Co n ce p t To o l NEWSLETTER Update April 2015 Product Development Group Zurich Produktentwicklungsgruppe Zürich M it dem Ziel, die noch unausgeschöpften Möglickeiten der Additiven Fertigung (AM) aufzuzeigen, wurde das Fokus-Projekt ADDit Concept Tool durch die Product Development Group Zurich pd|z der ETH Zürich initiert. Unser Team besteht aus sechs Maschinenbau-, zwei Elektrotechnik- und zwei Industriedesignstudenten. In den letzten 6 Monaten haben wir uns vertieft mit den Bereichen der Produktentwicklung und der additiven Fertigung auseinandergesetzt um deren Potentiale, Einflüsse aber auch Grenzen kennenzulernen. Das Projekt bezweckt ein Gesamtsystem, eine Akku-Bohrmaschine, mit AM zu realisieren. Der Hauptfokus liegt dabei auf der Anwendung von AM. Der Akku-Schlagbohrhammer dient dabei als Anschauungsbeispiel. Insbesondere sollen mit dem Projekt Erkenntnisse über die Auswirkungen von AM auf den Produktentwicklungsprozess gewonnen werden. Die additiven Verfahren werden zu folgenden Zwecken eingesetzt: • • Rapid Prototyping mit Fused Deposition Modeling (FDM) Rapid Manufacturing mit Selective Laser Sintering (SLS) und Selective Laser Melting (SLM) Speziell soll beantwortet werden wo und wie AM sinnvoll/ gewinnbringend einsetzbar ist, wo nicht und was bei der Konstruktion für AM beachtet werden muss. „The future belongs to those, who realize the possibilities, before they are obvious.“ «Oscar Wilde» Das Concept Tool: Aktueller Stand Aufbauend auf dem Getriebe der Bosch Uneo Maxx, das direkt übernommen wird, werden im ADDit Concept Tool folgende Funktionen oder Subsysteme mit AM umgesetzt: • • • • • Tragende Struktur zur Übertragung der Kräfte und Lagerung des Getriebes (SLM, Aluminium) Kühlung des Elektromotors durch Funktionsintegration (SLM, Aluminium) Integrierte Absaugung bestehend aus Absaugefuss, Zentrifugalrad und Zyklonfilter zum staubfreien Bohren durch Funktionsintegration (SLS, PA-12) Äusseres, mehrteiliges Gehäuse mit integrierten Sensoren und Elektronikkomponenten, um senkrechtes Bohren und waagrechte Bohrlochpositionierung zu erlauben und um die Bohrlochtiefe und das Drehmoment einzustellen und anzuzeigen Mehrere gegeneinander bewegbare, teilweise in einem Stück fertigbare Bauteile, wie Schalter und Verbindungen Wichtigste Erkenntnisse Anpassungen Produktentwicklungsprozess für AM Für die Konstruktionsphase konnte mit AM eine grundsätzlich andere Herangehensweise gewählt werden: Ausgehend von einer technischen Funktion kann über eine Ideallösung die realisierbare Lösung angenähert werden. Durch Rapid Prototyping mit FDM konnten schnelle, günstige und aussagekräftige Prototypen hergestellt werden, mit denen die Funktion und Montage direkt getestet werden konnte. Auch mit SLS und SLM wurden erste Prototypen hergestellt. Diese waren zwar teurer und benötigten mehr Zeit als FDM, brachten aber genauere Geometrien mit sich und liessen vollständige Tests zu. Iterativer Produktentwicklungsprozess mit AM AM ermöglichte, dass jede Subfunktion ihre dem AM-Verfahren angepassten unabhängigen Iterationsschlaufen durchführen konnte und sich nur an die Fixpunkte der Gesamtprojektstruktur auszurichten hatte. Dies bedingte jedoch eine starke Schnittstellenüberwachung und -kommunikation, was dank einem gemeinsamen Arbeitsort gewährleistet werden konnte. Es zeigte sich, dass Veränderungen in der Entwicklungsphase vergleichsweise einfach anpassbar sind. Die Produktion von Prototypen konnte direkt aus dem CAD Modell generiert werden. Konstruktion für die Additive Fertigung Wie aus der Literatur erwartet, zeigte sich, dass AM viele Freiheiten und Möglichkeiten in der Formgebung und Konstruktion bietet und damit