'Untersuchungen zum Verlauf der Patentsituation bei generativen Fertigungsverfahren und Analyse der Patentansprüche bei ausgewählten Verfahren'
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Sinkende Produktlebenszeiten und eine steigende Anzahl von Produktvarianten zwingen die Hersteller, immer mehr Produkte in immer kürzer werdenden Intervallen auf den Markt zu bringen.
Wie lange die Produktentwicklung dauert, hängt nicht zuletzt davon ab, wie schnell kritische Entscheidungen in der Produktentwicklungsphase getroffen werden. Eine wichtige Entscheidungshilfe stellen Prototypen dar. Besonders in frühen Entwicklungsphasen wird jedoch auf eine Herstellung von Prototypen vielfach verzichtet, da die bisher zur Verfügung stehenden Verfahren wie die Bearbeitung mit NC-Fräs- oder Drehmaschinen sehr zeitaufwendig und teuer sind. Einen Ausweg aus dieser Situation versprechen die Systeme zur Prototypen- und Kleinserienherstellung mit generativen Fertigungsverfahren.
Was sind generative Fertigungsverfahren?
Generative Fertigungsverfahren unterscheiden sich durch den Ablauf ihres Fertigungsprozesses von den herkömmlichen Verfahren. Die Formgebung erfolgt nicht durch Materialabtrag wie bei den spanenden Fertigungsverfahren, sondern durch - in der Regel schichtweises - Hinzufügen von Material ohne besondere Formen oder Werkzeuge.
Ausgangspunkt der Entwicklung ist die Konstruktion eines 3D-Flächen- oder besser eines 3D-Volumenmodells mit Hilfe eines CAD-System. Danach werden die CAD-Daten werden durch Triangulation approximert und in der Regel in das Stereolithographie-Format (STL-Format) umgewandelt. Das heißt, die einzelnen Flächen des Objektes werden in eine Vielzahl von dreieckigen Oberflächenelementen zerlegt und in einem ASCII-Textfile oder einem Binärfile abgelegt.
Nach der Umwandlung der Daten und dem Hinzufügen evtl. notwendiger Stützkonstruktionen werden die Informationen an den sogenannten Slice-Rechner übermittelt. Dieser Rechner trennt das gesamte Objekt sowie die Stützkonstruktion horizontal in dünne Querschnitte auf. Die Dicke eines Querschnitts kann manuell vorgegeben werden oder wird vom Rechner automatisch bestimmt. Bei einigen Herstellungsprozessen ist die Schichtdicke verfahrensbedingt festgelegt (Laminated Object Manufacturing). Die Dicke der Schichten ist mit entscheidend für die Oberflächengüte des zu erzeugenden Modells.
Nachdem die vom Slice-Rechner aufbereiteten Daten an den Prozeßrechner der Maschinensteuerung übergeben worden sind, beginnt der je nach Verfahren unterschiedlich gestaltete Bauprozeß. In jedem Fall werden die einzelnen Layer jedoch so erzeugt, daß sie sich mit den darunter befindlichen Ebenen verbinden und so im Laufe der Zeit ein fester Schichtkörper entsteht. Die Herstellung selbst kann bei den meisten Verfahren ohne weiteres bedienerlos durchgeführt werden.
Nach dem Bauprozeß können sich noch nachbehandelnde Arbeitsgänge anschließen. So muß teilweise die Stützkonstruktion entfernt und das Modell von anhaftenden Materialrückständen gereinigt werden.
Die erste Maschine zur Fertigung von Teilen nach diesem neuen Verfahren war eine Stereolithographie-Anlage der Firma 3D-Systems. Sie wurde im Jahr 1987 der Öffentlichkeit vorgestellt.
Inhalt der Studienarbeit
Ein großer Teil der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der generativen Fertigungsverfahren wird an Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen durchgeführt. Eine immer größere Rolle spielt dabei eine schnelle Umsetzung der Entwicklungsarbeiten in marktfähige Produkte. Kenntnisse über Patente anderer Einrichtungen sind daher von großer Wichtigkeit, um Nach- und Doppelerfindungen zu vermeiden oder bereits laufende Aktivitäten in eine bestimmte aussichtsreichere Richtungen zu lenken.
Nach der Einarbeitung in das Patentwesen wurden an der Patentstelle in Stuttgart sowie am Deutschen Patentamt in München Patentanmeldungen, -offenlegungen und -erteilungen aller bekannten generativen Fertigungsverfahren recherchiert. Diese umfangreiche Datenbasis wurde anschließend unter verschiedenen Gesichtspunkten statistisch ausgewertet, wobei auch die Verkaufszahlen der zur Zeit am Markt erhältlichen Anlagen berücksichtigt wurden.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Patentinhalte der Verfahren des Selective Laser Sintering, Fused Deposition Modeling und 3D-Printing näher untersucht und die einzelnen Patentinhalte sowie -ansprüche dargestellt.
Links zum Thema:
Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF)
Deutsches Patent- und Markenamt
DEPATISnet: Online-Patentrecherche