht verbunden - Im Gegensatz zu SLS wird bei SLM und SEBM das Metallpulver direkt verschmolzen (findet aber weniger angewandt) - Der Prozess findet unter der Wirkung eines Schutzgases oder im Vakuum statt - Erreichbare Dichte der Bauteile beträgt bis ca. 99% --> entsprechen weitgehend der Eigenschaften von koventionell hergestelleten Werkstücken Fused Deposition Modeling (FDM) - Bauteil wird schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff (Thermoplast) aufgebaut - Bauplattform ist in Z-Richtung verfahrbar, Spritzkopf mit beheizbarer Düse (in x- und y- Richtung verfahrbar) extrudiert den Thermoplast oder das Wachs auf die Plattform - Material wird im FDM-Kopf von einem Extruder eingezogen und erwärmt - Bauplattform senkt sich nach fertigstellen einer Sicht immer um ein Inkrement (ca. 0,02-1,0 mm) ab - Genauigkeit liegt im Bereich von ca. 0,1-0,15 mm Materialien: - Formwachse und Thermoplaste - Thermoplastische Elastomere Vorteile:  - Hohe Genauigkeit - Bauteile für anspruchsvolle Tests - Herstellung von Befestigungsteilen, Werkzeugen, Prototypen oder auch Prothesen Multi-Jet Modeling (MJM)/Poly-Jet-Verfahren (PJM) - Flüssiger Kunststoff oder Wachs wird mit einem Druckkopf, ähnlich wie beim Tintenstahldrucker, auf die Plattform aufgetragen --> kühlt ab und wird fest - Ebenso mit UV-Licht- empfindlichen Kunststoffen möglich - Druck mit Einzel- oder Mehrfachdüsen möglich - Hohe Genauigkeit Materialien: - Üblicherweise Thermoplaste als Photopolymere --> lassen sich durch UV aushärten - Wachse 3D-Druckverfahren (3DP)  - Pulverbasiertes Verfahren, welches selektiv und schichtweise Pulver verfestigt - Mithilfe eines Piezo-Injektors wird Bindemittel in die Pulverschicht injiziert --> aus dieser Schicht wird ein fester Stoff, welcher sich auch mit dem Untergrund verbindet - Voraussetzung: Werkstoff muss in Pulverform existieren und sich mit Bindemittel oder Klebstoff benetzen lasen Materialien: - z.B.: Metalle, Keramiken, Sand oder Kunststoffe Laminierverfahren: Layer Laminated Manufacturing (LLM)/Layer Object Modeling (LOM) - das jeweilige Baumaterial wird als Werkstoff ausgeschnitten (Folien) und schichtweise auf die Plattform oder die jeweilig darunterliegende Schicht aufgebracht - dies geschieht durch Verklebung oder Polymerisation - Geometrie der Folien wird mit Laserschneideinrichtungen, Schneiddrähten oder Fräseinrichtungen hergestellt - Besonders für massive und große Bauteile geeignet - Massive Anisotropie (Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften) und hoher Aufwand für Nachbearbeitung - Ausschnitte und Bohrungen müssen manuell entfernt werden - Bei flachen Schrägen sind ebene und durchgehende Oberflächen nur aufwendig herstellbar  - Bauteile aus Papier müssen zum Schutz behandelt werden → Nacharbeit recht hoch Materialien: - Papier-, Kunststoff- oder Metallfolien --> bei Metall werden die Schichten entweder geschweißt oder geklebt Selektives Maskensintern (SMS) - Schichtweiser Auftrag von Kunststoffpulver, welches mithilfe eines flächigen Infrarotstrahles aufgeschmolzen wird --> Masken definieren den Bereich und lenke n das Licht dementsprechend ab - Strahlungsintervall beträgt ca. 10-20 s - Die Formmasken werden schichtweise erstellt --> Toner wird auf Glasplatte aufgebracht (elektrostatisch) und verhindert dort das Durchtreten des IR-Lichtes - Schneller als SLS-Verfahren, da komplette Fläche auf einmal (integral) belichtet wird 4. Rapid Prototyping Begriffsbestimmung - Hat das Ziel, in möglichst kurzer Zeit von einem CAD-Bauteil, ein Prototyp zu erzeugen - Um einen sogenannten Geometrie-Prototypen zu erzeugen, eignen sich die additiven Fertigungsverfahren besonders gut - Eigenschaften sind in dieser Phase zweitrangig --> Material fällt nicht ins Gewicht - Meistverwendetet Verfahren: STL, 3DP und FDM - Erfüllt wirtschaftliche Anforderungen in der Einzel- und Kleinstfertigung Strategische und operative Aspekte  - Wichtiger Aspekt ist die Entwicklungszeit - Mithilfe von Rapid Prototyping lassen sich Qualität und Entwicklungszeit erheblich