Fette

Additive Fertigungsverfahren sind generative, i.d.R. werkzeuglose Fertigungsverfahren die nach dem n+1 Prinzip arbeiten, das heißt es werden einzelne Schichten gefertigt und neue werden darüber gefertigt.

• Generierung der Geometrie aus CAD-Dateien

• keine produktspezifischen Werkzeuge

• Erzeugung der Materialeigenschaften während der Fertigung

• beliebige Orientierung der Bauteile

• leicht skalierbar

• Steuerung der Maschinen mit einheitlichem Datensatz

• pulverförmig

• flüssig

• fest

Beim “Rapid Prototyping” werden schnell und einfach, Modelle auf Basis von 3D-Modellen erstellt. Die Modelle können einen unterschiedlichen Demonstrationszweck (Form, Funktion, Konzept) besitzen.

Mittels additiver Fertigung entfällt die Notwendigkeit eine konventionelle Fertigungsstraße für das Modell zu rüsten.

• Konzeptmodell

• Geometrieprototyp

• Funktionsprototyp

Rapid Tooling ist das Herstellen von Werkzeugen, Werkzeugeinsätzen, Lehren und Formen mittels AF. Es zeichnet sich durch die Möglichkeit von Funktionsintegration aus.

Es gibt direkte Verfahren: Herstellung von Werkzeugnegativen

Indirekte Verfahren: Herstellung von Urmodellen

• schnelle Entwicklung

• hohe Flexibilität, Designfreiheit, Kosteneffizienz

• Funktionsintegration

• Bauteiloptimierung

Die direkte Herstellung von (End-)Produkten in additiven Fertigungsverfahren

n+1 Prinzip: Fügen von Schichten gleicher Dicke, dieses erzeugt die dritte Dimension

Formgebung in x-y-Ebene

Treppenstufeneffekt

Als Treppenstufeneffekt wird der Effekt bezeichnet welcher durch die kleinen Abstände beim schichtweisen Aufbau entsteht. Er kann durch höhere Auflösungen, das heißt kleinere Schichtdicken, vermindert werden aber nicht eliminiert werden.

Der Datensatz der additiven Fertigung umfasst zwei Teile: die CAD Datei als technische Zeichnung und das tessellierte Volumenmodel der CAD Datei als .STL (Standard Tesselation Language/ Standard Triangle Language) Datei.

Kontinuierliche CAD Dateien werden durch Tesselierung nutzbar gemacht. Tesselierung bedeutet dass die Oberfläche der CAD Datei durch Dreiecke beschrieben wird.

Die Dateien werden im .STL Format gespeichert. Standard Triangle Language oder Standard Tessellation Language beschrieben.

Nachteile:

• Diskretisierungsfehler durch beschreiben einer kontinuierlichen Geometrie durch finite Elemente.

• Je feiner die Auflösung der Dreiecke, desto höher die benötigte Rechenleistung und Speicherplatz zum Erstellen der Datei

• Dateien enthalten nur geometrische Informationen, Fertigungsinformationen müssen noch zugewiesen werden

Vorteile:

• .STL Dateien sind direkt skalier- und bearbeitbar

• Schichten sind durch die leichte mathematische Formulierung leicht zu beschreiben

1. CAD Dateien werden erstellt, technische Zeichnungen

2. Daten werden in eine STL Datei mittels Tesselierung umgewandelt. Stützstrukturen werden erstellt.

3. Den Schichten der STL Dateien werden Fertigungsinformationen der Maschine zugewiesen, die Maschine wird vorbereitet: Befüllung der Maschine mit Materialien, und weitere maschinenspezifischen Parametern.

4. Der Bauprozess erfolgt in der Regel vollautomatisch

5. Bauteil wird Zeit gegeben abzukühlen, entnommen und Stützstrukten werden entfernt, die Maschine wird gereinigt.

6. Das Bauteil wird mit konventionellen Fertigungsverfahren bearbeitet um eventuell gefordetete Fertigungsparameter, z.B. Oberflächengüte, zu erreichen.