eine gute Basis für Innovationen schafft. ABER, es wurden schnell auch Grenzen und Einschränkungen der Verfahren deutlich. Es gibt ein paar allgemeine Konstruktionsregeln, denen sich der Konstrukteur bei SLS und vor allem bei SLM bewusst sein muss. Ebenfalls wurde ersichtlich, dass viele prozess- und maschinenspezifische Eigenschaften die Fertigung beeinflussen. Genauigkeiten, minimale Wandstärken usw. hängen offensichtlich stark von den eingestellten Parametern der Fertigungsmaschinen ab. Besonders empfehlenswert ist ein enger Kontakt zum Fertiger von Beginn an. Bei SLM konnten insbesondere folgende Punkte festgestellt werden: • Beachten von Support- und Stützmaterial und deren Entfernbarkeit • Orientierung und Platzierung des Bauteils hat sehr grossen Einfluss auf Qualität und Kosten • Um hohe Oberflächenqualitäten und kleine Toleranzen zu realisieren müssen entsprechende Regionen konventionell nachbearbeitet werden • Die Wärmeleitung und damit verbunden der Wärmeverzug während des Prozess muss beachtet werden (Bsp. Stäbe der Tragenden Struktur in Abb. 5 haben sich um ca. 2mm verzogen) • Zugänglichkeit zur Pulverentfernung nach Fertigung muss gewährleistet sein • Einspannungsmöglichkeiten und Stabilität der Konstruktion muss für die Nachbearbeitung bedacht werden. So konnten z. Bsp. die Genauigkeiten der Bohrungen für die feinen Stäbe der Tragenden Struktur nicht erreicht werden Bei SLS: • Zugänglichkeit zur Pulverentfernung nach der Fertigung muss gewährleistet sein • Nachbearbeitung ist weniger problematisch • Orientierung und Platzierung hat massgeblichen Einfluss auf die Qualität Zusammenfassend wurde deutlich, dass durch die freie Formgebung mit AM viele Funktionen- und Mechanismen in ein Bauteil und auf engstem Raum integriert werden können. Für SLS Teile kann direkt von einer technischen Funktion aus eine möglichst ideale Lösung realisiert werden ohne gross Rücksicht auf die Geometrie nehmen zu müssen. In der Konstruktionsphase sind aber die prozessbedingten Einschränkungen zu berücksichtigen. Für hohe Genauigkeiten oder Oberflächenqualitäten müssen die entsprechenden Regionen konventionell nachbearbeitet werden. Diese Nachbearbeitung muss beim Konstruieren unbedingt berücksichtigt werden. Ausblick Am 17. April beim Review 4 stellen wir den aktuellen Projektstand vor und können zum letzten Mal im grösserem Rahmen Feedback und Inputs aufnehmen. Gerne nehmen wir bei dieser Gelegengheit Ihre Inputs entgegen. Zusammen mit den Ergebnissen des anstehenden Testings soll das System noch ausgereift werden, um die Vorteile der Additiven Fertigung verbessert nach aussen tragen zu können. Mit dem öffentlichen Rollout am 27. Mai wird das Projekt einem breiten Publikum vorgestellt. Es würde uns freuen Sie am Review 4 und insbesondere am öffentlichen Rollout an der ETH Zürich begrüssen zu dürfen! Review 4: aktueller Projektstand 17. April 2015, 08:45 Uhr Präsentation, 10:45 Uhr Review Ausstellung und Feedback/Diskussion HG E 23 (Hauptgebäude der ETH Zürich) Rollout 27. Mai 2015, HG F30, ab 14:00 Uhr (Audimax im Hauptgebäude der ETH Zürich) Anschliessend, 15:30 - 18:00 Uhr, Ausstellung in Haupthalle der ETH Zürich (im HG) Wir bedanken uns herzlichst bei allen Coaches und Sponsoren des ADDit Concept Tools! Erst durch Ihre tatkräftige Unterstützung und Zusammenarbeit wird dieser Wissens- und Erkenntnisaufbau ermöglicht! Fokus-Projekt ADDit Concept Tool c/o ETH Zürich Bastian Leutenecker, Research Associate pd|z Product Development Group Zurich LEE O 208 Leonhardstrasse 21 8092 Zürich www.addit-concepttool.ch [email protected] Kontaktpersonen: Oliver Kirchhoff [email protected] Manuel Heckhorn Ghilardi [email protected]