Forschungsfeld CAD-CAM Additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren, auch als 3D-Drucken bezeichnet, rücken immer weiter in den Fokus der industriellen Anwendung. Besonders die Tatsache, dass die Möglichkeiten „konventioneller“ Fertigungsverfahren weitestgehend bekannt sind und nahezu perfektioniert wurden, lenkt den Blick bei der Produktentwicklung auf additive Technologien. Einschränkungen, die aus der werkzeuggebundenen Fertigung resultieren, sind hier nicht bekannt. Im Gegenteil, additive Technologien können durch die vergleichsweise effiziente Abbildung komplexer Geometrie ihre Stärken zeigen. Im Rahmen der Untersuchung dieser Möglichkeiten werden am Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion Potentiale aufgedeckt, die mit der herkömmlichen Prozesskette nicht oder nur sehr schwer abgebildet werden können.

Der Fokus liegt hier insbesondere auf den Bereich zu Beginn der Prozesskette Additiver Fertigungsverfahren. So werden am Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion Methoden und Algorithmen entwickelt, die das Ziel haben die „digitale“ Prozesskette von den CAD- bis hin zu den Fertigungsdaten zu unterstützen. Dabei werden die Themen der fertigungsgerechten CAD-Datenerzeugung, des Datenaustausches, der Schichtdaten- sowie Pfadgenerierung, der Optimierung der Bauteilorientierung und Bauteilplatzierung sowie die Qualitätssicherung dieser Prä-Prozessschritte bearbeitet. Die Bearbeitung und Erforschung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Rapid Technology Center (RTC) des Lehrstuhls für Fertigungstechnik.

Einen aktuellen Überblick über den Stand der Technik & Wissenschaft liefert auch der VDI-Statusreport "Additive Fertigungsverfahren":

Softwareentwicklung für Additive Ferigungsverfahren Additive Manufacturing Tools

Die Additive Manufacturing Tools (AMT) sind Eigenentwicklungen für den Bereich F&E. Mit AMT können die grundlegenden Parameter und Randbedingungen additiver Technologien und Prozesse erfasst und kommuniziert werden.

DFG-Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Fertigungstechnik Multiziel-Optimierung des Prä-Prozesses zur Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile

Auf Grund des fehlenden Nachweises über die technologische Reife, sowie unzureichender Prozessrobustheit mit direkter Konsequenz auf die Reproduzierbarkeit und fehlender Maschinen- und Prozessfähigkeit, können die Bauteileigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen bis heute nicht ausreichend nachgewiesen werden. Ein Nachweis kann hier durch die Beherrschbarkeit der Materialien und Prozesse sowie die Qualifizierung der Prozessparameter und Erfassung der Wechselwirkungen aller Komponenten entlang der gesamten Prozesskette erbracht werden.

In dem DFG-Projekt „Multiziel-Optimierung des Pre-Prozesses zur Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile“ wurden diesbezüglich Methoden zur Optimierung der Planungs- und Fertigungsprozesse entwickelt. Dies implizierte die Qualifizierung von Prozessparametern und deren Wechselwirkungen in Bezug auf definierte Bauteileigenschaften, die Ermittlung geeigneter Bauteilorientierungen im Bauraum und deren Optimierung unter Beachtung ausgewählter qualitativer und wirtschaftlicher Randbedingungen. Die angestrebte Multiziel-Optimierung hinsichtlich Bauteilorientierung wurde mit Hilfe von Routinen der algorithmischen Geometrie sowie evolutionären Algorithmen realisiert. Das Projekt wurde 2013 mit dem Ziel abgeschlossen, offene Themen in der zweiten Förderperiode zu bearbeiten.

AiF-Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Fertigungstechnik und der GFaI Wissensbasiertes Unterstützungssystem für Rapid Manufacturing gerechte 3D-CAD-CAM-Prozesse

In dem AiF-Projekt „Wissensbasiertes Unterstützungssystem für Rapid Prototyping gerechte 3D-CAD-CAM-Prozesse“ (IGF 15351 BG) konnten die beteiligten Forschungsstellen bereits einen Beitrag zur Verbesserung der Situation bei der Bereitstellung von konkretem und anwendungsbereiten Wissen für Nutzer und Neueinsteiger in Additive Fertigungsverfahren erreichen. Als Verfahren wurden hier zunächst das Laser-Sintern, das Strahlschmelzen, das 3D-Printing, das Multi-Jet Modeling und die Stereolithographie betrachtet. Ein Schwerpunkt war dabei die Ermittlung einer fertigungsgerechten Bauteilorientierung unter Beachtung von qualitativen und wirtschaftlichen Randbedingungen. Hier ist es gelungen Konzepte zu entwickeln, wie die verschiedenen Einflussfaktoren unter Beachtung konkreter Anwendungssituationen in Optimierungsstrategien eingebunden werden können. Einen weiteren Schwerpunkt bildete die Aufstellung von verfahrensspezifischen Konstruktionsrichtlinien und von ersten Regeln zur Herstellung funktionaler Bauteile. Darüber wurden allgemeine Themen wie der Einfluss der STL-Daten auf die Bauteilqualität betrachtet und entsprechende Empfehlungen für den Anwender abgeleitet.

