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Grundlagen

  1. Prof.-Dr.-Ing Andreas Gebhardt Fh-Aachen

Zusammenfassung

Diese Zusammenstellung gibt einen kurzen Überblick über die Generativen Fertigungsverfahren Für eine Vertiefung des Stoffes empfiehlt sich insbesondere das Fachbuch: Gebhardt, Andreas Generative Fertigungsverfahren. Rapid Prototyping – Rapid Tooling – Rapid Manufacturing 3. völlig überarbeitete Auflage, Hanser Verlag, München, Wien, 2007. oder in Kurzform, aktualisiert und in englisch: Gebhardt, A.: Understanding Additive Manufacturing. Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Rapid Manufacturing. ISBN 978-3-446-42552-1. 170 pages, Hanser Publications LLC, Cincinnati, OH, USA and Hanser München, Wien, 2012 Die Technologie entwickelt sich rasch. Deshalb wurden hier nur langfristig gültige Grundlagen zusammengetragen. Die aktuellen Informationen sind vorzugsweise direkt von den Internetseiten der Hersteller abzurufen, siehe Anhang: "Weitere Informationen"

Keywords

1. Vorwort

Diese Zusammenstellung gibt einen kurzen Überblick über die Generativen Fertigungsverfahren

Für eine Vertiefung des Stoffes empfiehlt sich insbesondere das Fachbuch:

Gebhardt, Andreas
Generative Fertigungsverfahren.
Rapid Prototyping – Rapid Tooling – Rapid Manufacturing
3. völlig überarbeitete Auflage, Hanser Verlag, München, Wien, 2007.

oder in Kurzform, aktualisiert und in englisch:

Gebhardt, A.:
Understanding Additive Manufacturing. Rapid Prototyping - Rapid Tooling -
Rapid Manufacturing. ISBN 978-3-446-42552-1. 170 pages,
Hanser Publications LLC, Cincinnati, OH, USA and Hanser München, Wien, 2012

Die Technologie entwickelt sich rasch. Deshalb wurden hier nur langfristig gültige Grundlagen zusammengetragen. Die aktuellen Informationen sind vorzugsweise direkt von den Internetseiten der Hersteller abzurufen, siehe Anhang: "Weitere Informationen"

2. Einleitung

Die Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland bekannt. Sie haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung entwickelt und werden zukünftig die individuelle Massenfertigung ermöglichen. Sie sind seit 2010 als „Additive Manufacturing, AM“ in Deutschland (VDI3404) und in den USA (ASTM/ASME F2792-09e1) genormt.

Viele Jahre beherrschten drei industriell anwendbare Rapid Prototyping Verfahren (Stereolithographie (SL), (Selektives) Laser Sintern ((S)LS) und Fused Deposition Manufacturing (FDM) die Szene, wobei bis etwa 1995 sowohl bezüglich der Verkaufszahlen als bezüglich ihres Bekanntheitsgrades die Laserstereolithographie den Ton angab. In den folgenden Jahren haben Extrusions- und 3D-Printing-Verfahren aufgeholt. Bis heute wurden die Genauigkeiten verbessert und die Materialpalette deutlich erweitert. Aktuell (2012) weisen die Verfahren Lasersintern (Kunststoff, Metall, Keramik), Stereolithographie und Extrusion (FDM) die größten Marktanteile auf.

Im folgenden werden die den industriellen Anforderungen entsprechenden etablierten Rapid Prototyping Verfahren betrachtet, die Vor- und Nachteile der heutigen Generativen Verfahren herausgearbeitet und die Anwendungspotenziale untersucht.

3. Grundlagen der Generativen Fertigungsverfahren - Schichtbauverfahren

Bei Generativen oder Schichtbau-Verfahren erfolgt die Formgebung nicht wie beim Drehen oder Fräsen durch Abtragen, sondern das Bauteil entsteht durch Aneinanderfügen von Volumenelementen, in aller Regel von Schichten. Die Verfahren sind auch als „Generative Fertigungsverfahren“ oder unter dem ursprünglichen Begriff „Rapid Prototyping“ bekannt. Als Oberbegriff setzt sich immer mehr die genormte Bezeichnung AM (Additive Manufacturing) durch.

