Optomechatronik Rapid Prototyping-Zentrum (Metall-Lasersinteranlage)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Zentrum zur additiven Fertigung von Metall- und Kunststoffbauteilen wird im Institut für Produktentwicklung und Gerätebau für eine Vielzahl von Forschungsprojekten eingesetzt. Gleichzeitig ist es ein wichtiger Bestandteil in der Lehre. Mit dem Anlagenzentrum wurde eine rechnerunterstützte Entwicklungsumgebung aufgebaut, welche die Gewichtsoptimierung von Strukturbauteilen durch den Einsatz von inneren Strukturen ermöglicht. In Anlehnung an bionische Analogien wird dabei die Materialverteilung eines Bauteils an die auftretenden Beanspruchungen angepasst. Hierzu wurde eine Vorgehensweise zur additiven Fertigung von Bauteilen mit inneren Strukturen unter Berücksichtigung des Fertigungsverfahrens erarbeitet. Anschließend wurden die Simulationsmodelle mit Hilfe von Musterbauteilen, die auf der Anlage gefertigt wurden, validiert. Diese Gestaltungsrichtlinien wurden im Rahmen einer Dissertation erarbeitet und veröffentlicht. Weiterhin wurde die Herstellung und Reparatur von Maschinenelementen untersucht, indem vorkonfektionierte Teile in den Bauprozess eingebracht wurden. Mit diesem Ansatz wird sowohl die Reparatur hochwertiger Investitionsgüter untersucht als auch die additive Multimaterialverarbeitung evaluiert. Vor diesem Hintergrund wurden Simulationsmodelle für die Auslegung hybrider Metallbauteile aufgebaut und validiert. Im Teilprojekt N4 des SFB 653 wurde die Rückführung von Daten, welche Strukturbauteile während ihrer Nutzungsphase sammeln, für die Optimierung der nächsten Produktgeneration untersucht. Das Anlagenzentrum wurde dazu genutzt, strukturoptimierte, skalierter Radträger zu fertigen, welche anschließend Lebenszyklusuntersuchungen unterworden wurden. Mit der im Rahmen des Projekts entwickelten Vorgehensweise konnte das Gewicht eines exemplarischen Radträgers um 21% verringert werden, während die maximal auftretende Spannung auf 57% ihres Ausgangswertes reduziert werden konnte. Im Rahmen des vom Niedersächsischen MWK geförderten Promotionsprogramms „Tailored Light“ werden Regeln und Richtlinien für die Auslegung von additiv gefertigten Reflektoren für individualisierte Lichtverteilungen entwickelt. Durch die kombinierte Betrachtung der relevanten Maschinenparameter, den Materialeigenschaften sowie den Spezifikationen aus der Nachbearbeitung werden derzeit Anforderungen für die Auslegung abgeleitet. Das beinhaltet die Verknüpfung der Soll-Geometrie zur geforderten Lichtverteilung mit den Anforderungen an laserstrahlgeschmolzene Reflektoren. Parallel werden die Ist- Eigenschaften in die Prozessauslegung zurückgeführt. Im besonderen Hinblick auf funktions- und geometrieoptimierte Bauteile wird am Institut für Produktentwicklung und Gerätebau das Potential der Funktionsintegration anhand additiv gefertigter Optiken evaluiert. Unter anderem werden Elemente zur Strahlungsführung und -formung mit Ansätzen zur Kühlung und Justage sowie Montage in einem Bauteil vereint. Ziel des Vorhabens ist die methodische Entwicklung hochintegrierter Funktionsbauteile, welche anschließend validiert werden. Auf dieser Grundlage wird ein Katalog zur Auswahl verschiedener Funktionsintegrationsstrategien erarbeitet. In einem weiteren Vorhaben wird das Potenzial des industriellen Produzierens durch selektives Laserstrahlschmelzen von Metallen im Hinblick auf die ökologische Nachhaltigkeit auf Grundlage des Energieverbrauchs über den Produktlebenszyklus untersucht. Dabei wird spezifiziert, unter welchen Voraussetzungen selektives Laserstrahlschmelzen nachhaltiger als konventionelle Fertigungsverfahren ist. Als Ergebnis werden Handlungsempfehlungen erarbeitet, um Konstrukteuren und Maschinenbauern auf strukturierte Weise Verbesserungspotentiale im Konstruktionsprozess aufzuzeigen. Das Anlagenzentrum ist ein wesentlicher Bestandteil für den Prototypenbau des Instituts. Das Zentrum ermöglicht dem Institut in einer Vielzahl von Industrie- und Forschungsprojekten eine zeit- und ressourceneffiziente Fertigung von Musterbauteilen und -baugruppen. Hier ist vor allem die Entwicklung neuer Fahrzeugscheinwerfersysteme sowie thermisch belasteter Funktionsbauteile hervorzuheben. Auf Grundlage der weitreichenden Forschungsprojekte wurde am Institut eine eigene Forschungsgruppe mit dem Schwerpunkt „Methoden für die Additive Fertigung“ gegründet, welche zurzeit vier wissenschaftliche Mitarbeiter und einen Gruppenleiter beschäftigt. Im Zuge der Integration der additiven Fertigungstechnologien am Institut wurde der Anlagepark zudem um verschiedenste Fertigungstechnologien wie Stereolithographie, Polyjet Modelling, Fused Deposition Modelling und einer kompakten SLS-Anlage erweitert. Durch die Vielzahl der Anlagen ist es dem Institut möglich, additive Fertigungstechnolgien praxisnah in den Lehrplan einzubinden. Auf dieser Grundlage wurde ein „3D-Druck Labor“ eröffnet und die Vorlesung „Konstruktion für Additive Fertigung“ für Masterstudierende des Maschinenbaus und angrenzender Fachrichtungen angeboten. Das Anlagenzentrum stellt die Schlüsseltechnologien für den Wissenstransfer zwischen Wissenschaft und Industrie am Forschungsstandpunkt Hannover bereit. Auf dieser Basis ist ein seit 2015 jährliche stattfindendes wissenschaftliches Kolloquium entstanden. Aufgrund des großen Anklangs dieses Formats findet die Veranstaltung seit 2017 in Kooperation mit dem Laser Zentrum Hannover e. V. statt. Im Frühsommer 2018 soll im von der EFRE zur Förderung empfohlenen Innovationsverbund GROTESK die Arbeit aufgenommen werden, welcher unter anderem auf die bisherige Forschung mit dem Anlagenzentrum aufbaut. Ziel von GROTESK ist es, in Kooperation zwischen dem Laser Zentrum Hannover e. V., der TU Clausthal, der Hochschule Hannover und dem IPeG den Einsatz der integrativen additiven Fertigung zur Herstellung neuartiger optischer, thermaler und struktureller Multimaterialkomponenten zu erforschen. Hierfür werden erstmals multifunktionale optomechanische Baugruppen inklusive der Optiken konstruiert, aus mehreren Materialien in einer einzigen Prozessumgebung additiv gefertigt und charakterisiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2015): Additive manufacturing of optical components, SPIE Newsroom
R. Lachmayer, A. Wolf, G. Kloppenburg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/2.1201511.006233) - (2015): Approach for a comparatively evaluation of the sustainability for additive manufactured aluminum components, Proceedings of the 20th International Conference on Engineering Design (ICED), Mailand Italien, Juli 2015 ISBN: 978-1-904670-67-4
R. Lachmayer, P. Gottwald, R. B. Lippert
- The Potential of Product Customization using Technologies of Additive Manufacturing, Proceedings of the 8th World Conference on Mass Customization, Personalization and Co-Creation (MCPC), Montreal Kanada, Oktober 2015 ISBN: 978-3-319-29056-0
R. Lachmayer, P.C. Gembarski, P. Gottwald, R. B. Lippert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-29058-4_6) - (2016): 3D-Druck beleuchtet - Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung, Springer Vieweg Verlag, Berlin Heidelberg, Mai 2016 ISBN: 978-3-662-49055-6
R. Lachmayer, R.B. Lippert, T. Fahlbusch (Hrsg.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-662-49056-3) - (2016): Introducing Selective Laser Melting to Manufacture Machine Elements, Proceedings of the DESIGN 2016 14th International Design Conference, S. 831-842, Dubrovnik Kroatien, Mai 2016 ISSN: 1847-9073
R. Lachmayer, Y. A. Zghair, C. Klose, F. Nürnberger
- (2017): Additive Manufacturing Quantifiziert - Visionäre Anwendungen und Stand der Technik, Springer Vieweg Verlag, Berlin Heidelberg ISBN: 978-3-662-54112-8
R. Lachmayer, R. B. Lippert (Hrsg.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-662-54113-5) - (2017): An approach to implement design for additive manufacturing in engineering studies, Proceedings of the 21st International Conference on Engineering Design (ICED17), Vol. 5: Design for X, Design to X, Vancouver Kanada, August 2017 ISBN: 978-1-904670-93-3
R. B. Lippert, G. Leuteritz, R. Lachmayer
- (2017): Optimizing Selective Laser Melting for Reflective Optics, DGaO-Proceedings 2017 ISSN: 1614-8436
G. Leuteritz, R. B. Lippert, R. Lachmayer
(Siehe online unter https://doi.org/10.15488/4433) - (2018): Additive Manufacturing of reflective optics: Evaluating finishing methods, SPIE Proceedings LASE 2018
Leuteritz, G.; Lachmayer, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2289998) - (2018): Restriktionsgerechtes Gestalten gewichtsoptimierter Strukturbauteile für das Selektive Laserstrahlschmelzen, TEWISS – Technik und Wissen GmbH Verlag, Garbsen ISBN: 978-3-95900-197-7
R. B. Lippert
(Siehe online unter https://doi.org/10.15488/3489)
