Netzwerkschwerpunkte

In diesem Technischen Kompetenzfeld werden alle Aspekte zusammengefasst, die für die Einbindung von 3D-Druckern in einen Produktionsprozess notwendig sind.  Dazu gehören im Wesentlichen Technologien der Industrie 4.0 u.a.:

• Digitalisierung der Produktion (Industrie 4.0, Digitaler Zwilling): Die Grundlagen der Digitalen Fabrik werden in der VDI-Richtlinie VDI 4499 Blatt 1:2008-02 definiert. Ihr Zweck ist die ganzheitliche Planung, Realisierung, Steuerung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Fabrikprozesse und -ressourcen in Verbindung mit dem Produkt. Grundsätzlich handelt es sich bei einer digitalen Fabrik grob um die Optimierung des Kundenauftragsprozesses. Im Zentrum steht dabei die Steigerung der Flexibilität, Schnelligkeit, Effizienz sowie der Nachhaltigkeit
• Metallguss ist eine häufig eingesetzte Produktionstechnologie für Komponenten wie z.B. der Motorblock in der Automobilindustrie. Im Rahmen des Metallgusses wird flüssiges Metall in eine Form gegossen und erstarrt im Anschluss. Die wichtigsten Gießwerkstoffe der heutigen Zeit sind Gusseisen und Aluminiumlegierungen. Der Gießprozess wird aufgrund des Trends zu Leichtbauprodukten immer komplexer und anspruchsvoller.
• Metallzerspanung beschreibt die Fertigung von Metallbauteilen mit Hilfe von Dreh- und Fräsmaschinen. Um ein fertiges Produkt zu erhalten, wird Vollmaterial Schritt für Schritt abgetragen. Der Materialeinsatz und Verlust sind im Vergleich zum Metallguss und der additiven Fertigung relativ hoch. Die Fertigung mittels Zerspanung steht in direkter Konkurrenz zur additiven Fertigung was Gestaltungsraum der Endprodukte angeht. Nichtsdestotrotz spielt die Fertigung mittels Zerspanung eine wichtige Rolle in zahlreichen Unternehmen und bildet einen Grundpfeiler vieler Endprodukte. Bei der additiven Fertigung werden insbesondere Funktionsflächen während oder nach den Herstellprozessen optimiert.

3D-Drucker nutzen eine Vielzahl von Materialien um daraus Objekte zu drucken. Dieses Technologische Kompetenzfeld umfasst alle Aspekte, die sich um die benötigten Kompetenzen bzgl. der verschiedenen Ausgangsmaterialien drehen. Dazu gehören:

