Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »IDEA«
Generative Fertigungsverfahren eröffnen die Möglichkeit zur Massenfertigung individualisierter Produkte. Selbst äußerst komplexe Strukturen können etwa mittels additiver Laserstrahlverfahren ressourceneffizient hergestellt werden. Allerdings waren die Fertigungsprozesse für additiv gefertigte Bauteile bisher zeitaufwändig und kostspielig, da die einzelnen Prozessschritte isoliert voneinander betrachtet wurden und viele manuelle Eingriffe erforderten. In der Verknüpfung dieser Prozessschritte bei der additiven Fertigung liegt ein großes Potenzial zur Zeit- und Kostenersparnis.
Effiziente additive Prozesskette senkt Produktkosten, Entwicklungs- und Durchlaufzeiten
Im Rahmen des Forschungsprojekts »IDEA - Industrialisierung von Digitalem Engineering und Additiver Fertigung« wurde das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren für eine flexiblere und stärker kundenorientierte industrielle Produktion untersucht. Das Forschungsprojekt hatte das Ziel, eine effiziente additive Prozesskette zu etablieren und die Produktkosten sowie die Entwicklungs- und Durchlaufzeiten um etwa 50 Prozent zu reduzieren. Als Beispiel diente hierbei die Prozesskette für das Pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) für die Serienfertigung.
Um dieses Ziel zu erreichen, setzte das Projektteam vor allem auf Digitalisierungsmethoden. Eine digitale Prozesskette für Produkte, Fertigungsverfahren und -prozesse, Prozesssimulationen, ein modernes Produktionsleitsystem sowie die umfassende Erfassung von Fertigungsdaten bildeten wichtige Komponenten der elf Arbeitspakete.
Ganzheitliche Methodik für eine automatisierte, additiv-subtraktive Prozesskette
Im Rahmen des Projekts wurde eine ganzheitliche Methodik für eine automatisierte, additiv-subtraktive Prozesskette entwickelt, ebenso wie eine Systematik zur Erfassung des Automatisierungsgrads. Zusätzlich wurden Schnittstellen zur Integration automatisierter Systeme in Fertigungsumgebungen definiert, ein Ablaufsimulationsmodell zur Quantifizierung von fertigungstechnologischen und ökonomischen Kennzahlen erstellt und verschiedene Methoden zur automatisierten Pulverentfernung identifiziert und evaluiert.
Simulationsgestützte Methoden zur Entfernung von Stützstrukturen
Im Bereich der Nachbearbeitung wurden durch das Projektteam Methoden zur Entfernung von Stützstrukturen entwickelt. Dabei wurde zunächst der damalige Status quo erfasst, um anschließend eine Methodik zu entwickeln, die eine präzise Simulation des Eingriffs zwischen Werkzeug und Stützstrukturen während der Fräsbearbeitung ermöglichte. Diese Eingriffssimulation hatte zum Ziel, die Spanungsgeometrie während des Fräsprozesses der Stützstrukturen exakt zu beschreiben. Parallel dazu führten experimentelle Untersuchungen zur umfassenden Analyse der Zerspanbarkeit der Stützstrukturen. Die Bewertungen erfolgten anhand aufgenommener Prozesskräfte und einer detaillierten Analyse des Werkzeugverschleißes.
Entscheidungslogik für die optimale Auslegung additiv-subtraktiver Prozessketten
Die digitale Prozesskette erfuhr eine Weiterentwicklung durch die Erarbeitung einer Entscheidungslogik für die optimale Auslegung additiv-subtraktiver Prozessketten. Hierbei flossen Faktoren wie Maschinen, Werkstückmerkmale und Kosten ein. Um die vielfältigen Datenquellen effizient zu nutzen, wurde eine Methodik zur Datenintegration entwickelt. Diese ermöglichte die gleichzeitige Integration und Verarbeitung von Daten aus heterogenen Quellen. Zur praktischen Umsetzung dieser Ansätze wurde das Framework "PyProcessNet" (PPN) implementiert, welches die parallele Datenverarbeitung unterstützte und die nahtlose Zusammenarbeit in der Prozessoptimierung förderte.
Die entwickelten Methoden und Lösungen des Fraunhofer IPT stehen bereits zur Verfügung und unterstützen unsere Partner und Kunden bei der Optimierung ihrer additiven Fertigungsprozesse.
Projektförderung
Das Forschungsprojekt »IDEA - Industrialisierung von Digitalem Engineering und Additiver Fertigung« wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Projektpartner
- Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH, Villingen-Schwenningen
- MTU Aero Engines AG, München
- MBFZ Tool Craft Maschinenbau Fertigungs- und Zerspanungs GmbH, Georgensgmünd
- Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH, Ditzingen
- RWTH Aachen, Lehrstuhl für Digital Additive Produktion, Aachen
- RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor (WZL), Aachen
- Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik IPT, Aachen
- BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH, Dortmund
- Siemens AG, Berlin
- ModuleWorks GmbH, Aachen
- Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH, Lindenberg i. Allgäu
- Allmatic-Jakob Spannsysteme GmbH, Unterthingau
- EOS GmbH Electro Optical Systems, Krailing