Forum Konstruktion

DIENSTAG, 5. JUNI 2018

Ort: CongressCenter, 2. OG, Raum Chr. Reichart

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08:30 - 09:30
Check-In
09:30 - 09:35
Begrüßung Carl-Zeiss Saal
09:35 - 10:30

Additive Fertigungsverfahren (AM), zum Zweck des Prototypings imVersuchsfahrzeugbau und die Fahrzeugentwicklung, sind seit mittlerweile knapp 30 Jahren im Einsatz und für diesen Nutzen etabliert. Die BMW Group gilt nicht nur als "early adopter" in diesem Feld, da die Technologien frühzeitig zielgerichtet eingesetzt wurden, sondern auch als etablierter Partner, wenn es darum geht neue Potentialfelder für neueste AM Technologien oder Werkstoffe zu identifizieren.
Sowohl auf Seiten der kunststoffbasierten, als auch auf Seiten der metallbasierten AM Verfahren wurde in den letzten Jahren intensiv mit einer strategischen Roadmap an der Serienbefähigung als logische Weiterführung zum Prototyping gearbeitet. Das verfolgte Ziel war es dabei nicht „Showcases“ zu generieren, sondern stets die gezielte Nutzung der verfahrensspezifischen Vorteile – Werkzeugsubstitution bei Kleinserien, Personalisierung, sowie belastungs- und verfahrensgerechte Bauteilauslegung für die Serie.
Anhand einiger Pilotprojekte wurde bereits in der Vergangenheit erfolgreich gezeigt, wo die AM-Verfahren für Kundenbauteile zum Einsatz kommen können. Mittlerweile ist die Additive Fertigung eine wichtige Säule der Digitalisierungsstrategie im Produktionsnetzwerk der BMW Group, um auch zukünftig nachhaltig und effizient produzieren zu können. Durch die Zusammenarbeit mit neuen Start-Ups und innovativen Partnern im AM Umfeld steigen die Qualität, Wirtschaftlichkeit und somit auch die Einsatzgebiete, weshalb es für die BMW Group essentiell ist weiterhin Vorreiter auf dem Gebiet der Additiven Fertigung zu bleiben.
In dem Vortrag wird gezeigt, wie der Serieneinsatz von AM-Technologien stufenweise vorangetrieben und umgesetzt wurde. Dabei wird neben der technischen und wirtschaftlichen Ebene auch auf strategisch zielführende Investitionen und Partnerschaften eingegangen, sowie gezeigt wie entsprechende Abnehmerprojekte mit der Fokussierung auf Bauteile in Endkundenqualität entwickelt und abgesichert wurden.

