Auswahlhilfe zur unabhängigen Information über

Transcription

Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern.
www.kunststofftech.com
© 2006 Carl Hanser Verlag, München
Wissenschaftlicher
Arbeitskreis der
UniversitätsProfessoren der
Kunststofftechnik
Zeitschrift Kunststofftechnik
Journal of Plastics Technology
archivierte, rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK)
archival, reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology
www.kunststofftech.com; www.plasticseng.com
eingereicht/handed in: 11.07.2005
angenommen/accepted: 16.08.2005
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli, Dipl.-Ing. M. Schönfeld
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)
Auswahlhilfe zur unabhängigen Information
über unterschiedliche Rapid Prototyping und
-Tooling Prozessketten
Unter dem Begriff Rapid Prototyping (RP) versteht man die Technologie der generativen Fertigungsverfahren. Rapid Tooling (RT) und Rapid Manufacturing (RM) bezeichnen spezielle Anwendungen
und Einsatzgebiete des RP. Aufgrund der Verfahrensvielfalt können Entwickler und Ingenieure allerdings nicht immer problemlos das für ihre Anforderungen ideale Rapid-Verfahren identifizieren. Hilfreich ist hierbei eine methodische Rapid Verfahrensauswahl, die Anwender bei der Auswahl des geeigneten Rapid-Verfahrens unterstützt.
Autor/author
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli, Dipl.-Ing. M. Schönfeld,
RWTH Aachen
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)
Pontstr. 49
D-52062 Aachen
E-Mail-Adresse: [email protected]
Webseite: www.ikv-aachen.de
Herausgeber/Editor:
Europa/Europe
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. G. W. Ehrenstein, verantwortlich
Lehrstuhl für Kunststofftechnik
Universität Erlangen-Nürnberg
Am Weichselgarten 9
D-91058 Erlangen
Deutschland
Phone:
+49/(0)9131/85-29700
Fax.:
+49/(0)9131/85-29709
Verlag/Publisher:
Carl-Hanser-Verlag
Jürgen Harth
Ltg. Online-Services & E-Commerce,
Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen
Kolbergerstrasse 22
D-81679 Muenchen
Tel.: 089/99 830 - 300
Fax: 089/99 830 - 156
E-mail: [email protected]
Amerika/The Americas
Prof. Dr. Tim A. Osswald, responsible
Polymer Engineering Center, Director
University of Wisconsin-Madison
1513 University Avenue
Madison, WI 53706
USA
Phone:
+1/608 263 9538
Fax.:
+1/608 265 2316
Beirat/Editorial Board:
Professoren des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik/
Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology
Carl Hanser Verlag
Zeitschrift Kunststofftechnik/Journal of Plastics Technology 2 (2006) 1
W. Michaeli
Auswahlhilfe für Rapid Prototyping und -Tooling Prozessketten
AUSWAHLHILFE ZUR UNABHÄNGIGEN
INFORMATION ÜBER UNTERSCHIEDLICHE
RAPID PROTOTYPING UND -TOOLING
PROZESSKETTEN
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli, Dipl.-Ing. M. Schönfeld
Unter dem Begriff Rapid Prototyping (RP) versteht man die Technologie der
generativen Fertigungsverfahren. Rapid Tooling (RT) und Rapid Manufacturing
(RM) bezeichnen spezielle Anwendungen und Einsatzgebiete des RP. Aufgrund
der Verfahrensvielfalt können Entwickler und Ingenieure allerdings nicht immer
problemlos das für ihre Anforderungen ideale Rapid-Verfahren identifizieren.
Hilfreich ist hierbei eine methodische Rapid Verfahrensauswahl, die Anwender
bei der Auswahl des geeigneten Rapid-Verfahrens unterstützt.
1 EINLEITUNG
Aufgrund des hohen Innovations- und Wettbewerbsdrucks verkürzen sich die
Lebenszyklen heutiger Produkte [1]. Heute wird der Produktentwicklunsprozess
auf operativer Ebene durch generative Fertigungsverfahren zur beschleunigten
Erzeugung von Prototypen unterstützt. Neben Kunststoffen werden zunehmend
auch Metalle und teilweise schon Keramiken verarbeitet [2,3,4,5].
