Multi-dimensional Evaluation of Polymer Additive Manufacturing for Series Part Production
This book develops a new method to evaluate polymer additive manufacturing for series part production from the product design phase to the early manufacturing process development. It is centered around a new process chain simulation approach, enabling the holistic, granular and system- and application-agnostic assessment of process and product in the economic, environmental and technical dimensions along the complete process chain. The method combines six modules to systematically evaluate the manufacturing system in the mentioned dimensions using available materials and technologies as an input. First technology candidates are identified based on material and process selection charts and subsequently concatenated to technology chains. By assigning machines and applying various scaling strategies, these are transformed into process chains. Data acquisition methods are applied to these defined process chains to generate machine models for process chain simulation. This process chain simulation provides the parameters of the manufacturing system for further evaluation. Using existing methods such as material flow analysis (MFA), energy value stream analysis (EVSM), impact assessment (LCIA), and activity-based costing (ABC), these parameters are converted into relevant metrics for evaluating the process chain's performance in terms of economic efficiency, environmental impact, and technical performance. The approach supports iterative and exploratory knowledge generation and is universally applicable. A prototype application is designed and illustrated using a case study from the production of automotive series parts. This way, this work contributes to close major gaps in research and industrial practice for holistic evaluation of additive manufacturing and makes the technology more transparent for use in series part production.
In diesem Buch wird eine neue Methode zur Evaluation von polymerbasierter additiver Fertigung für die Produktion von Serienteilen vorgestellt, welche sich vom Produktdesign bis zur frühen Prozessentwicklung erstreckt. Der Ansatz basiert auf einer neuartigen Prozesskettensimulation, welche eine ganzheitliche, granulare und anwendungs- wie systemunabhängige Betrachtung von Produkt und Prozess in den Dimensionen Wirtschaftlichkeit, Umweltauswirkungen und technischer Machbarkeit entlang der gesamten Prozesskette ermöglicht. Die Methode vereint dabei sechs Module um strukturiert von verfügbaren Materialien und Technologien zu einer Bewertung des Fertigungssystems in den genannten Dimensionen zu kommen. Über eine Material- und Prozessauswahl auf Basis von Materialkarten werden erste Technologiekandidaten identifiziert und in Technologieketten überführt. Mit der Zuordnung von Maschinen und der Anwendung verschiedener Skalierungsstrategien werden diese zu Prozessketten zusammengesetzt. Auf diese definierten Prozessketten werden Methoden zur Datenakquise angewandt um Maschinenmodelle für eine Prozesskettensimulation zu generieren. Diese Prozesskettensimulation liefert die Parameter des Fertigungssystems zur weiteren Auswertung. Unter Anwendung existierender Methoden wie der Materialflussanalyse (MFA), Energiewertstromanalyse (EVSM), Wirkungsabschätzung (LCIA) sowie tätigkeitsbezogener Kostenrechnung (ABC) werden diese Parameter in die einschlägigen Kennzahlen zur Evaluation der Prozesskette in den Bereichen Wirtschaftlichkeit, Umweltauswirkung sowie technischer Leistungsfähigkeit überführt. Dabei unterstützt der Ansatz die iterative und explorative Wissensgenerierung und ist universell einsetzbar. Eine prototypische Anwendung wird konzipiert und anhand eines Fallbeispiels aus der Produktion von Automobilserienteilen anschaulich illustriert. Auf diese Weise trägt diese Arbeit maßgeblich zur Schließung von größeren Lücken innerhalb der ganzheitlichen Evaluation von additiver Fertigung für die Serienteilfertigung in der Forschung und der industriellen Anwendung bei.
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