Keynote 1
Dr. Dominik Rietzel | BMW Group

Herr Dr.-Ing. Dominik Rietzel studierte an der TU München Chemieingenieurwesen mit der Vertiefungsrichtung Werkstoffe und deren mechanische Eigenschaften. Seine Diplomarbeit befasste sich mit der Qualifizierung von Kunststoffen für medizinische Anwendungen und wurde mit dem DIN Preis für Standardisierung ausgezeichnet. Die Dissertation mit dem Titel "Werkstoffverhalten und Prozessanalyse beim Laser-Sintern von Thermoplasten" fertigte er in der Zeit von 2007 bis 2011 am Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg an. Die erlangten Erkenntnisse können besonders zur Qualifizierung und Verbesserung der Verarbeitbarkeit neuer Thermoplaste genutzt werden, da sie einen Einblick in die fundamentalen Zusammenhänge des Schmelz- und Kristallisationsvorgangs bei pulverbettbasierten Verfahren geben. Herr Rietzel gehörte diversen Normungsgremien an und konnte als stellvertretender Leiter der VDI Fachausschusses "Additive Manufacturing - Kunststoffe" dazu beitragen die erste Richtlinie zur Güteüberwachung von Laser-Sinterbauteilen (VDI 3405 Blatt 1) zu realisieren.
Nach seiner Promotion sammelte er erste industrielle Erfahrungen in der Automobilbranche bei der MAN Truck & Bus GmbH, wo er zuletzt die "Qualitätssicherung, Korrosionsschutzlinie und Lackdisposition" in der Fahrerhauslackiererei verantwortet hat. Auch in dieser Zeit befasste er sich weiter mit der Additiven Fertigung und war unter anderem als Berater für Anlagenhersteller in AM Bereich tätig.
Mit seinem Wechsel zur BMW Group legte er seinen Schwerpunkt wieder auf AM Technologien und deren Anwendungen im automobilen Umfeld. Dabei war er unter anderem für die Integration neuer Technologien in die Fertigung (z.B. MJF oder CLIP) verantwortlich. In dieser Vorentwicklungstätigkeit konnten die ersten Ansätze geschaffen werden für die Personalisierung von Produkten, wie beispielsweise dem Side Scuttle oder der Dekorblende von MINI, welche in 2018 mit „MINI Yours Customised“ in Serie gegangen sind. Seit 2016 leitet Herr Rietzel im Additive Manufacturing Center der BMW Group die Fachabteilung Nichtmetalle und ist dort für die F&E Aktivitäten, den Prototypenbau sowie die Serienproduktion verantwortlich.

10:30 - 10:45
Pause
Session 1
Moderation: Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer, Universität Paderborn
10:45 - 11:15

Die Topologieoptimierung (TO) als Teil der Bauteilauslegung wird mit fort-schreitend industrieller Nutzung der additiven Fertigungsverfahren zuneh-mend interessanter. Studien haben gezeigt, welches Optimierungspotenzial die additive Fertigung (AM) durch Nutzung der rechnergestützten Strukturop-timierung hat. Die Umsetzung dieser Optimierungen in Form von Bauteilqua-lifizierungen durch Versuche zeigt mitunter Abweichungen zum Simulations-ergebnis. Grund hierfür sind Annahmen, Aufbau und Zieldefinition der Struk-turoptimierung. Anhand des bekannten AM-Bracket und dessen Ergebnissen auf dem Prüfstand wurden im Rahmen eines Projekts weitere Optimierungen durchgeführt, um den Einfluss geänderter Zielkriterien und Restriktionen der Simulation und Zielkriterien zu verstehen. Bei den Weiterentwicklungen des Bracket ist das Gewicht um 22 % im Vergleich zum konventionellen Bauteil reduziert worden bei gleichzeitiger Erhöhung der Steifigkeit. Mit verringerter Wichtung des Optimierungszieles „Minimale Verformung“ und damit geringer Erhöhung der Nachgiebigkeit im Vergleich zum konventionellen Bauteil wurde eine Gewichtsreduktion von 38 % erzielt. Bei diesen Ergebnissen ist die Ma-terialgrenze des Ti-6Al-4V nicht beziehungsweise nur partiell erreicht worden. Um eine möglichst hohe Ausnutzung der Materialfestigkeit zu erzielen, wurde eine Iteration mit vernachlässigter Steifigkeitsbetrachtung durchgeführt. Dies führte zu einer signifikanten Gewichtsreduktion von ca. 75 % im Vergleich zum konventionellen Bauteil. Darüber hinaus sind Konstruktionen in AlMgSc bzw. AlSi7Mg0.6 als zusätzliche Legierungen entwickelt und mit den Ergeb-nissen des Ti-6Al-4V verglichen worden.