• Kunststoff- 3D-Druck: In diesem Feld werden technische Kompetenzen zusammengefasst, die für die Fertigung mit Hilfe von auf Kunststoff basierenden 3D-Druckern benötigt werden. Hierrunter fallen u.a. Wissen über die zu Verfügung stehenden Kunststoffe und deren Eigenschaften und nutzbare Fertigungstechnologien wie z.B. Fused Filament Fabrication (FFF), Stereolithographier (SLA) oder selektivem Lasersintern (SLS).
• Metall-3D-Druck (SLM): Für die erfolgreiche Fertigung eines Bauteils auf einem Metall-3D-Drucker sind voran- und nachgestellte Prozess notwendig. So muss z.B. der Anwender die Wärmeableitung der Schmelzenergie des Lasers bei der Positionierung der Bauteile im 3D-Drucker berücksichtigen. Weiterhin sind die Prozessparameter so auszuwählen, dass eine nachgestellte Bearbeitung der Bauteile den gewünschten Effekt hervorruft. Diese Kompetenzen sowie Kenntnisse der Vor- und Nachbearbeitung sind im technologischen Feld Metall 3D-Druck zusammengefasst.
• Keramik 3D-Druck: Der Begriff der Keramik umfasst eine Vielzahl von anorganischen feinkörnigen Rohstoffen. Im Bereich der technischen Keramiken für den 3D-Druck werden Aluminiumoxide, Zirkonoxide oder eine Mischung der beiden verwendet. Die vielfältige Auswahl der Materialien, die Auswahl der optimalen Fertigungsparameter und eine passende Nachbearbeitung sind die technischen Kompetenzen, die in diesem Themengebiet zusammengefasst werden.
• Zerkleinerung: Zweck der Zerkleinerung ist es Ausgangsmaterial auf eine gewünschte Partikelgröße zu bringen. Dazu werden unterschiedliche Anlagen wie z.B. Schneid- oder Planetenmühlen eingesetzt. Die Wahl des richtigen Zerkleinerungsprozesses und der einzustellenden Parameter wie Schnittgeschwindigkeiten hängt von der Art des Materials und der zu zerkleinernden Menge ab.
• Kunststoffrecycling beschreibt die Wiederaufbereitung von Abfällen zu nutzbarem Ausgangsmaterial. Kunststoffe werden i.d.R. mechanisch-thermisch mit Hilfe von Extrusionsanlagen in eine passende Form gebracht. Neben den eigentlichen Prozessschritten des Recyclings, wird eine Analyse der gegebenen Stoffströme durchgeführt, um mit Hilfe des Recyclingansatzes eine Kreislaufwirtschaft in der Produktion zu starten.
• Filamentherstellung beschreibt die Produktion von Material für Fused Filament Fabrication (FFF) 3D-Druckern. Unter Filament wird ein Kunststoffstrang mit einem konstanten Durchmesser verstanden, welcher auf einer Spule aufgerollt ist. Grundlage der Filamentherstellung bildet eine Extrusionsanlage, welche Kunststoffgranulate durch einen thermisch-mechanischen Prozess in Filament umwandelt.

Damit Teile durch Additive Fertigung hergestellt werden können, müssen bei der Konstruktion verschiedenste Randbedingungen beachtet werden. Dieses Technologische Kompetenzfeld umfasst alle Aspekte, die sich um die benötigten Kompetenzen im Produktdesign drehen. Dazu gehören:

• Bauteilgerechtes Design: Zur Vermeidung nicht relevanter Stützkonturen ist die Nutzung adäquater Konstruktionsmethoden von entscheidender Bedeutung. Die hierfür notwendige Anwendererfahrung kann innerhalb des Planungsprozesses durch Methoden der künstlichen Intelligenz zusätzlich unterstützt werden.
• Simulationstechnologie: Um noch nicht existierende Bauteile auf ihre Funktionsfähigkeit zu testen, werden Simulationen am digitalen Modell des Bauteils durchgeführt. Mit Hilfe der Ergebnisse dieser Tests können Bauteile bereits in frühen Stadien der Entwicklung getestet und optimiert werden.
• Virtual Prototyping ist eine Methode im Prozess der Produktentwicklung. Es umfasst den Einsatz von Software für computergestütztes Design (CAD), computergestütztes Design (CAutoD) und computergestütztes Engineering (CAE), um ein Design zu validieren, bevor es zur Herstellung eines physischen Prototyps verwendet wird.

Ein Schwerpunkt des Netzwerks ist die Nutzung der gestalterischen Freiheiten in der additiven Fertigung, um mit Hilfe dieser neue, konstruktive Möglichkeiten sowie funktionsintegrierte und ressourceneffiziente Bauteile zu gestalten. Hierbei wird zum einen eine Gewichtsreduktion bestehender und in Zukunft zu entwickelnden Bauteilen durch eine organische Formgebung (Topologieoptimierung) angestrebt, sowie die Integration technischer Funktionen, die aufgrund von Limitierungen subtraktiver Fertigungsverfahren üblicherweise auf mehrere Bauteile verteilt sind, in ein einziges additiv gefertigtes Bauteil. Das Hauptziel dieser TEL ist die Entwicklungen technischer Innovationen im Bereich der Konstruktion und des Designs von 3D-Druckern und von Produkten, die mittels additiver Fertigung produziert werden sollen:

