KSB Stiftung fördert Projekt zur additiven Fertigung

OptiAM- Gestaltung additiv-subtraktiver Prozessketten der Fertigung

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen eine große geometrische Gestaltungsfreiheit und eine, durch schichtweises Auftragen von Material,  endkonturnahe Fertigung ohne produktspezifisches Werkzeug. Damit kann eine flexiblere Produktgestaltung, kürzere Prozessketten im Vergleich zur konventionellen Fertigung  und ein hoher Individualisierungsgrad erreicht werden. Additive Fertigungsverfahren bieten damit ein großes Potential individuelle Kundenwünsche zu erfüllen. Ein Hindernis zur weiteren Verbreitung der additiven Fertigung ist unter anderem die nicht ausreichende Oberflächenqualität für Funktionsbauteile. Um Anforderungen an Geometrie und Oberflächengüte zu erfüllen, wird der additiven Fertigung oft eine spanende Bearbeitung nachgelagert. Spanende Fertigungsverfahren sind flexibel einsetzbar und gut beherrscht. Bauteile, die additiv gefertigt wurden, unterscheiden sich allerdings in der Zerspanbarkeit von konventionellen Bauteilen. Ein Grund dafür ist das prozessbedingt anisotrope Gefüge. Infolgedessen hängen Prozesskräfte und Werkzeugverschleiß von der Aufbaurichtung des additiven Bauteils ab. Ein Problem der additiven Fertigung mit anschließender spanender Nachbearbeitung ist das mangelnde Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozessen. Deshalb können Einzelprozesse nicht genau aufeinander abgestimmt werden und die Bauteilbearbeitung führt oft zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen. Mit der erforderlichen Nachbearbeitung erhöht sich außerdem der Zeitbedarf und die Kosten zur Herstellung von Funktionsbauteilen und die Vorteile der additiven Fertigung werden damit teilweise relativiert.

Um einen wirtschaftlichen Einsatz zu ermöglichen, sollen im Projekt „OptiAM“ additiv-subtraktive Prozessketten untersucht und hinsichtlich technologischer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte optimiert werden. Im ersten Jahr werden die Einflüsse verschiedener Prozessparameter auf den Prozess des selektiven Laserschmelzens untersucht. Das selektive Laserschmelzen ist ein pulverbasiertes additives Fertigungsverfahren, das sich aufgrund der großen verfügbaren Materialpalette und den hohen erreichbaren Festigkeiten in den letzten Jahren etabliert hat. Durch Variation der Prozessparameter wie z.B. Laserleistung und Schichtdicke können Bauteile mit verschiedenen Eigenschaften gefertigt werden. Besonders die Randzoneneigenschaften, die Porosität und die Oberfläche sind für den technischen Einsatz von Bedeutung. Diese Eigenschaften werden vor der Weiterbearbeitung auf einer HSC (High Speed Cutting) Fräsmaschine charakterisiert. Vorteile der HSC Bearbeitung sind sowohl die schnelle Bearbeitung als auch die geringen Zerspankräfte und eine hohe erzielbare Oberflächengüte. Besonders für additiv gefertigte Bauteile, die aufgrund von Leichtbauoptimierungen oft dünnwandig konstruiert werden, ist die HSC Bearbeitung mit den geringen Prozesskräften geeignet. Bei der Fräsbearbeitung wird der Einfluss verschiedener Fräsparameter sowohl auf die Bauteileigenschaften als auch auf die Zerspanbarkeit untersucht. Als Referenz sollen die Bearbeitung und resultierenden Eigenschaften eines konventionell hergestellten Bauteils dienen. Neben den technologischen Aspekten der additiv-subtraktiven Bearbeitung werden auch wirtschaftliche Einflüsse untersucht. Dazu zählen neben Anschaffungs- und Lohnkosten auch die Energiekosten. Mit den Ergebnissen dieser Untersuchungen kann ein umfangreiches Modell zur Prozesskettengestaltung und -optimierung erstellt werden. Am Ende wird eine unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten multikriteriell optimierte Prozesskette aus additiver Fertigung und nachgelagerter subtraktiver Fertigung zur Verfügung stehen. Weiterhin tragen die Untersuchungen zum umfassenden Verständnis der Interaktionen zwischen additiver und subtraktiver Fertigung und deren Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften bei. Im letzten Projektabschnitt werden die Erkenntnisse der ersten Teile auf das Laserauftragsschweißen übertragen. Damit soll ein Vergleich der Prozessketten verschiedener pulverbasierter additiver Fertigungsverfahren ermöglicht werden. Das Projekt wird von der KSB Stiftung gefördert und läuft über einen Zeitraum von 3 Jahren.