Vortrag 1/1
Michael Süß | TU Dresden

10/2008 – 03/2015
Diplom-Studium Maschinenbau, Vertiefung: Allgemeiner und konstruktiver Maschinenbau, Technische Universität Dresden

06/2014 – 03/2015
Hilfswissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM) Dresden, Diplomarbeit: „Topology optimization for additive manufacturing“

04/2015 –03/2016
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer IFAM , Promotion: „Konstruktionsrichtlinien für Elektronenstrahlschmelzen“

04/2016 – heute
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fakultät Maschinenwesen, Professur für Konstruktionstechnik/CAD, TU Dresden, Weiterführung der Promotion in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IFAM, Dresden

11:15 - 11:45

Neue Konstruktionsabläufe und Potentiale bei der Gestaltung additiv hergestellter Bauteile verlangen insbesondere von erfahrenen Konstrukteuren ein Umdenken. Fehlende Kenntnisse über die additive Fertigungstechnologie hemmen zusätzlich dieses Umdenken [HHD06, WC15]. Um die verhältnismäßig neue Fertigungstechnologie zugänglicher zu machen, wurden in den letzten Jahren verschiedene Konstruktionsempfehlungen erarbeitet. Die Vielzahl an Empfehlungen erschwert dem Konstrukteur allerdings einen entsprechenden Überblick zu behalten und für ihn relevante von nicht relevanten Empfehlungen zu sondieren.
Aus diesem Grund wurden öffentlich zugängliche Empfehlungen für das Laserstrahlschmelzen zusammengetragen und einer Priorisierung unterzogen. Das Ergebnis beinhaltet Konstruktionsempfehlungen, die einen relevanten Einfluss auf die Bauteilfertigung, die Bauteilqualität und -funktion haben. Durch Abstraktion dieser Empfehlungen konnten Richtlinien erarbeitet werden, die für eine softwareseitige Gestaltprüfung verwendet werden können. Durch diese Gestaltprüfung können Bauteile beliebiger Komplexität, zum Beispiel feine Gitter oder topologieoptimierte Strukturen, bereits vor der Fertigung hinsichtlich der Einhaltung relevanter Konstruktionsrichtlinien untersucht werden.
Der Gestaltprüfer greift dabei auf eine Datenbank zurück, die zulässige Grenzwerte für die Konstruktionsrichtlinien in quantitativer Form enthält. Diese Grenzwerte werden im Folgenden Attributsausprägungen genannt und können experimentell ermittelt werden. Hierfür wurden standardisierte Prüfkörperbaujobs entwickelt, die alle notwendigen Prüfkörper zur Ermittlung der Attributsausprägungen enthalten und deren Auswertung eine Erweiterung der Datenbank hinsichtlich verfügbarer Maschinen, Werkstoffe und Parametersätze ermöglicht.

Vortrag 1/2
Stefan Lammers | Universität Paderborn, Lehrstuhl Konstruktions- und Antriebstechnik

Stefan Lammers erhielt seinen Masterabschluss im Maschinenbau an der Universität Paderborn 2014 nach Beendigung seiner Masterarbeit in Qingdao, China. Er arbeitet zurzeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt) in Kooperation mit dem Direct Manufacturing Research Center (DMRC) an der Universität Paderborn. Seine Hauptforschungsthemen sind Konstruktionsrichtlinien für additive Fertigungsverfahren und die Machbarkeitsuntersuchungen zu additiv gefertigten, permanentmagneterregten Synchronmaschinen.

11:45 - 13:30
Mittagspause und Besuch der Fachmesse
Session 2
Moderation: Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer, Universität Paderborn
13:30 - 14:00

Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Optimierung von Supportstrukturen beim Laserstrahlschmelzen von Metallen und die Bereitstellung bis dato fehlender Design-Richtlinien zur Supportgenerierung. Letzteres setzt die Voraussetzung für eine automatisierte Supportgenerierung, die zwingend notwendig ist, um die Datenvorbereitung zu beschleunigen und den Weg zur Industrialisierung zu ebnen. Die adäquate Anwendung von Supports erhöht die Produktivität durch Vermeidung von Baujob-Abbrüchen und ist zudem ein Schlüsselfaktor für reproduzierbare Bauteilqualität. Der Forschungsansatz verfolgt die Optimierung durch geeignete Auswahl zwischen verschiedenen Supporttypen anstelle einer jeweiligen Parameteroptimierung. Zu diesem Zweck wurden fünf Supporttypen ausgewählt und im Hinblick auf verschiedene Kriterien charakterisiert: Materialverbrauch, Entfernbarkeit und Zugfestigkeit der Supports selbst sowie Oberflächeneinfluss und Maßhaltigkeit des gestützten Bauteils. Die Ergebnisse zeigen, dass eine geeignete Auswahl von Supports den Nachbearbeitungsaufwand im Hinblick auf Entfernbarkeit und den Materialverbrauch deutlich reduzieren kann. Auf den für eine bestimmte Oberflächengüte notwendigen Nachbearbeitungs-aufwand lässt sich dagegen kein positiver Effekt erkennen.

