Quo vadis, Hybride Fertigung? Wie können Automatisierungslösungen für die Hybride Fertigung entwickelt werden?

Hybrid Production

Hybride Fertigung bedeutet im Zusammenhang mit metallischem 3D-Druck die integrative Kombination von additiven und subtraktiven Fertigungsverfahren - sowohl bei der Daten- als auch bei der Anlagentechnik. Der Ansatz hier, ist die sinnvolle Ergänzung der Vorteile beider Verfahren, bei gleichzeitiger Kompensation der jeweiligen Nachteile.

Typische Vertreter von additiven Verfahren sind pulverbettbasierte Verfahren wie Selective Laser Melting (SLM) oder Auftragsschweißverfahren, wie Direct Energy Deposition (DED). Bei den pulverbettbasierten Verfahren wird metallisches Pulver mit Hilfe eins Schiebers schichtweise aufgetragen und mit Hilfe eines spiegelgeführten Lasers an den Stellen aufgeschmolzen, an denen ein Materialauftrag erfolgen soll. Beim DED Verfahren wird das aufzutragende Material draht- oder pulverförmig mit Hilfe eines mehrachsig geführten Bearbeitungskopfes an die Bearbeitungsstelle gebracht und mit Hilfe von Wärmeenergie aufgeschmolzen. Die Wärmeenergie kann dabei mit Hilfe eines Lasers oder eines elektrischen Lichtbogens zugeführt werden.

Additive Fertigung als wichtiger Pfeiler

Vorteile dieser additiven Verfahren sind eine deutlich erhöhte geometrische Gestaltungsfreiheit und damit eine noch stärker an den Anforderungen der Bauteilfunktion orientierte Möglichkeit der Gestaltung. So lässt sich z.B. eine Funktionsintegration realisieren, um die Anzahl von Bauteilen für eine Baugruppe zu reduzieren. Insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich lassen sich mit den additiven Fertigungsverfahren Leichtbaukonzepte umsetzen die z.B. bionischen Prinzipien folgen. Diese lassen sich mit den klassischen subtraktiven Fertigungsverfahren nicht umsetzen.

Obwohl die genannten Verfahren in der Lage sind, Bauteilgeometrien endkonturnah zu erzeugen, ist es mit diesen Verfahren nicht möglich, die Qualitäts- und Genauigkeitsanforderungen für Funktionsflächen oder Passungen einzuhalten. Daher ist eine nachträgliche Bearbeitung mit einem subtraktiven Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel dem Fräsen notwendig. Weiterhin erfordern additive Fertigungsverfahren ggf. zusätzliche Hilfsstrukturen um Überhänge abzustützen, Wärme abzuleiten oder Verzüge zu vermeiden. Diese Hilfsstrukturen müssen nach dem 3D-Druckprozess wieder entfernt werden, was ebenfalls mit Hilfe trennender Verfahren möglich ist.

Erhöhte Anforderungen an Prozessplanung und NC-Fertigung

Auf Seiten der Anlagentechnik gibt es bereits Hybride Fertigungssysteme, die in der Lage sind, additive und subtraktive Prozesse kombiniert durchzuführen, ohne dass ein weiteres Handling der Bauteile notwendig ist. Weiterhin können insbesondere beim DED-Verfahren additive und subtraktive Prozesse in einer Aufspannung beliebig kombiniert werden, was den Materialeinsatz optimiert.

Die Planung von Bearbeitungsaufgaben im Bereich der Hybriden Fertigung stellt allerdings erhöhte Anforderungen an die Prozessplanung und die NC-Programmierung. So muss bei der optimalen Planung der Bearbeitungsaufgaben berücksichtigt werden, dass Störkonturen, die erst während der additiven Bearbeitungsprozesse entstehen, bei der Bewegung des Bearbeitungskopfes auch erst nach dem Aufbau der entsprechenden Geometrie berücksichtigt werden müssen.