Aufgrund der Verfahrens- und Materialvielfalt können Entwickler und Ingenieure
allerdings meist nicht das für ihre Anforderungen ideale Rapid-Verfahren problemlos identifizieren. Häufig ist nur eine begrenzte Anzahl der verfügbaren
Verfahren bekannt, von denen dann eines ausgewählt wird. Dies kann im ungünstigsten Fall zu unbefriedigenden Ergebnissen oder zum Scheitern der Vorstudie führen. In jedem Fall wird eine solche Entscheidung auf Basis weniger
bekannter Verfahren zu erhöhten Prototyp-Preisen und/oder unzureichenden
Prototyp-Eigenschaften führen.
Hilfreich in diesem Zusammenhang ist eine methodische Rapid-Verfahrensauswahl. Durch Eingabe eines prototypspezifischen Anforderungsprofils, beispielsweise Werkstoff, Stückzahl, Dimension, Maßhaltigkeit, Komplexität etc.
werden aus der hinterlegten Datenbasis geeignete Verfahren vorgeschlagen.
Detaillierte Ausführungen zu den Verfahren dienen anschließend in der Datenbasis zur genaueren Information über die jeweilige Prozesskette.
Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1
1
W. Michaeli
2 STAND DER TECHNIK
Unternehmen stehen heute vor der Herausforderung, innovative Produkte in
immer kürzeren Zeitfenstern zu entwickeln, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu
sichern. Erfolgreiche Unternehmen setzen dabei insgesamt höhere Forschungs- und Entwicklungsaufwändungen, insbesondere zu frühen Zeitpunkten
des Produktlebenszyklus, ein [6]. Durch immer kürzere Innovationszyklen muss
auch die Dauer von Entwicklungsprojekten immer stärker reduziert werden.
Hierzu werden Produkte und Prozesse parallelisiert, um die Zeit bis zum
Markteintritt möglichst weit zu verkürzen. Neben der Simulation von Prozessketten bietet das RP und RT die Möglichkeit, zu einem frühen Zeitpunkt in der Produktentwicklung bestimmte Funktionen des späteren Produktes abzusichern.
Die Gruppe der RP- und RT-Prozessketten werden zusammenfassend oft auch
als Gruppe der generativen Fertigungsverfahren bezeichnet.
Generative Verfahren können bei der Produktentwicklung unterstützend eingesetzt werden, um mögliche Iterationsschritte zu vermeiden. Iterationen treten in
der Produktentwicklung immer dann auf, wenn der Entwicklungsprozess
Schwachstellen aufweist. Mögliche Gründe hierfür sind eine ungenügend geklärte Ausgangssituation, mangelnde Kommunikation und Integration oder
mangelnde Ergebnisbewertung [7,8]. Durch die systematische Anwendung von
schnellen Verfahren zur Prototypenherstellung konnten in diesem und dem vergangenen Jahrzehnt die Produktenwicklungszeiten und -kosten erheblich reduziert werden [8,9].
2.1 Generative Verfahren
Generative Verfahren spielen bei der Verkürzung von Produktenwicklungszeiten eine zentrale Rolle. Der herkömmliche Modell- und Prototypenbau mittels
konventioneller Technologien ist aufgrund der geringen Losgrößen und den
häufigen Änderungen des Produktmusters zeit- und kostenintensiv [10].
Demgegenüber bieten die sogenannten generativen Fertigungsverfahren die
Möglichkeit, zeitaufwändige Iterationsschritte zu vermeiden. Die Gruppe der
generativen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile durch Aneinanderfügen und Schichten von Volumenelementen hergestellt werden. Dabei
wird nach Zerlegung der 3D-CAD-Konstruktionsdaten des Produktes in Schichtinformationen ein Prototyp ohne besondere Formen und Werkzeuge generativ,
d.h. durch Materialauftrag aufgebaut [11]. Die bekanntesten Verfahren dieser
Gruppe sind die Stereolithographie, das Lasersintern, das Fused Deposition
Modeling, das Laminated Object Manufacturing und die 3D-Printing Verfah-ren.
Meist werden die hergestellten Prototypen als Konzeptmodell, das lediglich zur
Visualisierung des späteren Bauteils dient, oder als Funktionsprototyp, dessen
Aufgabe in der Simulation bestimmter mechanisch-technologischer Funktionen
des zukünftigen Serienteils liegt, eingesetzt.