Vortrag 2/1
Melanie Gralow | Fraunhofer IAPT

Ausbildung/Studium
? 2009 bis 2013 B. Sc. Internationaler Studiengang Bionik, Hochschule Bremen
? 2013 bis 2016 M. Sc. Produktionstechnik – Allgemeiner Maschinenbau, Universität Bremen
? 2014 bis 2015 Einjähriges Masterprojekt „Entwicklung, Herstellung und
Bewertung eines Energy Harvesting Systems unter Nutzung von generativen Fertigungsverfahren“ in Kooperation mit Fraunhofer IFAM Bremen
Dreifach ausgezeichnetes Gruppen-Projekt:
? 1. Platz bei der Additive Manufacturing Challenge 2015 (Niederlande)
? 1. Platz beim Stratasys 3D-Wettbewerb “Extreme Redesign” 2015 (USA)
? 1. Platz beim Student Design & Engineering Award 2015 (Deutschland, RapidTech)
? 2015 bis 2016 Master-Thesis „Systematische Entwicklung additiv zu fertigender Bauteile unter Verwendung bionischer Prinzipien“ Fraunhofer Projektgruppe RMV (heute IGCV) Augsburg

Beruflicher Werdegang
s. derzeitige Tätigkeit

Derzeitige Tätigkeit:
? 2016 bis heute Wiss. Mitarbeiterin im EU-Projekt BionicAircraft, Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT (Fraunhofer IAPT), Hamburg Anwendung von Bionik in Kombination mit additiver Fertigung
? 2017 bis heute Fachgruppenleiterin Bionic Function & Design, Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT (Fraunhofer IAPT), Hamburg

14:00 - 14:30

Additive Fertigungsprozesse (AM) zur direkten Herstellung von Metallbautei-len, wie beispielsweise das Laser-Strahl-Schmelzen (LBM), sind kostenauf-wendig. Eine Möglichkeit, diese Kosten bei gleichzeitiger Beibehaltung der AM-spezifischen hohen Gestaltungsfreiheit zu reduzieren, sind kombinierte Prozessketten mit abformenden Verfahren, an deren Anfang eine AM-Technologie steht. Eine solche Prozesskette ist die Kombination von Fused Deposition Modeling (FDM) und Feinguss. Durch die Nutzung des FDM zur Herstellung komplexer Strukturen und einen späteren Abguss zur Überfüh-rung zum Metallbauteil werden Prozessschritte des Herstellungsprozesses nach den Vorteilen der jeweiligen Verfahren getrennt. Für die Gestaltung von Bauteilen für diese Fertigungskette sind Konstruktionsrestriktionen beider Fertigungsprozesse zu beachten.
Der Beitrag behandelt die Forschungsfrage, welche Konstruktionsrestriktio-nen sich aus der Kombination von FDM und Feinguss zur Herstellung metal-lischer Bauteilen ergeben. Zur Beantwortung der Forschungsfrage erfolgt zunächst eine literaturbasierte Synthese von Konstruktionsrestriktionen der Einzelprozesse. Die Validierung der kombinierten Restriktionen erfolgt an-hand eines Prüfkörpers. Dieser wird aus verschiedenen Materialien im FDM-Verfahren hergestellt und in einem Feingussprozess in ein Metallbauteil überführt. Die abgeleiteten Konstruktionsrestriktionen und die Gestaltungs-freiheit werden mit denen für das LBM verglichen, wobei auch eine wirt-schaftliche Abwägung für mögliche Nutzungsszenarien erfolgt.

