Modellbasierte Bauteilauslegung und Prozessplanung für die Herstellung von Multi-Material-Bauteilen durch die inkrementelle Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Dröder; Professor Dr.-Ing. Thomas Vietor
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412330610

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eine steigende Produktindividualisierung aufgrund marktspezifischer Randbedingungen, Gesetzgebungen und einer technologischen Differenzierung ist in zahlreichen Branchen festzustellen. Eine Steigerung der Produktvarianz kann bei formgebundenen Fertigungsverfahren nur durch eine Steigerung der Werkzeuganzahl oder einer erhöhten Werkzeugkomplexität erfolgen, wodurch die Wirtschaftlichkeit sinkt. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde der Ansatz der inkrementellen Fertigung (IF) entwickelt. Die IF ist durch die Kombination roboterbasierter Fertigungsprozesse in einem integrierten Produktionskonzept geprägt. Dabei werden vorgefertigte Halbzeuge durch verschiedene Schritte der roboterbasierten additiven Fertigung (AF) im Metall- als auch im Kunststoffbereich ergänzt und optional durch subtraktive Fertigungsschritte finalisiert. Das Gesamtkonzept zielt auf eine kostengünstige und variantenflexible Fertigung im kleinen bis mittleren Stückzahlbereich ab. Diesen Chancen stehen grundlegende, bislang ungelöste Fragestellungen gegenüber. Der Forschungsbedarf besteht in der Bereitstellung von Methoden zur Produkt- und Prozessgestaltung, um den hochdimensionalen Lösungsraum hinsichtlich des Produktaufbaus (bspw. Auswahl und Anteil von Halbzeugen vs. additiver Bereiche) und bzgl. der Fertigungsstrategie (bspw. produktindividuelle Prozessreihenfolgen und -parameter) so einzugrenzen, dass eine zielgerichtete Definition produktindividueller Prozessketten bei gleichzeitig effizienter Herstellung eigenschaftsoptimierter Produkte ermöglicht wird. Die Verknüpfung von Konstruktionsprinzipien für die teiladditiv gefertigten (materialhybriden) Strukturen und die Identifikation von geeigneten Fertigungsstrategien und -abfolgen in einer integrierten Methode wird als essenzielle Voraussetzung für die Nutzbarmachung der IF angesehen. Vor diesem Hintergrund wurde eine Methode erforscht, mittels derer ausgehend von einem konventionell gefertigten Referenzbauteil automatisiert inkrementell fertigbare Konzeptentwürfe abgeleitet werden. Diese Entwürfe unterscheiden sich durch die Materialwahl (auch Multi-Materialbauweisen möglich), Fertigungsverfahren, Fügeverfahren, Prozessreihenfolgen und Gestalt. Für die Eingrenzung der hohen Anzahl möglicher Ausprägungen wurden mögliche Bauteilkandidaten modellbasiert bewertet, um eine gleichberechtigte Auswahl eines Vorzugskonzepts aus Gestalt- und Produktionssicht zu treffen. Durch den Ansatz und dessen Implementierung konnten die hohen Gestaltungsfreiheitsgrade der IF sinnvoll reduziert und in der frühen Phase des Entwicklungsprozesses nutzbar gemacht werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Incremental Manufacturing: Model-based part design and process planning for Hybrid Manufacturing of multi-material parts. Procedia CIRP, 79, 107-112.
  Reichler, Ann-Kathrin; Gerbers, Roman; Falkenberg, Paul; Türk, Eiko; Dietrich, Franz; Vietor, Thomas & Dröder, Klaus
  
• Algorithm-Based Support for the Redesign of Product Variants. Volume 6: Design, Systems, and Complexity. American Society of Mechanical Engineers.
  Redeker, Julian; Gebhardt, Philipp & Vietor, Thomas
  
• AUTOMATED PART DECOMPOSITION FOR PRODUCT ARCHITECTURE MODELING. Proceedings of the Design Society: DESIGN Conference, 1, 2365-2374.
  Redeker, J.; Gebhardt, P.; Reichler, A.-K.; Türck, E.; Dröder, K. & Vietor, T.
  
• Combined Design and Process Planning for Incremental Manufacturing. Procedia CIRP, 93, 927-932.
  Reichler, Ann-Kathrin; Redeker, Julian; Gabriel, Felix; Falke, Fabio Kai; Vietor, Thomas & Dröder, Klaus
  
• Incremental Manufacturing: Process Planning for a Scalable Production. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 559-566. Springer International Publishing.
  Reichler, Ann-Kathrin; Schumann, Benjamin & Dröder, Klaus
  
• Structural Optimization for Segment-based Design of Part Candidates For Incremental Manufacturing. Volume 6: Design, Systems, and Complexity. American Society of Mechanical Engineers.
  Redeker, Julian & Vietor, Thomas
  
• Prozessplanung und Fertigungsstrategien zur Herstellung von Bauteilen mittels inkrementeller Fertigung“, Dissertation, 2023, ISBN: 978-3-8027-8379-1
  Brinkmann (geb. Reichler), A.