Fertigung von Prototypen, Einzelstücken und Kleinserien

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Die zunehmende Leistungsfähigkeit von Rechentechnik und Simulationssoftware ermöglichen eine immer bessere virtuelle Darstellung der geometrischen und funktionellen Eigenschaften von Bauteilen und Baugruppen. Zur Absicherung der Produktentwicklung sind dennoch körperliche Prototypen notwendig. Dazu reichen reine Anschauungsmodelle nicht aus. Vielmehr sind Prototypen erforderlich, an denen einzelne oder möglichst alle Funktionen der Produkte erprobt werden können. Solche weitgehend serienidentischen Funktionsprototypen werden bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung benötigt. Gleichzeitig erfordern immer differenziertere Kundenwünsche und variantenreichere Produkte flexiblere Fertigungstechnologien und Prozessketten für die schnelle und wirtschaftliche Produktion von Erzeugnissen selbst in Kleinserien und Einzelstücken.

Mittlerweile haben sich einige generative Fertigungsverfahren etabliert, mit denen die schnelle und direkte Herstellung von Bauteilprototypen (Rapid Prototyping) ohne den langwierigen "Umweg" über vielstufige spanende Fertigungsprozesse möglich ist. Für die abformende Herstellung von Bauteilen können stückzahlangepasste Werkzeuge kostengünstig hergestellt werden (Rapid Tooling). Solche Werkzeuge können wesentlich schneller und billiger hergestellt werden als Serien-Ur- oder Umformwerkzeuge. Sie haben aber auch deutlich geringere Standzeiten.

Um den Nutzwert dieser Technologien zu steigern, müssen Anwender diese anhand verfügbarer Verfahrens- und Werkstoffparameter gezielt auswählen und effizienter als bisher im Produktentstehungsprozess einsetzen können. Generative Rapid-Prototyping- und Rapid-Tooling-Verfahren müssen deshalb auch in Kombination mit abtragenden, ur- und umformenden Verfahren als Prozessketten so weiterentwickelt werden, dass sie eine flexible und kostengünstige Herstellung von möglichst serienidentischen Bauteilprototypen oder von Endprodukten in kleinen Stückzahlen erlauben.

Zu diesem Themenfeld wurde zuletzt im Jahr 2000 eine Bekanntmachung veröffentlicht (3. Bekanntmachung vom 15.02.2000). In den daraus ausgewählten Verbundprojekten wurde in den Jahren 2001 bis 2005 zu folgenden Schwerpunkten geforscht:

Um weitgehend serienidentische Funktionsprototypen generativ herstellen zu können, wurden Verfahren und Ausrüstungen neu entwickelt oder modifiziert und die Verarbeitbarkeit von Serienwerkstoffen mit diesen Verfahren sichergestellt.

Für geometrisch komplexe Kunststoffbauteile wurde dies im Verbundprojekt PROPRINT realisiert: Mittels neuartiger Prozessführung und drop-on-demand-Dosierung wurde die 3D-Drucktechnologie für die Verarbeitung reaktiver Komponenten weiterentwickelt.

Im Projekt Vakuum-SLS wurden werkstoff- und anlagentechnische Lösungen für die Verarbeitung mikro- und nanoskaliger Metallpulver erarbeitet. Diese ermöglichen die generative Herstellung voll funktionsfähiger Mikro-Bauteile und -Werkzeuge.

Im Vorhaben D2P-SLM wurde das generative Verfahrensprinzip des Selektiven Laserschmelzens zum industrietauglichen Direkten Laserformen ® entwickelt. Das Verfahren ermöglicht die Fertigung geometrisch komplexer metallischer Funktionsbauteile und Werkzeugsegmente mit inneren Kavitäten.

Für die Fertigung individualisierter Produkte werden flexiblere Produktionstechnologien benötigt. Dazu wurden stückzahlangepasste Fertigungsprozessketten entwickelt.

Im Verbundprojekt MICROTOOL wurde dazu eine Fertigungsanlage entwickelt, mit der die Mikrostrukturierung von Druckguss-, Spritzguss- und Prägewerkzeugen mit einer kombinierbaren laserbasierten, elektroerosiven und spanenden Technologie erfolgt. Mit der im Projekt Rapidfluid erarbeiteten Prozesstechnik und dem realisierten modularen Anlagenkonzept können mikrofluidische Funktionseinheiten für die Medizintechnik und Analytik in einer Anlage mit Lasern bearbeitet, gereinigt und gefügt werden.

Für die abformende Prototypen- und Kleinserienfertigung insbesondere großer Bauteile können kostengünstige Werkstoffe und generative Verfahren zur schnellen Herstellung von Ur- und Umformwerkzeugen eingesetzt werden.

In dem Projekt MELATO wurde das gratfreie Laserschneiden von Metallblechen in Verbindung mit einer intelligenten Automatisierungslösung für das Stapeln der Bleche und das Fügen, Beschichten und Endbearbeiten solcher Blechpakete qualifiziert. Somit wurde ein kostengünstige und flexible Technologie zur Fertigung stückzahl- und oberflächenqualitätsgerechter Ur- und Umformwerkzeuge – sogar mit innenliegenden Kühlkanälen – entwickelt.

Im Projekt WESPRO wurden Druck- und Kokillengusswerkzeuge für die Kleinserienfertigung anspruchsvoller Leichtmetallgussteile realisiert. Dabei wurden Bauteil-Serieneigenschaften durch geometrisch optimierte konturnahe Temperierkanäle ermöglicht, die mit generativen Verfahren hergestellt wurden.

Im Projekt ROBOTYPING wurde eine flexible Prozesskette für die modellose Herstellung von Formen für den Sandguss großer Bauteile entwickelt. Dabei erzeugt ein Roboter durch Modellieren und Verdichten des Formstoffs die Grobkontur der Form und stellt durch Fräsen die Endkontur mit allen geometrischen Details her.


Stand: Juni 2011