Während es vor einigen Jahren noch ausreichend war, Design-, Montage- und
auch eingeschränkte Funktionstests durchzuführen, wird heute von Prototypen
oft auch die Abbildung seriennaher oder serienidentischer Eigenschaften ver-
2
W. Michaeli
langt. Hierbei verschiebt sich der Zeitpunkt notwendiger Tests zum Zwecke einer frühzeitigen Fehlererkennung in die frühe Produktentwicklung. Bei der Herstellung von seriennahen Prototypen müssen zwei wichtige Anforderungen erfüllt werden [12,13]: Zum einen muss das Serienmaterial eingesetzt werden,
zum anderen müssen auch die jeweiligen fertigungsbedingten Eigenschaften
des Serienverfahrens abgebildet werden. In diesem Fall wird auf die so genannten RT-Prozessketten zurückgegriffen.
Charakteristisch für das RT ist die Herstellung eines Prototypenwerkzeugs, das
die Abformung von Prototypen im Serienverfahren erlaubt. Hierbei wird ein generatives Verfahren mit Folgeverfahren verknüpft. Dabei dienen die generativen
Verfahren entweder zur direkten Herstellung von Prototypwerkzeugeinsätzen,
oder generativ hergestellte Prototypen dienen als Urmodell für nachfolgende
Gießprozesse [14].
Im ersten Fall muss nach der generativen Herstellung lediglich die Oberfläche
geglättet werden. Im zweiten Fall erfolgt zunächst eine Oberflächenoptimierung
des Urmodells und anschließend nach dem Abguss die Abtrennung des Angusses. Anschließend werden die so hergestellten Prototypen-Werkzeugeinsätze in
einem aus Normalien aufgebauten Familienwerkzeug abgemustert.
Durch die dargestellte Vorgehensweise können beträchtliche Zeit- und Kostenvorteile im Vergleich zum konventionellen Werkzeugbau erzielt werden [15].
2.2 Auswahlhilfen für Rapid Prototyping und -Tooling
Prozessketten
Die Anzahl von RP-Prozessketten ist groß und schlecht überschaubar. Durch
die Kombination mit Gießverfahren zur Herstellung von RT-Werkzeugen ergibt
sich eine große Variantenvielfalt möglicher Prozessketten. Neben der Anzahl an
Prozessvarianten ergibt sich auch noch, je nach eingesetztem Prozess, eine
hohe Anzahl unterschiedlicher Charakteristika, die eine Rolle bei der Auswahl
eines geeigneten Verfahrens spielen können. Daneben werden ständig neue
Materialien und Verfahren entwickelt oder vorhandene Technologien optimiert,
was die Auswahl ebenfalls erschwert [16].
Von verschiedenen Forschungsgruppen sind verschiedene Auswahlhilfen zur
Entscheidung für oder gegen bestimmte Prozessketten veröffentlicht worden
[u.a. 1,12,17,18,19,21,22,26].
Es gibt hierbei unterschiedliche Ansätze, um die Verfahrensauswahl zu erleichtern. Viele Auswahlhilfen bedienen sich einfach zu quantifizierender Kriterien
wie Material oder Stückzahl [22], um eine Grobauswahl zu treffen und mögliche
RP-Verfahren vorzuschlagen. Eine sehr hilfreiche Auswahltechnik bietet z.B.
[17]. Hier wird über einen Ähnlichkeitsansatz nach vergleichbaren Produkten in
der Datenbank gesucht.
Das jeweils hinterlegte Herstellungsverfahren kann so als erster Anhaltspunkt
für RP-Verfahren, die für das eigene Produkt infrage kommen, dienen. Dieser
so genannte RP-Experte bietet darüber hinaus die Möglichkeit, seine jeweilige
3
W. Michaeli
Bauteilanfrage direkt an mehrere verschiedene RP-Dienstleister weiterzuleiten.
Die abgegebenen Angebote bieten wiederum die Möglichkeit, die jeweiligen
Verfahren zu bewerten, da diese Angebote auch Angaben zur jeweiligen Prozesskette enthalten.
Neben diesen internetbasierten Auswahlhilfen gibt es verschiedene Ansätze,
die Informationen in Datenbankstrukturen mit unterschiedlich komplexen Auswahlalgorithmen abzubilden. Diese Vorgehensweise wird von [1,18,21,24] angewandt, wobei je nach Quelle unterschiedliche Ansätze verfolgt werden. Stoll
et al. stellen in [18] eine Auswahlsystematik für das Sandgießen vor, die eine
hohe Kompetenz des Anwenders voraussetzt, hierdurch aber auch eine hohe
Güte erreichen kann.