Abbildung 1: Prinzip der Schichtbauverfahren oder des Additive Manufacturings

Voraussetzung für den Schichtbauprozess ist ein vollständiges 3D-CAD-Volumenmodell. Dieses virtuelle Modell ermöglicht es dem Konstrukteur, das Bauteil bezüglich aller seiner Eigenschaften zu betrachten, es zu drehen, zu wenden, einzufärben und anderweitig zu manipulieren. Es ermöglicht aber nicht das Anfassen, Belasten, den Ein- und Ausbauversuch oder sonstige physikalische Tests. 3D Daten können auch durch Messungen, z.B. mit Scannern ermittelt werden.

Um mit den Methoden des Additive Manfacturing aus diesem virtuellen Computermodell ein reales physikalisches Modell zu erzeugen, wird das Computermodell mathematisch in viele gleich dicke (etwa 0,1 mm) Schichten zerschnitten (ge-sliced). Die Konturinformationen werden einer „Fabrikator“ (kurz „Fabber“; auch: „Prototyper“) genannten Generativen Fertigungsanlage zugeführt. Diese generiert mit Hilfe der Konturdaten jeweils eine Scheibe des Bauteils inklusive der exakten äußeren und inneren Berandung und fügt diese an die bereits schon vorher gefertigten Scheiben so an, dass Schicht für Schicht (von unten nach oben) ein dreidimensionales Bauteil entsteht.

Die einfachste Methode besteht darin, die einzelnen Konturen aus Papier gleicher Stärke auszuschneiden und aufeinander zu kleben (Laminat Verfahren oder Layer Laminate Manufacturing). Industriell ist sie als Laminated Object Manufacturing (LOM) bekannt.

Die einzelnen Generativen oder Rapid Prototyping Verfahren unterscheiden sich in der Art der Schichtgenerierung, in dem Material, aus dem das Bauteil gefertigt wird, in der Art der Verbindung mehrerer Schichten untereinander und darin, wie komfortabel der gesamte Prozess per CAD und Steuerrechner bedient werden kann.

4. Industrielle Rapid Prototyping Verfahren

Alle heute industriell verfügbaren AM Verfahren können fünf Verfahrensfamilien zugeordnet werden:

Polymerisationsverfahren - Stereolithographie

Stereolithography

(SL)

(Laser-)Schmelz- und Sinterverfahren

Laser Melting, Laser Sintering

(SLM, SLS)

Schicht Laminat Verfahren

Layer Laminate Manufacturing

(LLM)  [a]

Extrusions Verfahren

Fused Layer Modeling

(FLM) 1

3D-Printing

Three Dimensional Printing

(3DP)

[a] Das „M“ in der Abkürzung steht je nach Autor entweder für „Modeling“ oder für „Manufacturing“.

4.1. Polymerisationsverfahren - Stereolithographie (SL)

Die selektive Polymerisation im Gewand der Laser-Stereolithographie ist das älteste Verfahren und das Verfahren mit der höchsten Detaillierung, den besten Oberflächen und der höchsten Genauigkeit. Die Modelle entstehen durch lokale Verfestigung eines flüssigen Monomers mittels eines ultravioletten Laserstrahls (Photopolymerisation). Die Kontur des zu generierenden Bauteils wird durch eine Laser-Scanner-Einheit auf die Oberfläche eines Harzbades gezeichnet. Dort, wo der Laserstrahl auftrifft,

Abbildung 2: Stereolithographie – Prinzip

Abbildung 3 (links): Stereolithographie – Bauteil mit Stützen auf der Bauplattform;.Quelle: CP
Abbildung 4 (rechts): Stereolithographiemaschine; Quelle: 3D-Systems

polymerisiert, also verfestigt sich das Harz. Nach der Verfestigung einer Schicht wird diese mit Hilfe einer Plattform in z-Richtung um eine Schichtdicke verfahren, eine neue Harzschicht aufgetragen und diese wie oben beschrieben polymerisiert. Auf diese Weise entsteht das Bauteil von unten nach oben. Das Bauteil wird in der Maschine zu ca. 95% polymerisiert und muss deshalb außerhalb der Maschine nachvernetzt und anschließend mit Lösungsmitteln gereinigt werden. Das Verfahren benötigt Stützen (Abbildung 3), die vor dem Bau (automatisch) angefügt und nach dem Bau manuell entfernt werden müssen.

