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Generative Komplexität auf wirtschaftliche Grundkörper

Additive Verfahren für die Serienfertigung? Das muss kein Widerspruch sein!

Additiven Fertigungsverfahren wird oft fehlende Wirtschaftlichkeit und mangelhafte Prozessfähigkeit für die industrielle Nutzung in der Serienfertigung attestiert. Ferner haben nur wenige Bauteile eine derartig hohe Komplexität, dass sie bereits heute den Einsatz beispielsweise pulverbettbasierter Methoden rechtfertigen.  

Im Rahmen dieses Verbundprojektes soll ein Prozess, bei dem per Laser Titan auf Blechbauteile aufgetragen wird, in eine bestehende, industrielle Anlage integriert werden.

Die wirtschaftlichen Vorteile der konventionellen Fertigung beispielsweise von Rohrbauteilen werden mit den Möglichkeiten der additiven Fertigung kombiniert, sodass komplexe Gesamtbauteile kostengünstig hergestellt werden können. Außerdem sind mit dieser Verfahrenskombination Bauteile unterschiedlichster Größe vergleichbar schnell realisierbar. Der sogenannte Laserauftragsschweiß-Prozess (engl. laser metal deposition, LMD) erlaubt es, dreidimensionale Grundkörper um Strukturen zu ergänzen, wobei die Aufbauzeit prozessbedingt vergleichsweise kurz ist. Die geringe Wandstärke der Grundkörper (Blechrohre) stellt dabei eine der Herausforderungen dar, die durch eine innovative Herangehensweise an das additive Fertigungsverfahren gelöst werden sollen. Solche Lösungen bergen ein großes Marktpotenzial in der metallverarbeitenden Industrie. Sie werden zu einer Weiterverbreitung des wirtschaftlichen Einsatzes additiver Prozesse in der Serienfertigung und damit der Sicherung hochqualifizierte Arbeitsplätze in Deutschland beitragen.

Hybrider Fertigungsansatz kombiniert technologische und wirtschaftliche Vorteile zweier Welten: Konventionelle Blechfertigung und additives Verfahren

Zunächst werden in einem konventionellen Rundungsprozess aus einem Blech ein Rohr hergestellt und etwa durch Bohren und Aushalsen Abgänge in dieses Rohr eingebracht. Um den Rohrabgang mit einem Flansch zu versehen, wird dann mittels LMD additiv ein Rohling auf die durch die Aushalsung hergestellte Blechkante aufgebaut, der durch Nach-Zerspanung in die passgenaue Flanschgeometrie überführt wird.

Die aus vorgelagerten Prozessschritten resultierenden Toleranzen der Blechbauteile müssen für den nachfolgenden additiven Aufbauprozess berücksichtigt und kompensiert werden. Um diese individuellen Bauteildaten zu erfassen, wird ein optisches Messsystem in die Prozesskammer integriert, das die Daten an eine spezielle 3D-Druck Software weiterleitet.

Ein Algorithmus berechnet dann die notwendige Anpassung der Aufbauplanung des additiven Verfahrens. Zusätzlich wird während des gesamten Aufbauprozesses immer wieder die SOLL- mit der IST-Geometrie verglichen, sodass auf ein prozessbedingtes Verziehen des Bauteils reagiert werden kann. Zur Steigerung der Prozesssicherheit wird die Prozessdüse, welche sich in der Nähe des Bauteils befindet, mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, die während des Prozesses ständig Daten an die Überwachungs- und Regelungssoftware liefern. Nach dem additiven Aufbau werden die Dicht- und Passflächen der Bauteile nachträglich zerspanend bearbeitet, um die notwendige Genauigkeit zu erreichen. Auch hierfür sollen die Prozessdaten zur Planung der Zerspanung herangezogen werden. Insgesamt wird eine „beim-ersten-Mal-richtig“-Fertigung angestrebt, um den Ausschuss so gering wie möglich zu halten.

Die fertigen Bauteile werden auf Festigkeit und Dichtheit geprüft, insbesondere an den Übergangsstellen. Alle Erkenntnisse und Daten sollen in einem Design- und Auslegungskatalog münden, welcher neue Verfahrenskombinationen und Anwendungsmöglichkeiten aufzeigen soll.

Ansprechpartner

Dr.Philip Kahl
+49 211 6214 -106

Projektdetails

Koordinator

Dr.Markus Gutensohn
PFW Aerospace GmbH
Am Neuen Rheinhafen 10 , 67346Speyer
+49 6232 616-4219

Projektvolumen

ca. 4,1 Mio. € (Förderquote 57,1 %)

Projektdauer

01.03.2019 - 28.02.2022

Projektpartner

PFW Aerospace GmbHSpeyer
Karl H. Arnold Maschinenfabrik GmbH & Co. KGRavensburg
S.K.M. Informatik GmbHSchwerin
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)Dresden
TU Dresden – Institut für WerkstoffwissenschaftDresden