Der Einsatz mehrkriterieller, hierarchischer Entscheidungshilfsmittel ist [1,21,
24,26] gemeinsam. Hierdurch wird das Gesamtproblem der Auswahl einer gut
geeigneten Rapid-Prozesskette in einfachere, gewichtete Teilprobleme zerlegt.
Jedoch ist der Fokus der jeweiligen Ansätze unterschiedlich. Pieverling [21] fokussiert auf die Auswahl zwischen konventioneller Prozesskette und RPProzesskette. Hierbei wird zwar zunächst eine übergeordnete Entscheidung für
die am besten geeigneten Verfahren zur Herstellung eines Prototypenwerkzeugs vorgestellt; die detailliertere Untersuchung erfolgt dann aber ausschließlich für das direkte metallische Lasersintern im Vergleich zu elektroerosiven
bzw. spanabhebenden Verfahren.
Kaschka [1] stellt eine Methodik zur Entscheidungsunterstützung zur Auswahl
von RT-Prozessketten vor, die ebenso wie [21] auf Basis einer hierarchischen,
mehrkriteriellen Entscheidung aufbaut. Hierbei wird besonderer Wert auf die
Beschreibung der gesamten Prozesskette gelegt, jedoch werden bei der vorgestellten Methodik technologische Randbedingungen weitestgehend ausgeblendet (z.B. mechanische Eigenschaften der hergestellten Prototypen).
Müller und Schimmel [24] stellen ebenfalls ein Auswahltool auf Basis einer hierarchischen Entscheidung vor. Die Autoren stellen Ihrer Auswahldatenbank anhand eines Fallbeispiels vor. Als mögliche Verfahren zur Produktion werden
jedoch ausschließlich das metallische Lasersintern mit einem Gießharz und einem konventionellen Aluminiumwerkzeug verglichen.
Der RP-Selector des IVF, Göteborg (Schweden) [26] bietet im Internet ein einfach zu bedienendes Auswahltool an. Hierbei wird ausgehend von einer Unterscheidung zwischen Prototypen aus Kunststoff und Metall, Design und Funktion
die Auswahl des jeweiligen Verfahrens über Anzahl und Größe durchgeführt
und dem Anwender mögliche Prototyp-Verfahren präsentiert.
Masood und Soo [20] stellen im Gegensatz zu den vorangegangenen Auswahlhilfen eine Möglichkeit zur Auswahl von RP-Anlagen vor, d.h. dieses Auswahltool richtet sich nicht an den RP/RT-Anwender, sondern an den Anlageneinkäufer.
Allen vorgestellten Auswahlverfahren ist gemeinsam, dass die hinterlegte Datenbasis nicht immer vollständig transparent ist bzw. auf Daten der Hersteller
zurückgegriffen wird. Im Gegensatz hierzu sind am Institut für Kunststoffverar-
4
W. Michaeli
beitung, insbesondere im Bereich des RT, zahlreiche mechanische, thermische
und verarbeitungstechnische Kennwerte ermittelt worden, die eine vertiefende
Information darstellen und eine über die alternativ vorgestellten Auswahlhilfen
hinausgehende Datenbasis darstellen. Die eingepflegten Daten und deren Ermittlung können größtenteils [12,13] entnommen werden. Auf das genannte
Auswahltool wird im Folgenden noch eingegangen.
3 RAPRAT ALS AUSWAHLTOOL ZUR VERFAHRENSAUSWAHL
Das Programmsystem RaPraT (Rapid Prototyping and Tooling Selector) besteht aus zwei Programmteilen. Zum einen ist eine Verfahrensauswahl implementiert, die nach einer angepassten AHP (Analytic Hierarchy Process) Methodik die Auswahl eines geeigneten RP- oder RT-Verfahrens unterstützt. Zum
anderen sind in einer Datenbank weiterführende verfahrensspezifische Details
hinterlegt, Bild 1.
In der Verfahrensinformation können detaillierte Informationen zu den in der
Verfahrensauswahl berücksichtigten RP- und RT-Verfahren abgerufen werden.
