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Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung mittels Bauteilintegration und -trennung

Reichwein, Jannik (2022):
Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung mittels Bauteilintegration und -trennung. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020822,
[Ph.D. Thesis]

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Gestaltung der Baustruktur_Dissertation_Reichwein.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung mittels Bauteilintegration und -trennung
Language: German
Abstract:

Die additive Fertigung ist eine relativ neue Fertigungstechnologie. Sie zeichnet sich durch spezifische Restriktionen und Potenziale aus und grenzt sich damit gegen andere Fertigungsverfahren ab. Die Herausforderungen in der Anwendung der additiven Fertigung liegen dabei unter anderem in fehlendem konstruktivem Wissen und den hohen Kosten der Fertigungstechnologie. Die Eigenschaften der additiven Fertigung erfordern ein fundamentales Umdenken in der Konstruktion der Bauteile, aber auch in der Gestaltung der Baustruktur. In der Literatur zur Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung wird dabei insbesondere eine Integralbauweise angestrebt. Eine Trennung von Bauteilen wird nur eingeschränkt betrachtet und die kombinierte Betrachtung von Integral- und Differenzialbauweise fehlt. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung durch Bauteilintegration und -trennung. Hieraus ergibt sich die erste Forschungsfrage: Welche Einflüsse ergeben sich aus den Potenzialen und Restriktionen der additiven Fertigung auf die Baustruktur eines Produktes im Rahmen einer Anpassungskonstruktion? Dazu werden zunächst die Potenziale und Restriktionen der additiven Fertigung analysiert und diese gezielt mit den Motiven für eine Bauteiltrennung verknüpft. Daraus lässt sich systematisch ein Einfluss der Eigenschaften der additiven Fertigung auf die Baustruktur ableiten. Eine Veränderung der Baustruktur beeinflusst die Herstellkosten, die Fertigungszeit und die Qualität der Bauteile. Diese können daher als Kriterium für die Bewertung einer Anpassung der Baustruktur herangezogen werden. Aus dem Einfluss der Eigenschaften der additiven Fertigung auf die Baustruktur lässt sich darüber hinaus ein methodisches Vorgehen zur Gestaltung der Baustruktur mittels Bauteilintegration und -trennung ableiten. Der Ansatz zur Gestaltung der Baustruktur sieht dabei zunächst eine Integration von Bauteilen durch die Nutzung der Potenziale der additiven Fertigung vor. Dies führt zu der zweiten Forschungsfrage: Wie kann die Auswahl von Bauteilen für eine Bauteilintegration unterstützt werden? Anhand der Literatur werden die für eine Bauteilintegration relevanten Informationen identifiziert und diese in einem Modell dargestellt. Dies ermöglicht die systematische Auswahl von Bauteilen für eine Bauteilintegration. Die Restriktionen werden hierbei bewusst nicht berücksichtigt, um einen möglichst hohen Grad der Bauteilintegration zu erreichen. Dies erweitert den Gestaltungsspielraum für die anschließende Bauteiltrennung. Die Bauteiltrennung greift dann gezielt die Restriktionen der additiven Fertigung auf und stellt abschließend die Fertigbarkeit der Bauteile sicher. Darüber hinaus können die Menge an Stützkonstruktionen, die Prozesszeit und damit die Herstellkosten durch die Bauteiltrennung beeinflusst werden. Hieraus ergibt sich die dritte und abschließende Forschungsfrage: Welchen Einfluss hat eine Bauteiltrennung auf die Kriterien Herstellkosten, Qualität und Fertigungszeit eines Bauteils und wo sollten Bauteile getrennt werden, um diese Kriterien zu optimieren? Zur Optimierung der Baustruktur hinsichtlich dieser Kriterien wird ein automatisiertes Programm entwickelt, welches eine Bauteiltrennung und -beurteilung verschiedener Varianten ermöglicht. Die Beantwortung dieser Forschungsfragen wird durch eine logische Verifikation gezeigt. Die entwickelte Methode zur Gestaltung der Baustruktur für die additive Fertigung wird anhand von zwei Evaluationsbeispielen initial validiert. Um einen Einfluss der Methode auf die beschriebenen Herausforderungen zu zeigen, wird eine Nutzerstudie durchgeführt und abschließend die Herstellkosten der erarbeiteten Lösungen mit den Ausgangskonstruktionen verglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen damit eine fertigungsgerechte Gestaltung der Baustruktur durch Bauteilintegration und -trennung im Rahmen einer Anpassungskonstruktion.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Additive manufacturing is a relatively new manufacturing technology. It is characterized by specific restrictions and potentials and thus sets itself apart from other manufacturing processes. The challenges in the application of additive manufacturing therefore are the lack of design knowledge and the high costs of the manufacturing technology. The properties of additive manufacturing require a change in thinking during the design of the components, but also in the design of the product structure. In the literature on the design of the product structure for additive manufacturing, an integral construction is aimed at in particular. A separation of components is only considered to a limited extent and the combined consideration of integral and differential design is missing. The aim of this work is therefore the design of the product structure for additive manufacturing by component integration and separation. This leads to the first research question: What influences do the potentials and restrictions of additive manufacturing have on the product structure of a product in the context of an adaptive design? For this purpose, the potentials and restrictions of additive manufacturing are first analyzed and then linked to the motives for component separation. From this, an influence of the properties of additive manufacturing on the product structure can be systematically derived. A change in the build structure influences the manufacturing costs, the production time and the quality of the components. These can therefore be used as criteria for evaluating an adaptation of the product structure. The influence of the properties of additive manufacturing on the product structure can also be used to derive a methodical procedure for designing the product structure by means of component integration and separation. The approach to designing the product structure initially involves integrating components by exploiting the potential of additive manufacturing. This leads to the second research question: How can the selection of components for component integration be supported? Based on the literature, the relevant information for component integration is identified and presented in a model. This enables the systematic selection of components for a component integration. Restrictions are deliberately not taken into account in order to achieve the highest possible degree of component integration. This extends the design space for the subsequent component separation. The component separation then specifically addresses the restrictions of additive manufacturing and finally ensures the manufacturability of the parts. In addition, the amount of support structures, the process time and thus the manufacturing costs can be influenced by the component separation. This leads to the third and final research question: What influence does component separation have on the criteria of manufacturing costs, quality and manufacturing time of a component and where should components be separated in order to optimize these criteria? In order to optimize the product structure with regard to these criteria, an automated procedure is developed and implemented as a software, which allows component separation and evaluation of different variants. The answer to these research questions is shown by means of a logical verification. The developed method for the design of the product structure for additive manufacturing is initially validated by means of two evaluation examples. In order to show an influence of the method on the described challenges, a user study is conducted and finally the manufacturing costs of the developed solutions are compared to the initial designs. The results of this work thus enable a manufacturing-oriented design of the product structure through component integration and separation in the context of an adaptation design.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 143, XLVI Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd)
Date Deposited: 29 Mar 2022 12:07
Last Modified: 29 Mar 2022 12:08
DOI: 10.26083/tuprints-00020822
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-208229
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard ; Paetzold, Prof. Dr. Kristin
Date of oral examination: 9 February 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20822
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