Vortrag 2/2
Florian Weiss | Universität Stuttgart

Florian Weiss studierte am Karlsruher Institut für Technologie Maschinenbau. Seit 2013 arbeitet er unter der Leitung von Prof. Hansgeorg Binz als akademischer Mitarbeiter am Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design der Universität Stuttgart. Er beschäftigt sich in der Arbeitsgruppe der methodischen Produktentwicklung mit der Konstruktionsmethodik auf dem Gebiet der additiven Fertigung, im Speziellen mit der Unterstützung der Entwicklung additiv gefertigter Bauteile.

14:30 - 15:00

In der Industrie entsteht aufgrund des dynamischen Wettbewerbsumfelds ein zunehmender Drang nach verkürzten Produktentstehungszeiten, hoher Funktionsintegration und individualisierten Produkten. Mithin erlangen additive Fertigungsverfahren eine zunehmende industrielle Bedeutung. Das Laser-Strahlschmelzen (LBM), als additives Verfahren, ist hierbei beispielhaft hervorzuheben, da es bereits im Bereich des Prototypenbaus und der Kleinserienfertigung ein etabliertes Verfahren ist, das an der Schwelle zum Einsatz in der Serienproduktion steht. Entscheidendes Hemmnis für den Einsatz der additiven Fertigungsverfahren (AM) bildet die fehlende methodische Nutzung der gestalterischen Freiheiten und Randbedingungen durch die vergleichsweise neuartige Gruppe an Fertigungsverfahren im gesamten Produktentstehungsprozess.
In der Produktentwicklung bildet die Konstruktionsmethodik einen möglichen Ansatz, um gestalterische Freiheiten und Vorteile additiver Fertigungsverfahren bereits in frühen Phasen der Entwicklung gezielt zu berücksichtigen. Hierfür werden aufgrund bestehender und allgemein anerkannter Konstruk-tionsmethodiken (z.B. Richtlinie VDI 2221, Pahl/Beitz, etc.) Anknüpfungs-punkte aufgezeigt, die eine Implementierung, speziell des Laser-Strahlschmelzens, ermöglichen. Besonderes Augenmerk wird in dieser Veröffentlichung auf die beiden Konstruktionsphasen Konzeption und Entwurf gelegt. Hierzu werden Ergänzungen oder Anpassungen der bestehenden Konstruktionsmethodiken vorgestellt. In besonderer Weise wird dabei auf die Einbringung und die Vorteile der additiven Fertigungsverfahren eingegangen.

Vortrag 2/3
Thomas Künneke | Universität Paderborn, DMRC

Aktuelle Tätigkeit
06/2014 – jetzt: Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Universität Paderborn
Fakultät Maschinenbau
Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt)
Direct Manufacturing Research Center (DMRC)

Ausbildung
10/2011 – 05/2014: Maschinenbau, Master of Science, Universität Paderborn
Vertiefungsrichtung: Produktentwicklung
Projektarbeit: Konzeption einer Methode zum Messen von Dämpfungsfunktionen, die gezielt in additiv gefertigte Prüfkörper integriert wurden. (KAt – DMRC)
Studienarbeit: Optimierung des Einpress- und Schweißverhaltens beim Fügen artfremder Werkstoffkombinationen mittels vorlochfreiem Widerstandselementschweißen (LWF)
Masterarbeit: Systematische Entwicklung der Prüftechnik und -körper für die Messung von Dämpfungswirkungen, die mittels Additive Fertigungsverfahren in bereits vorhandene Strukturen technischer Systeme funktionsintegriert wurden (KAt – DMRC)
10/2008 – 09/2011: Maschinenbau, Bachelor of Science, Universität Paderborn
Vertiefungsrichtung: Produktentwicklung
Bachelorarbeit: Erarbeitung von Konstruktionsrichtlinien für
additive Fertigungsverfahren (KAt – DMRC)