Im Einzelnen wurden im Bereich des RP die Stereolithographie (SLA), das Lasersintern (LS), das Fused Deposition Modeling (FDM), das Laminated Object
Manufacturing (LOM) und das 3D-Printing betrachtet. Auf Seiten der RTVerfahren wurden sowohl die direkte Prozesskette des metallischen Lasersinterns (SLS) als auch die indirekten Prozessketten des Harzgießens (GH), des
Metallspritzens (MS), des Feingusses (FG oder MPC) und die KeltoolProzesskette betrachtet. Näheres zu den einzelnen RP- und RT- Verfahren
kann z.B. [9,11] entnommen werden. Die Daten der unterschiedlichen RP- und
RT-Verfahren wurden in den Jahren 1999-2005 erhoben. Ein Einlesen aktualisierter Daten ist über eine Import-Funktion jederzeit möglich.
Die Verfahrensinformation zu den einzelnen Prozessketten stellt im oberen Teil
die jeweilige RP-/RT-Prozesskette schematisch dar. Zur besseren Vorstellung
dient ein Beispielbauteil. Darüber hinaus sind die wichtigsten technischen Daten
und Herstellerangaben aufgeführt. Über diese Informationen hinaus, die auch in
mehreren alternativen Datenbanken (s. Kap. 2.2) nachgeschlagen werden können, können im unteren Teil der Verfahrensinformation vergleichende Analysen
unterschiedlicher RP- und RT-Verfahren abgerufen werden (z. B. auftretende
Entformungskräfte bei Einsatz unterschiedlicher RT-Verfahren, Bild 2). Hier
kann der Anwender überprüfen, welchen Einfluss die einzelnen Verfahren auf
das Kriterium haben und wie groß die Unterschiede zwischen den einzelnen
Verfahren sind. Bei RP-Verfahren wird zukünftig die Information zum Verfahren
um die Angabe möglicher, verarbeitbarer Materialien ergänzt werden. Auf eine
gezielte Materialvorauswahl im Auswahltool wurde bis dato verzichtet, da direkt
mit dem Serienmaterial vergleichbare Materialien im Bereich des RP nicht verfügbar sind.
Die verfügbaren Informationen können zum einen direkt zu Informationszwekken in der Datenbank nachgeschlagen werden. Zum anderen dienen die im-
5
plementierten Informationen auch nach erfolgter softwaretechnisch unterstützter
Auswahl zur Information über die am besten bewerteten Alternativ-Prozessketten und zum direkten Vergleich derselben untereinander. Darüber hinaus
können auch nicht vom Auswahlalgorithmus genutzte Verfahrensinformationen
wichtige Hinweise zur Wahl eines geeigneten Verfahrens bieten.
W. Michaeli
Bild 1:
Verfahrensinformation
Das Auswahltool ist in Anlehnung an die AHP-Methodik (Analytic Hierarchy
Process) entwickelt worden [23]. Sie bietet die Möglichkeit, komplexe Entscheidungssituationen bei gleichzeitiger Verarbeitung von quantifizierbaren und nicht
quantifizierbaren Daten zu unterstützen.
Bei dem Auswahltool wird das Entscheidungsproblem hierarchisch mehrstufig
angeordnet und somit wird das komplexe Problem „Auswahl eines bestmögli-
6
W. Michaeli
chen RP-/RT-Verfahrens“ in überschaubare Einzelprobleme reduziert. Hierbei
wird ausgehend vom Oberziel, eine Hierarchie von Teilzielen erstellt. Die unterste Hierarchiestufe bilden Alternativen, mit denen die gesetzten Ziele unterschiedlich gut realisiert werden können.
Bild 2:
Beispiel der hinterlegten Verfahrensinformation: Entformungskraft
aus RT-Werkzeug
Die Präferenzen des Entscheiders werden bestimmt, indem die Bedeutung der
Ziele und Alternativen einer Ebene miteinander verglichen werden. Die Paarvergleiche werden von oben nach unten für jede Verzweigung durchgeführt.
Der Anwender kann dabei in jeder Entscheidungsebene seine Präferenz für
bestimmte Merkmale anhand eines paarweisen Vergleiches bewerten. Die prinzipielle Aufteilung des Problems in verschiedene Ebenen zeigt in diesem Zusammenhang Bild 3.
7
Bild 3:
Prinzipielle Vorgehensweise bei der hierarchischen
Entscheidungsfindung
Anhand der Auswahl RP-Verfahren ist beispielhaft dargestellt, wie die Entscheidungssituation „Wähle das beste RP-/RT-Verfahren für den jeweiligen
Anwendungsfall“ auf besser lösbare Einzelentscheidungen heruntergebrochen
wird.