Leider reicht es für die Offline-Programmierung von additiven Verfahren nicht aus, subtraktive Fertigungsstrategien einfach in entgegengesetzter Richtung ablaufen zu lassen. In der Regel ist es für den Fräsprozess nicht relevant, ob ein Fräswerkzeug mehrmals über eine bereits gefräste Stelle geführt wird. Bei additiven Fertigungsverfahren würde dies jedoch sofort zu Ausschuss führen, wenn der Bearbeitungskopf beim Auftrag einer Schicht mehrmals über eine Stelle geführt wird.

Datenqualität entscheidend

Neben diesen Anforderungen existieren noch weitere Anforderungen in Bezug auf die Datenintegration entlang der Prozesskette hybrider Fertigungsverfahren. Das im Zusammenhang mit der Planung von additiven Fertigungsprozessen sehr häufig eingesetzte STL-Format führt zu einem Bruch in der Informationskette, da sämtliche technologischen und topologischen Information, die der Konstrukteur in einem 3D-CAD-Modell abbildet, durch die Umwandlung in ein approximierendes Facettenmodell, wie es das STL-Format darstellt, verloren gehen. Diese approximierte Repräsentation der Bauteilgeometrie eignet sich in der Regel auch nicht für die Planung von exakten Fräsbearbeitungen. Weiterhin rücken diese Nachteile des STL-Formates durch die zunehmende Leistungsfähigkeit additiver Fertigungsverfahren immer weiter in den Fokus. Dies liegt unter anderem daran, dass die Steigerung der Genauigkeit eines Facettenmodells mit einem überproportionalen Anstieg der Datenmenge einhergeht - ohne den Informationsgehalt signifikant weiter zu erhöhen. Daher muss ein optimierter Datenintegrationsansatz direkt auf der Verwendung des exakten 3D-CAD-Modells aufsetzen.

In heutigen 3D-CAD-Systemen kann nicht nur die Bauteilgestalt exakt repräsentiert werden, sondern zusätzlich auch topologische und technologische Informationen, wie fertigungsrelevante Gestaltmerkmale (wie z.B. Bohrungen, Taschen und Rippen). Dazu zählen ebenfalls fertigungsrelevante Qualitätsinformationen, wie Toleranzen und Oberflächengüten. Eine durchgängige Verwaltung dieser Informationen würde helfen, den komplexen Planungsprozess für die Hybride Fertigung zu automatisieren und damit wirtschaftlicher zu gestalten.

Wegweisende Forschungsprojekte

Um diese Anforderungen zu adressieren, beteiligt sich die CENIT derzeit an zwei Forschungsprojekten im Bereich der hybriden Fertigungsverfahren. Bei dem EU-geförderten Projekt Bionic Aircraft geht es um die ganzheitliche Betrachtung des Lebenszyklus additiv gefertigter Leichtbauteile für die Luftfahrtindustrie. Von der Konstruktion bis zum Recycling. Beim BMBF-geförderten Vorhaben PR0F1T beschäftigt sich die CENIT mit der datentechnischen Integration der Prozesskette für die hybride Fertigung sowie einer optimierten Datenaufbereitung für den hybriden Fertigungsprozess, der direkt auf dem exakten 3D-CAD-Modell aufsetzt. Durch die Vielzahl der beteiligten Softwarewerkzeuge für Strukturanalyse, Topologieoptimierung, Konstruktion, Fertigungsdatenaufbereitung - sowohl für additive wie auch für subtraktive Prozesse - sowie die Qualitätsdatenerfassung und –auswertung entsteht ein erweiterter Bedarf nach der datentechnischen Integration der Prozesskette für die hybride Fertigung. Diese ist -Stand heute -bislang nur unzureichend gelöst.

Die gesammelten Erkenntnisse aus diesen Forschungsvorhaben fließen sowohl in CENITs Digitale Fabrik Lösung FASTSUITE Edition 2 ein als auch in das Beratungsportfolio der CENIT für den zukünftig vielversprechenden Bereich der hybriden Fertigung.

Gerne treten wir mit Ihnen in den Dialog über dieses wegweisende Aufgabenfeld. Und suchen gemeinsam nach Lösungen für Ihr Vorhaben.

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