Seit ca. 2002 haben sich auch Polymer-Printverfahren (Fa. Objet) etabliert. Das Monomer wird hierbei (simultan zum benötigten Stützmaterial) mittels Multi-Düsen-Druckköpfen auf die Bauebene aufgespritzt oder gedruckt (Polymer-Jetting) und mittels einer mitlaufenden Hochleistungslampe (UV) unmittelbar verfestigt. Vorteile sind eine geringe Schichtdicke und die Möglichkeit mehrere Materialien, auch in einem Prozess, zu verarbeiten.

4.2. Schmelz- und Sinterverfahren - Lasersintern (SLS)

Beim Lasersintern werden in einem Pulverbett angeordnete, typischerweise 20-50 µm große Partikel

Abbildung 5: Lasersintern – Prinzip

(aus Kunststoff, Metall oder Keramik) durch einen Laserstrahl lokal aufgeschmolzen und bilden nach dem Abkühlen eine feste Schicht.

Nach der Generierung jeder Schicht wird das Pulverbett um eine Schichtdicke abgesenkt und aus einem Vorratsbehälter eine neue Schicht Material aufgetragen. Danach wird mit Hilfe des Lasers die Geometrie der folgenden Schicht generiert. Das Verfahren arbeitet ohne Stützen, weil das Pulver das teilfertige Bauteil stützt. Das Bauteil muss nach dem Bauprozess von lose anhaftendem Pulver befreit werden.

Die (Kunststoff-) Bauteile weisen geringere Details und eine größere Rauhigkeit als Stereolithographiebauteile auf, sind aber stabiler und damit höher belastbar. Das Verfahren ist auch die Grundlage für das verwandte „Selective Laser Melting, SLM“ zur Verarbeitung von Metallen. Durch das vollständige lokale Aufschmelzen entstehen dichte Bauteiles aus Bau-, Edel- und Werkzeugstählen, CoCr, Hasteloy und Edelmetallen.

Abbildung 6 (links): Lasersintern – Bauteil; Quelle: CP
Abbildung 7 (rechts): Lasersintern – Kunststoffmaschine; Quelle: 3D-Systems

4.3. Schicht- Laminat Verfahren (LLM)

Beim Layer Laminate Manufacturing werden die Schichtkonturen mittels eines Lasers oder eines Schneidplotters aus Papier ausgeschnitten und automatisch aufeinander geklebt.


Abbildung 8: Layer Laminate Manufacturing – Prinzip

Abbildung 9 (links): Layer Laminate Manufacturing – Manufacturing – Bauteil (Kira). Quelle: CP
Abbildung 10 (rechts): Layer Laminate Maschine. Quelle: Kira

Das bekannteste Verfahren ist das LOM (Laminated Object Manufacturing). Es wird ein einseitig mit thermisch aktivierbarem Klebstoff beschichtetes Papier in Rollenform eingesetzt. Das Papier wird über eine Bauplattform abgerollt und nicht benötigtes Papier auf der Gegenseite wieder aufgerollt. Mit Hilfe einer beheizten Rolle wird das Papier auf die Bauplattform bzw. auf das schon teilfertige Modell aufgeklebt. Die Kontur wird mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeschnitten. Um das gesamte Modell wird ein Rahmen ausgeschnitten, so dass das nicht zum Modell gehörige Papier abgehoben und aufgerollt werden kann. Nicht zum Modell gehörige, innerhalb des Rahmens liegende Teile werden in Karos geschnitten, damit sie später leichter zu entformen sind. Nach der Fertigstellung wird der gesamte durch den Rahmen begrenzte Klotz mit dem darin liegenden Modell aus der Maschine herausgenommen und die nicht zum Modell gehörigen Teile abgelöst. Alternativ haben sich mit Schneidplottern arbeitenden Verfahren entwickelt. Ein Beispiel ist das Bauteil (Abbildung 9) und die Maschine Katana(Abbildung 10) der Firma Kira.

4.4. Extrusions-Verfahren – Fused Layer Modeling (FLM)

Fused Layer Modeling (FLM) oder Extrusionsverfahren erzeugen Modelle durch lokales Anschmelzen und anschließendes Extrudieren thermoplastischer Materialien.

