Engineering

Lösungen für den Menschen und die Maschine

Nach dem Vorbild der Natur entwickeln Forscher Ideen und Produkte, die gezielt an Umweltbedingungen angepasst werden können. So lässt sich das Verhalten mechanischer Strukturen gezielt beeinflussen: Gewicht reduzieren, die Steifigkeit erhöhen oder die Form aktiv kontrollieren. Die richtige Konstruktionsmethodik, in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses eingesetzt, liefert hier große Fortschritte in Bezug auf die Produktqualität.

Von der Konzeptidee über den Prototypen bis hin zur Produktfreigabe unterstützen die Allianz-Institute Sie in der Konstruktion und der methodengestützten Produkt- und Prozessentwicklung:

  • Produktdesign – Bionisches und ästhetisches Design
  • Simulation – Topologieoptimierung und Validierung

Die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung unterstützt Sie bei der Gestaltung und Optimierung Ihrer (neuen) Produkte, in der Anwendung und unternehmensbezogenen Adaption moderner virtueller und physischer Prototypen sowie in der Gestaltung Ihrer Produktionsprozesse.

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Produktgestaltung

Neue Fertigungsmethoden inspirieren das Industriedesign. Durch das Zusammenspiel von Form und Technik entstehen immer neue Produkte. Generative Technologien als Fertigungsverfahren bieten Industriedesignern, aber auch anderen Zielgruppen in der Produktentwicklung höchste Freiheitsgrade.

Bionisches Design

Die Lösung konstruktiver Aufgaben nach Vorbildern aus der Natur wird in vielen technischen Anwendungen bereits heute umgesetzt. Durch die großen gestalterischen Freiheiten, die die generativen Fertigungsverfahren bieten, gelingt es, auch Leichtbaustrukturen aus der Natur abzuschauen und ohne Rücksicht auf fertigungstechnische Beschränkungen bereitzustellen – eine deutlich bessere und direktere Umsetzung der bionischen Vorbilder in technische Lösungen.

Konstruktion nach »generativen« Prinzipien

Für alle traditionellen Fertigungsverfahren wie das Fräsen, Drehen oder Spritzgießen existieren fest vorgegebene Konstruktionsrichtlinien. Vieles kann nicht gefertigt werden oder ist mit großem Aufwand verbunden. Die generativen Fertigungsverfahren sind weitaus weniger Einschränkungen unterworfen. Die traditionellen Konstruktionsregeln gelten hier nicht und müssen zum Teil sogar konsequent missachtet werden, um alle Vorteile der Verfahren auszuschöpfen. Die Aussage, dass Komplexität in der Herstellung keine Kosten verursacht oder diese sogar einspart, ist nur ein kleiner Teil des Umdenkprozesses, der stattfinden muss.

Aktuelle Entwicklungen

Designregeln für das Kunststoff-Lasersintern

Die geometrische Freiheit, die die generativen Fertigungsverfahren bieten, erlauben es, ein neues Design in der Produktwelt zu etablieren. Organische Formen, komplexe Leichtbaustrukturen und Freiformflächen sind nur einige der Designelemente, die die Ästhetik der generativ hergestellten Produktpalette in Zukunft prägen. Individuelle Fertigung macht eine "Mass Customization" möglich und der Kunde kann aktiv in den Gestaltungsprozess eingreifen.

Individuelle Kunststoff-Prothesen

Eine Amputation ist immer mit einem tragischen Schicksal verbunden. Schwere Unfälle und lebensbedrohliche Krankheiten gehen jeder Amputation voraus. Jede Amputation ist mit einer langen Rehabilitationsphase verbunden.

Um einen Amputierten bestmöglich zu versorgen, sind individuelle Lösungen unverzichtbar: Die Integration hochtechnischer Komponenten, beispielsweise computerchipgesteuerte Kniegelenke und myoelektronische Steuerungen, liefert jedoch nur einen einzelnen Baustein einer erfolgreichen Patientenversorgung. Für die Zufriedenheit der Patienten sind zumeist andere Eigenschaften ausschlaggebend: Die Prothese muss exakt an den Körper passen. Sie soll sehr leicht sein und gut aussehen. Gerade hier kann die generative Fertigung punkten.

Bionische Strukturen umsetzen

Die Natur erschafft »Leichtbaulösungen« häufig durch komplexe hierarchische Strukturen. Gradierte Bauteileigenschaften tragen zur Festigkeit und Zuverlässigkeit bei. In einem aktuellen Forschungsprojekt werden zelluläre Trabekelstrukturen der Form des Bauteils angepasst und lokal an die mechanischen Anforderungen angeglichen.