verbessern/verkürzen - Bereitstellung von Designmustern und Funktionsmodellen ist besonders hilfreich für einen schnellen Entwicklungsprozess Anwendungsgebiete und -beispiele - Automobil- und Flugzeugbau usw. - -> schnelle Erstellung von Anschauungs- und Funktionsmustern direkt aus CAD- Dateien - Größte Bedeutung in der frühen Entwicklungsphase - Ziel: Einklang zwischen Zeit und Kosten sowie Design und Funktionalität - Modellarten: Design-Modell (hohes Maß an Details und Oberflächenqualität), Ergonomie-Modell (Bedienung verdeutlichen), Funktions-Modell (Funktional zur Prüfung der Anwendung) - Design, Abstimmung und Akzeptanz können somit in eine frühere Phase verschoben werden --> Planungsfehler lassen in früher erkennen und es kann gegengelenkt werden 5. Rapid Tooling Begriffsbestimmung, strategische und operative Aspekte - Einsatz von additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkzeugen für Fertigungsprozesse (z.B.: Gussform und Kern aus Formsand oder Spritgusswerkzeug) o Sandformen- und Kerne als verlorene Teile für Gießereitechnick (3DP) o Werkzeugeinsätze aus Metall für Kunststoff-Spritzguss (SLM) - SLM ist das wichtigste generative Verfahren zur Herstellung metallischer Werkzeuge - Besonderheit: Möglichkeit der Einbringung von internen konturnahen Kühlkanälen o Verbessertes Kühlverhalten --> kürzere Zykluszeiten, bessere Qualität  - Vorteile von Rapid Tooling: schnelle Produktbereitstellung durch schnelle Werkzeuge --> Anschauungs- und Funktionsmodelle in früher Phase mit realem Werkstoff, kurze Entwicklungszeit, günstiger als herkömmlich - Geeignet für kleine und mittelgroße Serien - Erhebliche Verkürzung der Entwicklungszeit und der Time-to-Market Indirekte und direkte Verfahren - Indirekte Herstellung: Anfertigung von Urmodell mit additiven Verfahre, von welchem dann eine Gussform/Kern im klassischen Verfahren produziert wird - Direktes Verfahren: Herstellen der Sandform und des Sandkerns, um erste Teile damit zu produzieren --> Formsand wird in Schichten mit Bindemittel vernetzt Anwendung - Einsätze aus temperaturmäßig hochbelastbarem Kunststoff als Formnest (STL) - Konventionelle Formen sind sehr teuer und Änderungen sind schwierig --> Herstellung von Prototypen Formeinsätzen aus Kunststoff (STL) oder Metall (SLS/SLM) - Aluminiumformen lassen sich günstig herstellen, halten bis ca. 30.000 Stück und erlauben die Verwendung von glasfaserverstärktem Kunststoff 6. Rapid Manufacturing - Wesentlicher Vorteil liegt darin, dass vorher keine Werkzeuge hergestellt werden müssen --> werkzeuglos direkt aus CAD-Daten - für Bauteile in Einzelfertigung oder für Kleinstserien - Möglichkeit, vor Beginn der Fertigung erste Bauteile aus Vorserienteile zu erzeugen Potenziale und Anforderungen an die Verfahren - Vorteile: o Werkzeuglose und flexibler Einsatz o Verringerung der Time-to-Market  o Verminderung von Entwicklungszeit- und Kosten durch schnelle Realisierung o Just-in-Time Produktion --> keine Lagerhaltung o Hohe geometrische Komplexität meist wenig aufwendig o Geometrieänderungen jederzeit durch Datenänderung möglich o Umfassende und kurzfristige Funktionstests möglich - Nachteile sind die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Fertigungszeiten - Besondere Potenziale: o Schnelle Ersatzteilfertigung o Erzeugung der Teile am Ort der Verwendung o Herstellung von Bauteilen, die mit üblichen Verfahren wegen ihrer Geometrie nicht herstellbar wären --> wirtschaftliche Herstellung von Integralbauteilen - Wichtig ist, dass sich die Anforderungen der Eigenschaften an die Konstruktion mindestens erreichen lassen --> müssen mit den Eigenschaften von konventionell gefertigten Werkstücken verglichen werden - Mangel an einschlägigen Standards und Normen für die additive Herstellung Umsetzung, Anwendungsgebiete und Beispiele - Anwendung in Feldern, wo eine Einzelfertigung vorherrscht --> Medizinbereich - Wegfall von Lagerhaltung und Verteilung --> Teile können überall produziert werden 7. Cyber-Physische Produktionsanlagen Herleitung der Begriffe Industrie 4.0 und