• Stereolithographie (SL)

• Polyjet/ Multi-Jet Modeling (MJM)

Photopolymere werden durch Energiequellen punktweise verfestigt.

SL Rahmendaten

• Flüssig: Flüssigkeitsbett aus Photomonomeren

• Ein UV-Laser verfestigt Photomonomere lokal, der Laser bewegt sich in der x-y-Ebene, die verfestigte Struktur taucht in der z-Ebene ab

• neben den Standardvorgehen (Reinigen von Maschine und Bauteil [plus entfernen der Stützstrukturen]) wird das Bauteil in einer UV-Kammer nachvernetzt

Vorteile:

• sehr kleine Schichtdicken möglich

• hohe Detailgenauigkeit und sehr gute Oberflächen

Nachteile:

• schlechte mechanische Eigenschaften

• aufwändiges Postprozessing wegen großer Menge Handarbeit

• Selective Laser Melting (SLM)

• Selective Laser Sintern (SLS)

• Laser Cladding

• Three Dimensional Printing (3DP)

Als Pulver Binder Verfahren versteht man das schichtweise Verkleben von Granuaten durch punktweises Injizieren eines Binders auf eine Schicht der Pulverbinders.

• Kunsttoffpulverbett

• Kunststoffpulver wird pro Schicht in den Bauraum gebracht, Binder wird aufgetragen, Bauplatte senkt sich ab, neue Schicht Pulver wird mittels Pulverrolle aufgetragen, Ablauf wiederholt sich

• Post Processing umfasst die Standardmaßnahmen: Reinigen von Bauteil und Maschine, Nachbearbeitung des Bauteils, Besonderheit dieses Verfahrens das ohne Stützstruktur gedruckt wird und das Entfernen diese entfällt

• sehr spröde Bauteile

• Es werden Grünlinge erstellt die in der Form genau sind aber noch aufwendig nachbearbeitet werden müssen

• es kann vollfarbig gedruckt werden

• keine Stützstrukturen notwendig

• keine Wärmeeinbringung

• raue Oberflächen

Das selektive Lasersintern ist das punktweise Sintern eines pulverförmigen Werkstoffes mittels eines Lasers.

• Ausgangswerkstoffe: Pulverförmige Kunststoffe, Sintermetalle oder Keramiken

• Werkstoffpulver wird in einer eingestellten Schichtdicke mittels einer Werkstoffrolle aufgetragen, ein Laser verfestigt dieses auf der x-y-Ebene, die Bauplatte senkt sich um die eingestellte Schichtdicke in der z-Ebene ab, neues Pulver wird aufgetragen, Prozess wiederholt sich

• Die Bauteile bleiben nach dem Fertigungsprozess in einem Pulverkuchen, dieser muss vom Bauteil entfernt werden und weiter anhaftende Pulverpartikel müssen entfernt werden.

Das selektive Laserstrahlschmelzen ist das punktweise Schmelzen eines pulverförmigen Werkstoffes mittels eines Lasers.

• Ausgangswerkstoffe: Pulverförmige Kunststoffe, Metalle

• Werkstoffpulver wird in einer eingestellten Schichtdicke mittels einer Werkstoffrolle aufgetragen, ein Laser schmilzt dieses auf der x-y-Ebene unter Schutzgasatmossphäre, die Bauplatte senkt sich um die eingestellte Schichtdicke in der z-Ebene ab, neues Pulver wird aufgetragen, Prozess wiederholt sich

• Das Bauteil wird auf der Bauplatte festgeschweißt, die Bauplatte muss Spannungsarmgeglüht, das Bauteil selber muss zuerst vor entnahme abkühlen, danach folgen die Standardschritte (Bauraum reinigen, Bauteil entnehmen und Stützstrukturen entfernen)