In der jeweiligen Entscheidungsebene werden vom Anwender die jeweilige Präferenz durch Paarvergleiche ermittelt [23], Bild 4. Bei den Paarvergleichen ist
der Anwender gezwungen, seine Präferenz für eine Auswahlalternative im Vergleich zu einer anderen auszudrücken, z. B. die Bewertung der Genauigkeit im
Vergleich zur Bauzeit in Bild 4.
W. Michaeli
Bild 4:
2. und 3. Merkmalsebene bei der Auswahl einer Rapid
Prototyping-Prozesskette
8
W. Michaeli
Im Programm wird aus den einzelnen Paarvergleichen eine Paarvergleichsmatrix erstellt. Die gebildete Paarvergleichsmatrix wird anschließend zu einem
Gewichtsvektor verdichtet. Die Vorgehensweise hierbei verdeutlicht noch einmal Bild 5. Anhand des Gewichtsvektors in Tabelle 1 und Tabelle 2 wird deutlich, dass für den Beispielbediener in Bild 4, rechts, z. B. die Stabilität des herzustel-lenden Prototyps ein höheres Gewicht besitzt als die Oberflächenqualität.
Für das Gewicht des Zeilenelements im Vergleich zum Spaltenelement gilt:
1
:
gleich
2 (1/2):
etwas größer (kleiner)
3 (1/3):
viel größer (kleiner)
Bauzeit (B) Genauigkeit (G) Oberfläche (O) Stabilität (S)
Bauzeit (B)
1
1/2
1
2
Genauigkeit (G)
2
1
1
1/2
Oberfläche (O)
1
1
1
1/2
Stabilität (S)
1/2
2
2
1
Spaltensumme
4,5
4,5
5
4
Tabelle 1:
Paarweiser Vergleich anhand des Beispiels aus Bild 4
Die Berechnung des Gewichtsvektors erfolgt anschließend durch Normierung
der Matrix über die Spaltensumme und der Berechnung der Zeilensumme,
Tabelle 2.
B
G
O
S
Zeilensumme
Gewichtsvektor der
Alternative
B
0,22
0,11
0,2
0,5
1,03
1,03/4 = 0,26
G
0,44
0,22
0,2
0,13
0,99
0,99/4 = 0,25
O
0,22
0,22
0,2
0,13
0,77
0,77/4 = 0,19
S
0,11
0,44
0,4
0,25
1,21
1,21/4 = 0,30
Tabelle 2:
Bestimmung des Gewichtsvektors der Alternativen
Ebenso wie der Anwender die Gewichtungen seiner Prototypenauswahl bestimmt, sind im Datenteil des Auswahltools die jeweiligen Ausprägungen für das
jeweilige Verfahren abgelegt. So sind z.B. mit dem Stereolithographie-Vefahren
9
(SLA) höhere Genauigkeiten als mit dem Fused Deposition Modeling (FDM)
möglich. Dementsprechend wird in diesem Fall der SLA ein höherer Erfüllungsgrad der Anforderung „Genauigkeit“ als dem FDM zugeordnet. Bei der Oberflächenqualität wird zum Vergleich der unterschiedlichen RP-Verfahren die maximal mögliche Auflösung, die Rautiefe eines Prototypen in der Arbeitsebene und
orthogonal zur Arbeitsebene, die Möglichkeit, farbige Prototypen herzustellen
und der verfahrenspezifischer Schrumpf (RP-Verfahren, maschinenspezifisch)
und Verzug der Prototypen (RT-Verfahren) in die Bewertung miteinbezogen.
Die Daten des jeweiligen Verfahrens werden dabei der bereits vorgestellten Datenbank entnommen. Bei der Bewertung des Einsatzes von RP- bzw. RTVerfahren im Vergleich zu konventionellen Verfahren sind die Stückzahl, Komplexität und Größe des Formteils die wesentlichen Faktoren, die für oder gegen
die Eignung bestimmter RP/RT-Verfahren zur Abbildung sprechen. Diese Informationen werden daher innerhalb der 1. Merkmalsebene abgerufen, Bild 5.
