Qualität

Projektbeispiele zum Forschungsthema Qualität

Dehnratenabhängige Werkstoffmechanik, Werkstoffanalyse und Modellbildung
© Foto Fraunhofer EMI

Dehnratenabhängige Werkstoffmechanik, Werkstoffanalyse und Modellbildung

Dehnratenabhängige Werkstoffmechanik, Werkstoffmodellbildung in Simulation und Experiment, Werkstoffwissenschaft, In-house Additive Fertigung

Implementierung additiver Fertigungsverfahren
© Foto Fraunhofer IGCV

Implementierung additiver Fertigungsverfahren

Geschäfts- und Safetymodelle für die additive Fertigung

Pulver für die additive Fertigung
© Foto Fraunhofer IFAM

Pulver für die additive Fertigung

Additive Fertigung von Leichtbaukomponenten und Entwicklung von Pulverspezifikationen für LBM und EBM

Qualität sichtbar machen

 

Nach dem Vorbild der Natur entwickeln Forscher Ideen und Produkte, die gezielt an die Umweltbedingungen angepasst sind. 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, ermöglicht hier große Fortschritte in Bezug auf die Produktqualität.

Um die Zuverlässigkeit und Formgenauigkeit aller generativ hergestellten Produkte zu verbessern, entwickeln wir individuelle Sicherungssysteme für Ihren gesamten Produktentstehungsprozess:

  • Produkte und Prozesse – reproduzierbare Prozesse & formgenaue Produkte
  • Qualitätsmanagement in der Fertigungskette – Methoden und Richtlinien

Die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung unterstützt Sie mit ihrem langjährigen und branchenübergreifenden Know-how bei Integration von Qualitätssicherungswerkzeugen sowie beim Aufbau und der Optimierung Ihres Qualitätsmanagementsystems.

 

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Produkte und Prozesse

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

Zuverlässigkeit und Formgenauigkeit der Produkte

Fertigungsverfahren prägen das Einsatzverhalten und die Zuverlässigkeit von Bauteilen. Volumenänderungen des Werkstoffs während der Verarbeitung, beispielsweise Schrumpfungen bei der Polymerisation eines Stereolithographieharzes oder beim Sintern von Pulvern, können zu Formverzügen, Eigenspannungen und im ungünstigsten Fall sogar zur Bildung von Rissen führen. Die Simulation von Fertigungsschritten trägt zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Verfahrensparametern und Bauteileigenschaften bei. Experimentelle Methoden wie das inkrementelle Bohrlochverfahren oder die Röntgenbeugung dienen zur Analyse von Eigenspannungen.

Aktuelle Entwicklungen

Simulation von Fertigungsschritten in der Pulvertechnologie

Auf Basis innovativer Werkstoffmodelle können die einzelnen Prozessschritte der Herstellung pulvertechnologischer Bauteile numerisch simuliert werden. Anhand der Ergebnisse lassen sich die Verfahrensschritte optimieren. Dadurch verkürzen sich die Entwicklungszeiten formgenauer und rissfreier Bauteile und die Fertigungskosten sinken. Das Spektrum der untersuchten Materialien umfasst pulvermetallurgische Werkstoffe wie Sinterstahl und Hartmetall sowie technische und Gebrauchskeramik.

Simulationen von Verfahrensparametern des SLM

Im selektiven Laserschmelzen führen hohe räumliche und zeitliche Temperaturgradienten zu Eigenspannungen und Verzügen. Durch das inkrementelle Bohrlochverfahren konnten ein Tiefenprofil der Eigenspannungen für unterschiedliche Temperaturen des Bauteils und verschiedene Scanstrategien ermittelt werden. Die generative Fertigung bei einer höheren Bauteiltemperatur trägt in starkem Maße dazu bei, die Eigenspannungen zu verringern. Eine optimierte Scanstrategie reduziert die Eigenspannungen noch weiter.

Simulationen des Stereolithographieprozesses

Das Wechselspiel aus zunehmender Steifigkeit, abnehmender Fließfähigkeit und volumetrischen Veränderungen durch Polymerisationsschrumpf und thermische Ausdehnung des Stereolithographieharzes während der Aushärtung führt zu Eigenspannungen und Verzügen. Prozessnahe Simulationen können diese vorhersagen und zur Optimierung der Verfahrensschritte beitragen. Für lichthärtende Harze wurde ein Materialmodell entwickelt, das den Verlauf der elastischen, viskosen und viskoelastischen Anteile der Verformungsantwort während der Aushärtung beschreibt. Das Materialmodell kann anhand geeigneter Experimente parametrisiert werden. Simulationsergebnisse zu Formverzügen zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten.