Cyber-physische Systeme - Übergeordnetes Ziel ist die Produktivität und die Effizienz der Industrie zu verbessern - Wesentlich ist, dass modernste Informations- und Kommunikationstechnologie ihren Einzug hält --> digital vernetzte Systeme in der Produktion und Mitarbeiter kommunizieren mit diesen Systemen - Integrierte digitale Prozesse sollen alle Phasen des Lebenszyklus eines Produktes begleiten - Optimierung durch Integration und parallele Bearbeitung in Produktion und Logistik  o Reduzierung der Kosten der einzelnen Phasen und Qualitätssteigerung - Steigerung von Effektivität und Effizienz - Möglichkeit der Verbessrung von Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit durch Industrie 4.0 - Größter Profit bei kleinen und mittleren Unternehmen da Sprung von Stauts-Quo zu Industrie 4.0 am größten ist - Veränderungen der Arbeitsorganisation --> Örtliche Trennung von Entwicklung/Konstruktion und Produktion durch additive Verfahren Megatrend Cyber Physical Systems (CPS) “Cyber-Physical Systems (CPS) sind gekennzeichnet durch eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundenen Informationsnetzen“ - Netzwerk von Informationstechnsichen Systemen o Innerhalb des Netzwerkes arbeiten die Teilsysteme autark - Physikalische Welt wächst zum „Internet der Dinge“ zusammen - Entwicklung immer leistungsfähigerer Systeme mit „embedded Software“ - Wichtiger Aspekt ist die Integrierbarkeit von Sensoren und Aktoren in komplexe Netzwerke - Gesamtsysteme erfassen und steuern Zustände in ihrem Umfeld - Daten der physikalischen Welt werden mit den Daten der virtuellen Welt zusammengeführt --> Internet der Dinge - Beispiel hierfür ist ein Navigationssystem mit Live-Verkehrsdaten - Für Unternehmen bietet der Einsatz von CPS ein großes Flexibilisierungs- und Automatisierungspotenzial o Eröffnet neue Märkte o Attraktivere Produkte --> Fertigungsfortschritt kann z.B. in Echtzeit verfolgt werden Definition Cyber-physische Produktionsanlage - Wesentlich ist, dass Netzwerk und Datenaustausch über das Internet laufen - Kompletter Planungsprozess wird dabei von IT-Systemen durchgeführt  - Beteiligte Gruppen (Zuliefere, interne und externe Produktionseinheiten etc.) sollen über das Netzwerk am Planungsprozess beteiligt sein - Industrie 4.0 erlaubt Zugriff auf sämtliche produktionsrelevanten Daten o Möglichkeit aktiv in den Produktionsablauf durch Korrekturen einzugreifen Realisierung der folgenden Felder umfasst die Einführung von CPS: - Automation - Digitale Netzwerke - Cloud-Computing --> Speicherung und Berechnung von Daten in Clouds - IoT - Big Data --> zentralisierte Datenspeicherung (Werkstücke, Werkzeuge, z.B. RFID-Chips zur Datenspeicherung) - System Integration Auswirkungen auf Planung und Betrieb von Produktionsanlagen - Das zukünftige Datenmanagement und die Strategie zur Verarbeitung der Daten ist das zentrale Thema von Cyber Physical Systems (CPS) - Die zu bearbeitenden Produkte besitze durch geeigneten Datenträger die kompletten Informationen vom Auftragsablauf --> komplette Ablauf im Detail geplant (Details zu den Bearbeitungen etc.) - Der Datenaustausch umfasst neben Produktion auch Logistik mit Lagerung und Versand - In der Vergangenheit wurden diese Planungsprozesse von technischen Mitarbeitern in der Arbeitsvorbereitung und Fertigungssteuerung erledigt --> zukünftig durch IT- Systeme mit Einbindung sämtlicher beteiligter Gruppen Dynamische Rekonfiguration und Migration von Produktionsanlagen - Flexible Produktionsanlagen müssen in kürzester Zeit durch dynamische Rekonfiguration auf neue Bedingungen angepasst werden --> Rüstaufwand der klassischen Produktion o Schnelle adaptionsfähigkeit von Software, Mechanik und Elektrik (wichtige Voraussetzung für diese Struktur) Migration zur Industrie 4.0-Fertigung - Unternehmen müssen aufgrund von Veränderungen den Schritt von autarken, meist nicht vernetzten IT-Systemen zu integrierten Lösungen bewältigen o IT-Systeme unternehmensintern und -extern vernetzen - Entscheidend ist, dass entsprechende Basistechnologien bereitstehen