Hierbei gibt der Anwender zunächst Stückzahl, Abmessungen und Volumen
des zu fertigenden Prototypen an. Durch Überschreitung der Abmessungen des
Bauraums von Prototypenanlagen werden diese direkt bei der weiteren Analyse
gesperrt.
W. Michaeli
Bild 5:
Merkmalsebene des Auswahltools
10
W. Michaeli
Darüber hinaus werden aus Volumen und äußeren Abmessungen zur Bewertung der Komplexität die Verpackungssperrigkeit und Gestrecktheit des Formteils nach Pacyna [25] berechnet, Bild 6. Diese Kennzahlen bieten die Möglichkeit, die Komplexität des Formteils zahlenmäßig zu beschreiben.
Eine geringe Volumensperrigkeit führt z.B. zum Hinweis, dass der Einsatz konventioneller Fertigungsverfahren (typischerweise spanabhebend oder elektroerosiv) bessere Alternativen zur Herstellung des Formteils sind. Neben der Gestrecktheit und Volumensperrigkeit wird darüber hinaus die dünnste Stelle des
Formteils als weitere wichtige Information abgefragt, um bei Unterschreitung
bestimmter Mindeststegdicken (typischerweise 5-fache Schichtdicke) die jeweiligen generativen Verfahren von der weiteren Bewertung auszuschließen. Im
Bereich der Rapid Tooling Verfahren wird darüber hinaus das höchste auftretende Aspektverhältnis geprüft, um so bei Verfahren mit hohen Oberflächenrauigkeiten auf notwendige hohe Entformungsschrägen und/oder notwendige
Nachbearbeitungsschritte hinzuweisen.
Bild 6:
Pacyna Kennzahlen [25]
Insgesamt zeigen erste Versuchsdurchläufe des Auswahltools vielversprechende Prognosen. Eine weitere Absicherung wird anhand von weiteren Anwenderdaten der nächste Schritt zu einem präzisen Auswahltool darstellen.
11
W. Michaeli
4 FAZIT UND AUSBLICK
Mit RaPraT steht ein Auswahltool bereit, das neben der reinen Auswahlmethodik auf Basis einer Verfahrensdatenbank dem Anwender weitergehende, unabhängige technologische Prozessdaten zur Verfügung stellt. So bietet es eine
Unterstützung bei der Wahl eines Rapid-Verfahrens anhand eines Abgleichs
von Leistungsmerkmalen. Dies gilt auch für die Komplexität der Prototypen,
dessen Geometrie zum einen durch die geometrischen Randbedingungen und
die Pacyna-Kennzahlen erfasst wird. Insbesondere die umfangreichen Informationen über die Eigenschaften spritzgegossener Prototypen erlauben den Einsatz des Tools nicht nur für die Verfahrensauswahl, sondern auch für die Bewertung untersuchter Funktionstests.
Aufgrund des modularen Aufbaus und der einfachen Skalierbarkeit kann dieser
Prototyp durch die Implementierung weiterer Prozessketten und aktualisierten
Materialdaten erweitert werden. Somit ist die Auswahl für oder gegen bestimmte RP- und RT-Prozessketten mit einer breiteren Wissensbasis möglich.
Zukünftig soll eine Validierung mit typischen Anwendungsdaten erfolgen. Darüber hinaus ist eine stetige Weiterentwicklung und Erweiterung der Datenbasis
geplant, um noch bessere und detailliertere Prognosen zu ermöglichen.
5 DANK
Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch die Deutsche
Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereiches
361 "Integrierte Produkt- und Prozessgestaltung".
6 LITERATUR
[1]
Kaschka, W.
Methodik zur Entscheidungsunterstützung bei der
Auswahl und Bewertung von konventionellen und
Rapid Tooling- Prozeßketten
Dissertation, Technische Universität Chemnitz,
1999
[2]
Wagner, C.
Einsatz des Rapid Prototyping und Rapid Tooling
im Rahmen eines Simultaneous Engineering in der
Spritzgießverarbeitung
Dissertation, RWTH Aachen, 1998
[3]
Meiners, W.
Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger
metallischer Werkstoffe
[4]
Wirtz, H.
Selektives Lasersintern von Keramikformschalen
für Gießanwendungen
Dissertation RWTH Aachen, 2000
12
[5]
Kruth, J.P.,
Wang, X.,
Laoui, T.,
Froyen, L.