Studienbegleitende Tätigkeit
10/2011 – 09/2013: Studentische Hilfskraft, Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt)
Direct Manufacturing Research Center (DMRC)
Universität Paderborn, 33098 Paderborn

15:00 - 15:30
Pause
Session 3
Moderation: Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer, Universität Paderborn
15:30 - 16:00

Das pulverbettbasierte Selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) hat sich bereits in vielen Anwendungsbereichen der kunststoffverarbeitenden Industrie wie z.B. dem Spritzgussformenbau etabliert.
Aufbauend darauf wird im Rahmen dieses Beitrags die Entwicklung einer neuen Werkzeugtechnologie für die Partikelschaumverarbeitung von expandiertem Polypropylen (EPP) vorgestellt, welche die geometrischen Freiheiten der additiven Fertigungstechnologie ausschöpft.
Mit Fokus auf wirtschaftliche Aspekte wurde eine Vielzahl an technischen Vorteilen entlang der gesamten Prozesskette erzielt. Additiv gefertigte Düsenelemente, anforderungsoptimierte Gitterstrukturen, direkt integrierte Oberflächenstrukturen in der Kavität ergeben kombiniert das simulativ ausgelegte Werkzeugkonzept. Dieses masseoptimierte Werkzeug wurde aus hochfestem Edelstahl hergestellt und kann je nach Bauteilgeometrie ohne subtraktive Nachbearbeitung eingesetzt werden. Zudem schaffen die Designfreiheiten des additiven Verfahrens neue Möglichkeiten für die Gestaltung der EPP-Bauteile. Durch im CAD definierte Düsenelemente ist eine homogene Bauteilqualität gewährleistet.

Vortrag 3/1
Johannes Schütz | Fraunhofer IAPT

Ausbildung/Studium:
Ausbildung: Feinwerkmechaniker (Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH, 2007)
Studium: Maschinenbau Bachelor+Master (OTH Regensburg, 2009-2014)


Beruflicher Werdegang:
Konstrukteur für Spritzgusswerkzeuge (Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH, 2007-2008)

Entwicklungsingenieur (Hofmann WZB, 2014-2015)
Entwicklung und Simulation Belastungsoptimierter metallischer Bauteile für die additive Fertigung

Wissenschaftlicher Mitarbeiter (Laserzentrum Nord Hamburg/Fraunhofer IAPT, 2015-2018)
Entwicklung eines neuartigen Werkzeugkonzeptes für die Additive Fertigung zur Verarbeitung von EPP
Lehre an der Technischen Universität Hamburg

Derzeitige Tätigkeit:
Entwicklungsingenieur (Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH, seit 2018)
Themenübergreifende Vorentwicklungen

16:00 - 16:30

Additive Manufacturing bietet die Möglichkeit zur Herstellung von Bauteilen mit komplexer Geometrie in kleinen und mittleren Stückzahlen. Neue Möglichkeiten, wie beispielsweise das gezielte Einbringen von Porosität oder das Einbetten von mechanischen und elektrischen Funktionselementen erweitern das Anwendungsgebiet additiv gefertigter Bauteile aus metallischen Werkstoffen zudem.
Der Beitrag beschreibt übersichtlich die im Bereich AM verfügbaren Gestaltungsprinzipen und gibt anhand von Beispielen Hinweise auf deren Nutzungsmöglichkeiten. Schwerpunkt liegt dabei auf der Integration mehrerer technischer Funktionen in additiv gefertigten Bauteilen aus metallischen Werkstoffen. Betrachtet werden unter anderem auch hybrid gefertigte Bauteile mit eingebetteten Funktionselementen.

Vortrag 3/2
Dr. Jürgen Reinemuth | JUREC Juergen Reinemuth Consulting
16:30
Ende
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