Dimensional Tolerances for Additive Manufacturing

Additive Fertigungsverfahren sind bedeutende Zukunftstechnologien. Sie bieten große Potentiale wie zum Beispiel reduzierte Produktions- und Prozesskosten, kürzere Produktionszeiten oder die nachfrageorientierte Produktion von Bau- und Ersatzteilen.

Additive Fertigungsverfahren erzeugen Bauteile und Baugruppen aus Metall- und Kunststoffwerkstoffen schichtweise und ohne formgebende Werkzeuge, wodurch diese Fertigungsverfahren große gestalterischen Freiheiten bieten. Additiv gefertigte Bauteile können beispielsweise mit Hinterschneidungen oder komplexen internen Strukturen gestaltet und hergestellt werden. Die gestalterischen Freiheiten können einen großen Nutzen für Anwender der additiven Fertigung schaffen. Um diesen Nutzen generieren zu können, ist es erforderlich die fertigungstechnischen Grenzen der Verfahren zu kennen und zu berücksichtigen. Dieses gilt insbesondere für die geometrische Genauigkeit der Bauteile, da diese hohen Qualitätsansprüchen genügen müssen.

Die Gestaltung additiv zu fertigender Bauteile erfolgt rechnergestützt. Dabei wird das Bauteil mit seiner Nenngestalt erzeugt, die der theoretisch idealen Bauteilgestalt entspricht. Die materielle Fertigung technischer Bauteile führt stets zu geometrischen Abweichungen von der Nenngestalt. So können beispielsweise Maß-, Form- und Lageabweichungen resultieren, die bei der Kombination von Bauteilen die Funktionserfüllung verhindern können. Das Zusammenwirken der einzelnen geometrischen Abweichungen entscheidet über die Funktion der technischen Baugruppe. Aus diesem Grund ist es essentiell, dass die geometrischen Bauteilgestalten ihren Anforderungen genügen. Da geometrische Abweichungen bei technischen Bauteilen unvermeidlich sind, müssen Grenzen definiert werden. Dies geschieht über die Angabe von Toleranzen, die bei der Fertigung eingehalten werden sollen.

Für die additive Fertigung ist bis dato allerdings nicht bekannt, wie groß diese Toleranzen sein können und müssen. Verlässliche und umfassende Angaben zu Toleranzen für Additive Fertigungsverfahren sind weder in der Literatur noch in geltenden Normen benannt. In Anwenderkreisen werden zwar vermehrt Toleranzangaben aufgeführt, diese stammen jedoch zumeist aus individuellem Erfahrungswissen und sind nicht empirisch begründet. Weiterhin sind die oftmals gebräuchlichen Toleranzangaben nicht oder nur sehr begrenzt übertragbar, da sie von einer Vielzahl von Einflussfaktoren abhängig sind. Neben den Toleranzen sind ebenfalls die Ursachen für das Entstehen von Gestaltabweichungen bei additiv gefertigten Bauteilen nicht bekannt.

Im Rahmen dieses Projektes werden Maßtoleranzen für additive Fertigungsverfahren systematisch ermittelt, deren Angabe bei einer werkstattüblichen Anwendung der Verfahren sinnvoll ist. Eine werkstattübliche Anwendung der Verfahren beschreibt die Nutzung von häufig verwendeten und unveränderten Standardparametersätzen, Materialien und Maschineneinstellungen. Weiterführend wird untersucht, wie Maßabweichungen und dadurch die abgeleiteten Maßtoleranzen minimiert werden können. Hierzu werden relevante Prozessparameter und Fertigungseinflüsse identifiziert und optimiert.