Progress in selective laser sintering. International
Symposium for Electromachining
Proceedings, Vol. 1,Bilbao, Spanien, 2001
[6]
Hong-Seok, B.,
Haeng-Jae, S.,
Kwan, H.L.
Designing a new test part for selection and benchmarking of rapid prototyping processes
Proceedings of 35th CIRP International Seminar on
Manufacturing Systems, Seoul (KR), 2002
[7]
Milberg, J.
Effizienz- und Qualitätssteigerung bei der Produkt
und Produktionsgestaltung
Markt, Arbeit und Fabrik, Produktionstechnisches
Kolloquium, Berlin, 1992
[8]
Eversheim, W.,
Bochtler, W.,
Laufenberg, L.
Simultaneous Engineering - Erfahrungen aus der
Praxis
Springer, Berlin, 1995
[9]
Wohlers, T.
Wohlers Report 2003. Annual Worldwide Progress
Report, Fort Collins (USA), 2003
[10]
König, W.,
Klocke, F.
Fertigungsverfahren
3. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1997
[11]
Gebhardt, A.
Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle
Produktentstehung
Hanser, München, Wien, 2000
[12]
Langen, M.
Einsatz des Rapid Prototyping und Rapid Tooling
im Rahmen eines Simultaneous Engineering in der
Spritzgießverarbeitung
[13]
Lindner, F.
Vergleichende Analyse zur Seriennähe von RapidTooling-Prozessketten und spritzgegossenen
Kunststoffprototypen
[14]
Eschl, J.,
Baumann, F.,
Möginger, B.,
Eyerer, P.
Methodik zur Erstellung des ersten Prototoypen
Von der Idee zum Produkt - 22. Jahrestagung
Spritzgießen, Baden Baden, 1999
W. Michaeli
[15]
Hickmann, T.,
Klemp, E.
Auf die richtige Kombination kommt es an
Kunststoffe 93 (2003) 11, S. 60-63
[16]
Wilmsen, M.
In 14 Tagen zum Spritzgußteil
Kunststoffe, 97 (1997) 11, S. 1680-1683
[17]
N.N.
Rapid Prototyping Netzwerk RP-Net.de.
URL: http://www.rp-net.de, Juni 2005
13
W. Michaeli
[18]
Stoll, H.W.,
Conley, J.G.,
Wang, W.,
Gustafson, R.L.
Tool-Path Selection for Sandcasting
American Foundry Society, 107 (1999), S. 695-701
[19]
Bonten, C.,
Seul, T.
Nur die Anwendung bestimmt den Prototypen
Kunststoffe 91 (2001) 1, S. 46-52
[20]
Masood, S.H.,
Soo, A.
A rule based expert system for rapid prototyping
system selection
Robots and Computer Integrated Manufacturing
(2002) 18, S. 267-274
[21]
Pieverling, J.
Ein Vorgehensmodell zur Auswahl von Konturfertigungsverfahren für das Rapid Tooling. Dissertation,
TU München, 2002
[22]
N.N.
Internetseite der NC-Gesellschaft. URL:
http://www.ncg.de, Juni 2005
[23]
Weber, K.
Mehrkriterielle Entscheidungen. Oldenbourg,
München, 1993
[24]
Müller, H.
Schimmel, A.
The Decision Dilemma: Assessment and Selection
of Rapid Prototyping Process Chains
In: Proceedings of the 8th European Conference on
Rapid Prototyping and Manufacturing, Nottingham
(GB), 1999
[25]
Pacyna, H.
Die Klassifikation von Gußstücken
Gießerei 55 (1968) 13, S. 381-394
[26]
N.N.
RP-Selector, Internetseite der IVF, Göteborg
(Schweden)
URL: http://exta.ivf.se/rp-selector, September 2005
Stichworte:
Rapid Prototyping, Auswahlhilfe, Prozesskette
Kontakt:
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli
Dipl.-Ing. Michael Schönfeld
Herausgeber:
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. G.W. Ehrenstein
Prof. Dr. T. Osswald
Erscheinungsdatum:
Januar 2006
14

Auswahlhilfe zur unabhängigen Information über

Transcription

Similar documents

WALDNER Brief - Nr. 172

DVD Architect Studio Kurzanleitung

Organigramm - Caritasverband für das Bistum Magdeburg

Handbuch der Leistungssachbearbeitung (HaLeiSa)

Export von Rhinoceros-Dateien in das STL-Format