Die Ergebnisse des Projektes zeigten, dass großes Potential zur Weiterarbeit besteht. Daher wird von 2012 bis 2014 das entsprechende Folgeprojekt (IGF 424 ZBG) mit der Zielstellung bearbeitet, den Anwender in der gesamten Prozesskette von der Konstruktion bis zum Endprodukt zu unterstützen. Dafür werden Lösungen zur Qualifizierung der Produktmodelldaten und für die Automatisierung und Optimierung wesentlicher Schritte des Pre-Prozesses unter Einbeziehung bisher nicht berücksichtigter Aspekte und Möglichkeiten gefunden.

Forschungsfeld CAD-CAM Konventionelle Fertigung

Der Einsatz von 3D-CAD-Systemen, Berechnungs- und Simulationswerkzeugen ist zum Industriestandard geworden. Das betrifft auch die CAM-Systeme, die es ermöglichen, aus den virtuellen Produktmodellen (3D-CAD-Modellen) die Arbeitsschritte zur Herstellung von Bauteilen abzuleiten. Die Nutzung eines 3D-CAD-Modells als gemeinsame Datenbasis ist Voraussetzung für die Qualitätssicherung im Übergang vom virtuellen zum physikalischen Modell. Diese Basis wird durch die Implementierung der Fertigungsinformationen und des Fertigungswissens in das 3D-CAD-Produktmodell abgeschlossen. Daraus folgt, dass bereits in der Produktentwicklung ein Augenmerk auf die Fertigungsmöglichkeiten und Fertigungseinrichtungen gelegt werden muss. So soll das Ziel erreicht werden die Fertigungszeiten bzw. -kosten zu minimieren und die Fertigungsqualität zu steigern. Dies soll allerdings nicht bedeuten, dass der Konstrukteur ab jetzt auch zum Fertigungsexperten wird, sondern es sollen dem Konstrukteur Methoden und Features zum Aufbau von abgesicherten Geometriemodellen zur Verfügung gestellt werden. Ziel ist somit, dass die erzeugten Modelle letztendlich der Fertigungsrealität entsprechen.

Ziel2-Forschungsprojekt in Kooperation mit dem IKT der RWTH Aachen, den Firmen Berghoff, InfoKey und CAD Schroer Effizienzsteigerung der CAD-CAM-Prozesskette durch fertigungsgerechte CAD-Modellierungsmethoden (EFCAMP)

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer fertigungsorientierten Modellierungsmethodik und eines CAD-basierten Tools für eine zuverlässige Prognose und Optimierung der entstehenden Kosten und der benötigten Zeit für spanende Fertigungsprozesse. Durch den Einsatz von Feature-basierten Verfahren zur Abbildung der Fertigungsprozesse ist der Konstrukteur dann in der Lage schon in einer frühen Phase der Produktentstehung eine Kosten- und Zeitabschätzung für die konstruierten Bauteile vorzunehmen. Hierbei spielen Faktoren wie Oberflächenanforderungen, Toleranzen, Fertigungsgenauigkeiten, Werkzeugauswahl, Materialabtrag und Zerspanparameter eine zentrale Rolle. Die Verknüpfung der entsprechenden Fertigungs- und Analysefeature mit einer ebenfalls zu entwickelnden wissensbasierten Anwendungslösung liefert dann optimierte Gestaltparameter und verbesserte Kombinationen der notwendigen Fertigungsschritte. Die Entwicklung der fertigungsorientierten CAD-Strategien soll stets auch vor dem Hintergrund erfolgen, die Übertragung von Informationen an CAM-Systeme und die damit verbundene Generierung von NC-Folgen zu vereinfachen. Zur experimentellen Untersuchung und praktischen Umsetzung des Konzeptes wurden zwei CAD-CAM-Systemkonstellationen ausgewählt. Zum einen wird ein CAx-System genutzt, in dem bereits die CAD-CAM-Module verknüpft sind (z. B. Creo), zum anderen sollen Funktionalitäten eines externen CAM-Systems (z. B. Tebis) in den CAD-internen Optimierungsprozess eingebunden werden. Als CAD-Systeme werden Creo und SolidWorks verwendet, wobei eine Übertragung auf andere CAD-Systeme möglich sein wird. Zunächst beschränkt sich das Vorhaben auf Dreh-, Fräs-, und Bohrvorgänge und der damit erzeugbaren Geometrie.

Förderer:

DFG-Projekt in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststofftechnik (KKM) Wissensbasierte Produktplanung und Konstruktion spritzgegossener Formteile

Im von der DFG geförderten Kooperationsprojekt „Wissensbasierte Produktplanung und Konstruktion spritzgegossener Formteile“ wird u. a. eine Methode für eine integrierte Produktsimulation entwickelt. Wesentliche Ziele sind die Ermöglichung einer wissensbasierten Beurteilung der Fertigungsmöglichkeiten und der Werkstoffvorauswahl für eine sichere und objektive Produktplanung. Ebenso soll eine Beschleunigung der Formteilgestaltung und –auslegung durch die Reduzierung erforderlicher Optimierungsschritte durch den Einsatz von wissensbasierten Systemen erreicht werden.