Am bekanntesten ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei den Extrusionsverfahren wird ein meist in Drahtform vorliegendes thermoplastisches Material in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und durch diese auf das Bauteil extrudiert. Die Verfestigung und damit die Schichtbildung erfolgt durch Wärmeleitung beim Kontakt mit dem teilfertigen Modell. Das Verfahren ist grundsätzlich 3D-fähig. Neben reinen Rapid Prototyping Materialien sind auch Serienkunststoffe wie ABS mit näherungsweise serienidentischen Eigenschaften zu verarbeiten.

Abbildung 11: Fused Layer Modeling – Prinzip

Abbildung 12 (links): Fused Layer Modeling FDM Bauteil ;Quelle:Stratasys
Abbildung 13 (rechts): Fused Layer Modeling, FDM Maschine Dimension; Quelle: Dimension –Stratasys

Neben dem eigentlichen Extrusionsverfahren werden auch Ballistic Particle Verfahren, bei denen teilgeschmolzene kugelförmige Partikel auf das Modell „aufgeschossen“ werden, zu den Extrusionsverfahren gezählt. Sie spielen heute aber industriell keine Rolle.

4.5. 3D-Printing (3DP)

Hinter dem 3D-Printing-Verfahren verbirgt sich ein vom Massachusetts Institute of Technology patentiertes und lizenziertes Pulver-Binder-Verfahren. Durch entsprechende Wahl der Pulver-Binder-Kombination lassen sich grundsätzlich eine Vielzahl von Werkstoffen, so zum Beispiel neben Kunststoffen auch Keramiken oder Metalle, Food und Medikamente verarbeiten.

Die Maschinen der Z-Corporation verwenden Stärke- oder Gips-Keramik-Pulver, die mit Hilfe von wasserbasiertem Binder örtlich verfestigt werden. Zum Einspritzen des Binders wird ein handelsüblicher Ink-Jet-Druckerkopf verwendet.

Die Maschine besteht ähnlich wie eine Sintermaschine aus zwei in einer Ebene angeordneten Kammern mit verschiebbaren Böden. Der eine Raum dient als Vorratszylinder. Sein Boden wird angehoben und die so bereitgestellte Pulvermenge mittels einer Walze über den um eine Schichtdicke abgesenkten Boden des zweiten Raumes des Bauraumes verteilt. Ein über dem Bauraum angeordneter handelsüblicher Druckkopf sprüht eine gefärbte Binderflüssigkeit entsprechend der Kontur der zu bauenden Schicht in die Oberfläche des Pulvers.

Dort, wo der Binder mit Wasser in Berührung kommt, verklumpt das Modell, während die darum liegende Pulverschicht unverbunden bleibt und als Stützmaterial dient. Nach der Generierung einer Schicht wird der Boden des Bauraums um eine Schichtstärke abgesenkt und der des Vorratsraums entsprechend angehoben und der Prozess beginnt von neuem. Das fertige Modell wird mit Hilfe des verschiebbaren Bodens aus dem Bauraum herausgefahren und durch einen Staubsauger von losem Pulver befreit. Das entstandene Modell ist sehr zerbrechlich und muss mit Wachs oder Epoxydharz infiltriert werden. Insbesondere nach der Infiltrierung mit Epoxydharz ist das Modell sehr widerstandsfähig. Es kann spanend bearbeitet sowie gefüllert, geschliffen und lackiert werden. Ob eine solche Bearbeitung für ein relativ grobes Konzeptmodell sinnvoll ist, muss hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab.

Abbildung 14 (links): 3D-Printing – Bauteil
Abbildung 15 (rechts): 3D-Printing – Maschine; Quelle: Z-Corporation

Die Maschine ist sehr schnell (Baufortschritt „einfarbig“ größer 50 mm pro Stunde bezogen auf die Bauteilhöhe) und in der Anschaffung und vor allen Dingen im Betrieb sehr preiswert. Die Oberflächengenauigkeiten sind relativ schlecht, reichen aber für Konzeptmodelle aus.

5. Zusammenfassung der Eigenschaften der Generativen oder Additiven Fertigungsverfahren

Verfahren

Kurzbeschreibung

Materialien

Vorteile

Nachteile

Polymerisation

Lokale Verfestigung flüssiger Monomere durch Laserstrahlung (Photopolimerisation) oder direktes Verdrucken (Polymer Jetting)

Acrylate, Epoxidharze (gefüllt und ungefüllt)

Gute Oberflächen und Details

Eingeschränkte thermische und mechanische Eigenschaften. Stützen notwendig

Sintern

Lokales Aufschmelzen von Partikeln. Erstarrung durch Wärmeleitung

Thermoplaste, Metalle und Keramiken

Gute thermische und mechanische Eigenschaften

Rauhere Oberflächen als Stereolithographie

Extrusion

Lokales Erwärmen und Auftragen teigiger Thermoplaste. Erstarrung durch Wärmeleitung

Thermoplaste

Gute thermische und mechanische Eigenschaften.