FuE-Aufgaben und Innovationsgehalt

• Entwicklung von Leichtbausystemen und Gewichtsreduktion bestehender Bauteile durch die Anwendung computergestützter Topologieoptimierung und additiver Fertigung dieser Bauteile
• Verringerung des Montageaufwandes durch Systemintegration und Generierung innovativer, leistungsfähiger Komponenten
• Entwicklung neuartiger Formen die an die Randbedingungen der Prozesse adaptiert werden und konventionell nicht herstellbar sind
• Entwicklung von (über reine CAD-Daten hinaus) angereicherten Modellen von Werkzeugen und Werkstücken zur Unterstützung eines Virtuals Prototyping
• Entwicklung von Verfahren zur Unterstützung eines Design Rule Checks. Dadurch soll eine automatische Überprüfung der Einhaltung von Designregeln ermöglicht werden um Fehler beim späteren Drucken der Bauteile zu vermeiden.
• Entwicklung von Verfahren, die ein sog. Bauteil-Nesting unterstützen: Hierbei nutzt das Programm die KI-Technologie und ahmt das Verhalten eines erfahrenen Anwenders nach, indem nach der Vorpositionierung gezielt leere Stellen im Bauraum automatisch gefüllt werden. Dies hat den Vorteil, dass auch nicht maximal bestückte Bauräume gleichmäßig und ohne sogenannte Wärme-Nester bestückt werden. optimalen Wärmeverteilung eine gleichmäßige Anordnung der Bauteile im Bauraum

Das Hauptziel dieser TEL ist die Entwicklungen technischer Innovationen im Bereich der Materialien und der Produktion für die additive Fertigung:

FuE-Aufgaben und Innovationsgehalt

• Entwicklung innovativer Zerkleinerungsanlagen insbesondere für die Materialzerkleinerung, die eine verbesserte Überwachung und Prozesskontrolle besitzen.
• Entwicklung von Recyclingverfahren, um Mischkunststoffabfälle für die additive Fertigung nutzen zu können.
• Entwicklung von innovativen Kunststoffmaterialien auf Basis von Mischkunststoffabfällen, um den häufig kostenintensiven Prozessschritt der Sortierung entfallen lassen zu können.
• Entwicklung von innovativen Recyclingmethoden für Keramik- und Metallabfällen speziell für die additive Fertigung.
• Entwicklung von neuartigen 3D-Druckern, die eine Verarbeitung des keramischen Recyclingmaterials ermöglichen.
• Entwicklung von Verfahren zur Einstellung spezieller Materialfertigungseigenschaften (schnell aushärtend etc.)
• Entwicklung von Verfahren zur Einstellung spezieller Materialendeigenschaften (weich, hart, robust etc.)
• Entwicklung von Verfahren zur Optimierung des Ressourcenverbrauchs

Das Hauptziel dieser TEL ist die Entwicklungen technischer Innovationen im Bereich der Integration von 3D-Druck in Industrielle Produktionsprozesse:

FuE-Aufgaben und Innovationsgehalt

• Verbesserung bestehender Druckersysteme durch Adaption mittels messtechnischer-Prozesse und Optimierung der Bauteilqualität
• Anpassung der Druckersysteme an schwankende Randbedingungen der Rohstoffe, die insbesondere bei Recyclingmaterialien auftreten können.
• Neuentwicklung von Fertigungsmaschinen, die insbesondere auf Ergebnissen der anderen TEL basieren und weiterführende Bearbeitungsschritte der Materialaufbereitung einsparen.
• Augmented Reality Visualisierungen von Prozess- oder Maschinenzuständen
• Entwicklung von AR- und VR basierten Planungsprozessen, die 3D- und 2D Modelle (Dynamische Attribute) darstellen
• Virtual Reality Systeme zum Training der Menschlichen Nutzer, zur Remote Assistance oder zur Planung von Anlagen
• Multimodale Kommunikationsmethoden, wie z.B. Mixed-Reality-Anwendungen für die Bediener von 3D-Druckern