Methodik zur branchen- und anwendungszentrierten Konzeptionierung von Laser Powder Bed Fusion Maschinen

Ziegler, Stephan; Witt, Gerd; Schleifenbaum, Johannes Henrich

doi:10.18154/RWTH-2023-00166

Methodik zur branchen- und anwendungszentrierten Konzeptionierung von Laser Powder Bed Fusion Maschinen = Methodology for industry and application-centric conceptional design of laser powder bed fusion machines

Ziegler, Stephan^RWTH*

2022 & 2023

VerantwortlichkeitsangabeStephan Ziegler

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-126-2

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schleifenbaum, Johannes Henrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Witt, Gerd (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00166
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/861680/files/851680.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion (421510)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laser Powder Bed Fusion (frei) ; additive manufacturing (frei) ; indicator-based decision-making (frei) ; methodology (frei) ; product design (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Moderne und innovative Fertigungstechnologien, wie das Additive Manufacturing (AM), spielen eine wichtige Rolle bei der Produktion nachhaltiger kundenindividueller kostenoptimaler Produkte. Diese Fertigungstechnologien versprechen eine ressourcenschonende, werkzeuglose Herstellung von nahezu beliebig komplexen Produkten mit einem hohen Maß an Flexibilität hinsichtlich Größe, Stückzahl und Material für vielfältige Anwendungen. Hierbei hat das laser- und pulverbettbasierte Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) zur Herstellung metallischer Funktionsbauteile eine zentrale Bedeutung. Bedingt durch die zunehmende Industrialisierung des LPBF in den letzten Jahren, wird der Bedarf einer Integration in ein bestehendes, auf konventionellen Fertigungstechnologien basierendes Produktionsumfeld für eine wirtschaftliche Fertigung größer. Dadurch bedingt ändern sich die Anforderungen an LPBF-Produktionsmaschinen verstärkt und der Druck auf die Maschinenhersteller zur Erfüllung dieser Anforderungen durch eine passende, unternehmerisch sinnvolle Maschinentechnik steigt zunehmend. Zur vollen Ausschöpfung der wirtschaftlichen und technologischen Potenziale von LPBF sowie zu dessen Etablierung in der Produktion müssen bereits bei der Konzeptionierung von neuen LPBF-Produktionsmaschinen Anforderungen von den herzustellenden Produktprogrammen, aber auch von den diese Maschinen nutzenden Anwendern und Branchen berücksichtigt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist somit die Entwicklung und Validierung einer praxisnahen Methodik zur systematischen Ermittlung von Anforderungen zur Konzeptionierung von branchen- und anwendungsspezifischen LPBF Produktionsmaschinen unter Berücksichtigung produktionstechnischer und wirtschaftlicher Kenngrößen aus Sicht des Maschinenbetreibers. Der Fokus liegt hierbei auf der frühen Phase der Produktentwicklung (insbesondere Produktplanung, Aufgabenklärung und Konzipierung), um inkonsistente Entwicklungspfade schnell evaluieren sowie redundante oder konträre Aktivitäten vermeiden zu können. Die Methodik soll damit einen Beitrag zur Aufwandsreduzierung und eine damit einhergehende Verkürzung der Time-to-Market bei den Maschinenherstellern erlauben. Neben klassischen Kundenanforderungen werden ebenfalls produktionstechnische (z. B. Produktionsleistung) und wirtschaftliche (z. B. Volumenkosten) Kenngrößen basierend auf dem Produktprogramm des Maschinenbetreibers zur gezielten Entwicklung der Maschinentechnik verwendet. Die entwickelte Methodik dient dabei den Anwendern einerseits zur Vereinfachung der Entscheidungsfindung bei der Erfassung und Auswahl der relevanten Kundenanforderungen und der Abgrenzung zu Wettbewerberprodukten. Anderseits kann der Anwender geeignete Maschinentechnik für die jeweilige Branche bzw. Anwendung auswählen, womit ein Beitrag zur produktionstechnischen Positionierung des Kunden geleistet wird.

Modern and innovative manufacturing technologies, such as Additive Manufacturing (AM), play an important role in the production of sustainable, customized, cost-optimized products. These manufacturing technologies promise resource-saving, tool-free production of almost any complex product with a high degree of flexibility in terms of size, quantity and material for a wide range of applications. The laser- and powder bed-based Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process for the production of metallic functional components is of particular importance in this context. Due to the increasing industrialization of LPBF in recent years, the need for integration into an existing production environment based on conventional manufacturing technologies is increasing for economical production. As a result, the requirements for LPBF production machines are changing more and more, and the pressure on machine manufacturers to meet these requirements with suitable, economically reasonable machine technology is increasing. In order to fully exploit the economic and technological potential of LPBF and to establish it in production, the requirements of the product programs to be manufactured, as well as of the users and industries using these machines, must already be considered in the conception of new LPBF production machines. The aim of this thesis is therefore the development and validation of a application-oriented methodology for the systematic determination of requirements for the conception of industry- and application-specific LPBF production machines, taking into account production and economic indicators from the view of the machine operator. The focus is on the early phase of product development (in particular product planning, task clarification and conceptual design) in order to quickly evaluate inconsistent development paths and avoid redundant or contradictory activities. The methodology is thus intended to contribute to a reduction in effort and a concomitant shortening of the time-to-market for machine manufacturers. In addition to classic customer requirements, production (e.g. production efficiency) and economic (e.g. volume costs) indicators based on the product programs of the machine operator are also used for the focused development of the machine technology. The developed methodology serves the user on the one hand to simplify the decision-making process in the collection and selection of relevant customer requirements and differentiation from competitor products. On the other hand, the user can select suitable machine technology for the respective industry or application, thus contributing to the positioning of the customer in terms of production technology.

OpenAccess:
PDF
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