Unsere Leistungen

Gestaltungsrichtlinien

Bei den generativen Fertigungsverfahren sind, wie bei den traditionellen Fertigungsverfahren auch, Gestaltungsrichtlinien und -regeln zu beachten, die über den Erfolg oder den Misserfolg einer Lösung entscheiden. Auch hier bietet die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung Beratung zu einer Vielzahl an Aufgaben und den jeweils passenden Fertigungsverfahren und Materialien. Auch im Hinblick auf unterschiedliche produktbezogene Normen und Vorschriften in Kombination mit generativen Fertigungsverfahren beraten wir Sie gerne.

Mit unserer Kompetenz in den generativen Verfahren entwickeln wir auch Fertigungsverfahren wie das Selective Laser Melting (SLM). Mit dem SLM als Rapid-Prototyping- und Rapid-Manufacturing-Verfahren werden metallische und keramische Bauteile und Werkzeuge hergestellt.

Die Arbeiten der Allianz-Institute umfassen verfahrenstechnische, physikalische und werkstoffkundliche Grundlagen, die Modellbildung zur Unterstützung und Optimierung der Verfahrensentwicklung sowie die Entwicklung von Komponenten zur Strahlführung und -formung, zur Pulverzufuhr und zur Prozessüberwachung und -regelung. Darüber hinaus entwickeln und installieren wir komplette Pilotanlagen.

Produktentwicklung

Die generativen Fertigungstechnologien erlauben eine flexible Bauweise innerhalb kürzester Zeit. Dabei kann auf Zeichnungen, den Werkzeugbau und die Halbzeugbeschaffung verzichtet werden. Dies verändert den gesamten Produktentwicklungsprozess radikal und verkürzt die Reaktionszeiten der Unternehmen gegenüber veränderten Marktanforderungen. Mit den entsprechenden Management-Konzepten können Sie Ihrer Produkte und Dienstleistungen hinsichtlich Kosten, Zeit, Qualität und Umwelt optimieren.

Aktuelle Entwicklungen

RFID-Integration

Ist ein komplexes metallisches Bauteil mit einem erweitertem Funktionsumfang zu versehen, kann dieses während Lasersinterns bzw. Laserschmelzens mit integrierten, so genannten RFID-Chips ausgestattet werden. Die Herausforderung liegt darin, den Prozess der Integration der RFID-Bauteile so zu führen, dass diese auch nach dem Einbau noch einwandfrei funktionieren. Dies schafft völlig neue Möglichkeiten der weiteren Funktionalisierung generativ hergestellter Bauteile. Mit den berührungslos auch auf Distanz auslesbaren und – je nach Ausführung – auch beschreibbaren RFID-Einheiten, sind verschiedenste Anwendungsszenarien denkbar. Diese reichen vom einfachen Auslesen des Identifizierungscodes zum Plagiatschutz bis zum Speichern von Informationen während der Nutzung zur Unterstützung der weiteren Produktenwicklung.

Unsere Leistungen

Methoden der Produktentwicklung

Im Bereich Generative Verfahren entwickeln wir Fertigungsverfahren wie das Selective Laser Melting (SLM). Mit dem SLM als Rapid-Prototyping- und Rapid-Manufacturing-Verfahren werden metallische und keramische Bauteile und Werkzeuge hergestellt.

Die Arbeiten der Allianz-Institute umfassen verfahrenstechnische, physikalische und werkstoffkundlicher Grundlagen, die Modellbildung zur Unterstützung und Optimierung der Verfahrensentwicklung sowie die Entwicklung von Komponenten zur Strahlführung und -formung, zur Pulverzufuhr und zur Prozessüberwachung und -regelung. Darüber hinaus entwickeln und installieren wir komplette Pilotanlagen.

Werkzeuge der Produktentwicklung

In vielen Branchen werden heute Standardprodukte aus diversen CAD-Baukastensystemen ausgewählt und eingesetzt. Die letzten Bauteile, die den eigentlichen Kontakt zum Produkt haben, werden aber mit hohem Aufwand produktindividuell und in Einzelstücken oder Kleinstserien hergestellt.

Durch generative Fertigungsverfahren verbessern die Institute der Allianz nicht nur punktuell die Qualität von Teilfunktionalitäten, sondern stellen auch ganze Funktionsbaugruppen direkt her, die ohne weitere Montageschritte einsatzbereit sind.

Simulation

Die Computersimulation und die Technologien des Rapid Prototyping/ Rapid Tooling (RP/RT) bergen großes Potenzial zur Kosten- und Zeitersparnis in der industriellen Produktentwicklung und gewinnen daher immer stärker an Bedeutung. Noch bevor ein Produkt, zum Beispiel ein neu entwickeltes Maschinenbauteil, tatsächlich gefertigt wird, kann der gesamte Entstehungsprozess kostengünstig und schnell optimiert werden. In einem weiteren Schritt können mit Hilfe des RP/RT ebenso erste Prototypen, Kleinserien oder auch Werkzeugeinsätze für verschiedenste Fertigungsverfahren hergestellt werden. Neben der Simulation sind so auch eine vollständige reale Bauteilüberprüfung und -optimierung möglich.