Unsere Leistungen

 

Auslegung und Simulation komplex strukturierter Bauteile

Mit dem Selective Laser Meldting als Rapid-Prototyping und Rapid-Manufacturing-Verfahren werden metallische und keramische Bauteile und Werkzeuge hergestellt.

Die Arbeiten der Fraunhofer Allianz Generative Fertigung 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 entwickeln und installieren wir komplette Pilotanlagen.

 

Entwicklung von Materialmodellen und Simulationstools für generative Prozesse

In vielen Branchen kommen heute Standardprodukte aus 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.

Durch den Einsatz generativer Fertigungsverfahren verbessern die Institute der Allianz nicht nur punktuell die Qualität von Teilfunktionalitäten; sie stellen auch ganze Funktionsbaugruppen direkt her, die ohne jegliche Montageschritte einsatzbereit sind.

 

Produkte und Prozesse

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

Zuverlässigkeit und Formgenauigkeit der Produkte

Fertigungsverfahren sind prägend für das Einsatzverhalten und die Zuverlässigkeit von Bauteilen. Volumenänderungen des Werkstoffs während der Verarbeitung (beispielsweise der Polymerisationsschrumpf eines Stereolithographieharzes oder der Schrumpf durch das Sintern von Pulvern) können zu Formverzügen, Eigenspannungen und - im ungünstigsten Fall - zur Bildung von Rissen führen. Die Simulation von Fertigungsschritten trägt zum Verständnis des Zusammenhangs von Verfahrensparametern und Bauteileigenschaften bei, experimentelle Methoden wie das inkrementelle Bohrlochverfahren oder die Röntgenbeugung dienen zur Analyse von Eigenspannungen.

Aktuelle Entwicklungen

Simulation von Fertigungsschritten in der Pulvertechnologie

Auf der Basis innovativer Werkstoffmodelle können Prozessschritte numerisch simuliert werden, die bei der Herstellung pulvertechnologischer Bauteile auftreten. Mittels der Ergebnisse können die Verfahrensschritte optimiert werden. Dadurch verkürzen werden die Entwicklungszeiten bei der Fertigung formgenauer und rissfreier Bauteile verkürzt und Kosten werden eingespart. Das Spektrum der untersuchten Materialien umfasst pulvermetallurgische Werkstoffe wie Sinterstahl und Hartmetall sowie die technische- und Gebrauchskeramik.

Simulationen von Verfahrensparametern des SLM

Im selektiven Laserschmelzen führen hohe räumliche und zeitliche Temperaturgradienten zu Eigenspannungen und Verzügen. Mittels des inkrementellen Bohrlochverfahrens konnte ein Tiefenprofil der Eigenspannungen für unterschiedliche Temperaturen des Bauteils während der Fertigung und verschiedene Scanstrategien ermittelt werden. Die generative Fertigung bei einer höheren Bauteiltemperatur trägt wesentlich tz geringeren Eigenspannungen bei. Eine optimierte Scanstrategie führt zu einer weiteren Reduzierung der Eigenspannungen.

Simulationen des Stereolithographieprozesses

Das Wechselspiel aus zunehmender Steifigkeit, abnehmender Fließfähigkeit und volumetrischen Veränderungen durch Polymerisationsschrumpf und thermischer Ausdehnung eines Stereolithographieharzes während der Aushärtung führt zu Eigenspannungen und Verzügen. Prozessnahe Simulationen können Eigenspannungen und Verzüge vorhersagen und zur Optimierung der Verfahrensschritte beitragen. Für lichthärtende Harze wurde ein Materialmodell entwickelt, dass den Verlauf der elastischen, viskosen und visko-elastischen Anteile der Verformungsantwort während der Aushärtung beschreibt. Das Materialmodell kann anhand geeigneter Experimente parametrisiert werden. Simulationsergebnisse zu Formverzügen zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten.

Unsere Leistungen

Auslegung und Simulation von komplex strukturierten Bauteilen

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

Die Arbeiten der Allianz-Institute umfassen die Erarbeitung verfahrenstechnischer, physikalischer 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 werden komplette Pilotanlagen entwickelt und installiert.

Entwicklung von Materialmodellen und Simulationstools für generative Prozesse

In vielen Branchen werden momentan Standardprodukte aus diversen CAD Baukastensystemen ausgesucht 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 den Einsatz generativer Fertigungsverfahren verbessern die Institute der Allianz nicht nur punktuell die Qualität von Teilfunktionalitäten, sie stellen ganze Funktionsbaugruppen direkt her, die ohne jegliche Montageschritte einsatzbereit sind.