Extrusionsstruktur sichtbar und bau-richtungsabhängig. Anisotropie

3D-Printing

Verfestigung von Partikeln durch lokales Verkleben mittels Binderfluid. Infiltration notwendig

Stärke-Wasser Gips-Keramik

Schnell und preiswert

Infiltration notwendig. Kein Konstruktionswerkstoff

Schicht-Laminat Verfahren

Ausschneiden von Konturen aus Folien und schichtweises Verkleben

Papier, Metalle Keramiken

Preiswerte Werkstoffe, wirtschaftlich bei massiven Bauteilen

Deutliche Anisotropie. Kein Konstruktionswerkstoff

6. Abformverfahren und Folgeprozesse

Rapid Prototyping Verfahren erzeugen in aller Regel einen Prototypen aus prozeßspezifischem Material. Im Rahmen der konstruktiven Optimierung von Bauteilen werden aber meistens mehrere Prototypen aus seriennahem oder serienidentischem Material benötigt. Der Weg zur Kleinserie wird mit folgenden Methoden beschritten:

6.1. Vakuumgießen

Abbildung 16 (links): Vakuumgießen, Silkonform mit Urmodell; Quelle: CP
Abbildung 17 (rechst): Vakuumgießen, abgeformte Baueile (PU); Quelle: CP

Beim Vakuumgießen wird das Rapid Prototyping Urmuster in Silikon eingeformt. Aus der so entstehenden Form können je nach Geometrie ca. 15 geometrisch identische Prototypen aus einer Vielzahl vergiessbarer PU-Harze gefertigt werden. Die Anzahl der Prototypen wird lediglich durch wirtschaftliche Überlegungen (Zykluszeit, Anzahle der Formen, Anzahl der Urmodelle) limitiert.

Daneben werden weltweit eine Vielzahl von Prozessen angeboten, die meistens auf Kunststoff-Metall-Komposit-Gießwerkstoffen basieren und häufig mehrstufige Wärmebehandlungs- und Infiltrationsprozesse verlangen.

7. Anhang

7.1. Literatur

Gebhardt, Andreas.: Understanding Additive Manufacturing. Rapid Prototyping - Rapid Tooling -

Rapid Manufacturing. ISBN 978-3-446-42552-1. 170 pages,

Hanser Publications LLC, Cincinnati, OH, USA and Hanser München, Wien, 2012

Gebhardt, Andreas Generative Fertigungsverfahren

Rapid Prototyping – Rapid Tooling – Rapid Manufacturing

3. völlig überarbeitete Auflage, Hanser Verlag, München, Wien, 2007.

Gebhardt, Andreas Rapid Prototyping - Einsatzkriterien der Verfahren für die industrielle Praxis.

In: Konstruieren mit Kunststoffen., Sonderpublikation der Zeitschrift Ingenieurwerkstoffe, 4. Auflage, Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf, 2006

7.2. Weitere Informationen

Online Zeitschrift für Rapid Technologien:

www.rtejournal.de

Kunststoff-TV: Rapid Prototyping

http://www.kunststoffe.tv/de/showfilm.cfm?id=75

Informationen für Studierende:

http://www.fh-aachen.de/GEBHARDT.html

RapidTech, Anwendertagung und Fachausstellung für Rapid-Technologie,

www.rapidtech.de

7.3. Weblinks

3D Systems

Sinter- und Stereolithographieanlagen

www.3dsystems.com

CP

Prototypen aus Kunststoff und Metall

www.cp-gmbh.de

EOS

Sinteranlagen für Kunststoff, Metall und Sand

www.EOS.info

Objet Geometries

Polymerprinting Anlagen

www.2objet.com

Stratasys

Extrusionsanlagen für Kunststoffe

www. intl.stratasys.com

Z-Corporation

3D Printing Anlagen

www.zcorp.com

7.4. Kontakt

Andreas Gebhardt gebhardt@fh-aachen.de

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