Topologieoptimierung – Belastungsgerechte Gestaltung von Bauteilen

Generative Verfahren bieten eine einfache Möglichkeit, so genannte topologieoptimierte Strukturen zu fertigen. Die Topologieoptimierung meint hier die Konstruktion, Simulation und Fertigung gradierter zellularer Strukturen für mechanisch belastete Bauteile mit hoher Steifigkeit und geringem Gewicht. Material wird nur dort aufgebaut, wo es belastungsgerecht gebraucht wird. Die Verfahren basieren unter anderem auch auf optimierten Verteilungen unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften im Bauteil.

Bauteilsimulation

Im Produktentwicklungsprozess setzt die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung auf virtuelle Simulationstechniken, die den gesamten Bereich von der Statik bis zur Dynamik abdecken. Darüber hinaus entwickeln wir Werkzeuge, mit denen auch transiente, stark nichtlineare Berechnungen, beispielsweise Falltest-, Traglast- und Versagensanalysen durchgeführt werden können. Innerhalb der CAD-basierten Simulationsplattform lassen sich so einzelne Bauteile und selbst große Baugruppen sehr einfach und effizient handhaben. Spezielle Module für die konstruktionsbegleitende Berechnung erlauben auch sporadischen Anwendern, ihre Entwürfe und Ideen direkt am CAD-Arbeitsplatz zu überprüfen.

Aktuelle Entwicklungen

Komplexe innere Strukturen

Hier können generativ fertigende Verfahren und Systeme besonders punkten: mit ihrer fast völligen Freiheit hinsichtlich der produzierbaren Geometrie – vor allem im Inneren eines Bauteils. So lassen sich zum Beispiel innere Geometrien herstellen, die der Gewichtsersparnis bei gleichzeitigem Erhalt der mechanischen Festigkeit dienen. Auch die Nachbildung des menschlichen Knochenaufbaus oder die Anlage von Reservoiren in Implantaten für eine Langzeitmedikation sind denkbar. Außerdem eignen sich diese Verfahren für die Herstellung von Bauteilen mit konturnahen Kühlkanälen, etwa bei Spritzgießwerkzeugen, aber auch wabenähnliche Strukturen zur Strömungsführung lassen sich fertigen. Interne, sich wiederholende Geometrien zur Vergrößerung der inneren Oberfläche lassen sich mit diesem Verfahren herstellen, zum Beispiel für einen besseren Energie- oder Stoffaustausch in Apparaten zur Wärmerückgewinnung oder Filtration.

Simulation für Leichtbaustrukturen

Eine belastungsgerechte und gewichtsoptimierte Auslegung komplex strukturierter Leichtbauteile wird oft erst durch geeignete Simulationswerkzeuge erreicht. Damit kann frühzeitig der Einfluss verschiedener Ausgangs- und Betriebsparameter auf das Bauteilverhalten untersucht und optimiert werden. Die Modellierung und Simulation verifiziert schon in der Entwicklung konstruktions- und fertigungsgerechte Lösungen und verhindert Planungsfehler, die hohe Folgekosten und Zeitverzögerungen verursachen. Spezielle Modellierungs- und Simulationstools erlauben uns eine effiziente Beschreibung mathematischerBerechnungs- und Modellfunktionen, bieten Zugriff auf statische, dynamische oder reale Messdaten und stellen die Modellergebnisse grafisch dar.

Unsere Leistungen

Simulation der Konstruktion - Virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen

Die virtuelle Inbetriebnahme einer Maschine oder einer komplett automatisierten Anlage bietet den Vorteil, die Steuerungssoftware bereits während der Konstruktion und Entwicklung zu testen und zu optimieren. Die Basis dafür bildet eine Echtzeitsimulation, die das Verhalten der gesamten Maschinenkonstruktion oder einzelner Komponenten nachempfindet. ie Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung bietet auf dieser Basis Konzepte, Werkzeuge und Methoden für die Entwicklung solcher Systemmodelle an, die Ihnen die einige Vorteile bieten:

  • Kurze Entwicklungszeiten durch Softwareentwicklung am Maschinen-/Anlagenmodell
  • Qualitätssicherung der Steuerungssoftware
  • Weiterführende Nutzung funktionaler Modelle.

Tests und Validierung

In vielen Branchen kommen heute Standardprodukte aus verschiedenen CAD-Baukastensystemen zum Einsatz. Die letzten Bauteile, die den eigentlichen Kontakt zum Produkt haben, werden aber mit hohem Aufwand produktindividuell und in Einzelstücken oder Kleinstserien hergestellt.

Der Einsatz generativer Fertigungsverfahren verbessert nicht nur punktuell die Qualität von Teilfunktionalitäten, es lassen sich auch ganze Funktionsbaugruppen direkt herstellen, die ohne weitere Montageschritte einsatzbereit sind.