• Bauteilauflösung von Laserstrahltailiendurchmesser begrenzt

• thermische Verfahren: hoher Energieeintrag in die Bauteile (Schmelzen/Sintern) sorgen für Verzug beim Erstarren

• Bauteile können im Pulverbettabsinken

• bei Kunststoffverarbeitung keine Stützstrukturen notwendig

Vorteile:

• hohe Anzahl von thermoplastischen Materialien verfügbar

• Pulver kann teilweise wiederverwendet werden

• einstufiges Verfahren

• bei SLS keine Stützstrukturen

• einfache Nachbearbeitung

Nachteile:

• Auflösung begrenzt

• Pulverpartikel können am Bauteil ansintern

• Hohlräume benötigen geeignete Konstruktion (Ablauflöcher) und können schwer zu reinigen sein

• Schutzgasatmosphäre notwendig

• Stützstrukturen notwendig beim SLM (u.a. wegen Wärmeleitung)

• lange Aufheiz- und Abkühlzeiten

Das Laser Cladding ist das punktuelle Schmelzbad erzeugen mittels eines Lasers in der unter Inertgasstrom ein Pulverstrom direkt ins Schmelzbad geschossen wird.

• Pulver: Metalle und Keramiken

• Erzeugen eines Schmelzbades in das Pulver eingefügt werden, anschließend erstarren des Schmelzbades

• thermische und mechanische Nachbehandlung von Oberflächen.

Vorteile:

• Im Gegensatz zu anderen Verfahren wird hier kein Pulverbett erzeugt

• Verfahren nicht daran gebunden, Querschnitt für Querschnitt aufzutragen. Material kann auf beliebige Substrukturen oder zu reparierende Teile aufgetragen werden

• Hohe Dichte des Materials

Nachteile

• Thermische Nachbehandlung oft notwendig

• Hohe Anschaffungs- und Betriebskosten

Beim Layer Laminate Manufacturing (LLM) werden einzelne Flächenhalbzeuge aufeinander verbunden und konturiert.

• Flächige Halbzeuge: Platten aus Papier, Kunststoff u.ä.

• Es werden Flächenhalbzeuge aufeinander gelegt und miteinander verbunden, anschließend wird die benötigte Kontur ausgeschnitten, Bauteil wird um eine Schicht abgesenkt und der Vorgang wiederholt

• Neben den Entfernen des Bauteils etc. wird das nicht für die Konturerzeugung genutze Material wird entfernt

Vorteile:

• Herstellung großer Bauteile ohne Verzug

• Schnelles Verfahren

• Einfache Maschinentechnik

• Farbige Modelle möglich

• Keine Stützstruktur notwendig

Nachteile

• Stark unterschiedliche Eigenschaften in den Belastungsrichtungen

• Hohlräume lassen sich schwer entformen

• Hoher Grad an Abfall

• Hoher Nachbearbeitungsbedarf

• Filigrane Bauteile schwer realisierbar

Contour Crafting ist das schichtweise Auftragen von pästösen Material und mit einer Kelle in x-y-Ebene glattgestrichen

• Ausgangsmaterial: Pastenmaterial

• Material wird extrudiert, mit einer Kelle glattgestrichen, die Materialien trocknen mit der Zeit

• Entfällt durch das Glattstreichen, ist zweckgebunden abhängig

• Fused Deposition Modeling (FDM) / Fused Filament Modeling (FFM)

  
  

FFM/FDM ist das Aufheizen von einem Kunststoffdraht welcher in der x-y-Ebene abgelegt wird, der Draht wird in z-Richtung aufgeheizt

• Kunststoffdrähte

• x-y-Ebene wird die Kontur abgefahren und in z-Ebene aufgebaut durch Absenken der Bauplattform oder hochfahren der Düse

• entfernen von Stützstrukturen

Die Auflösung ist Abhängig von dem Durchmesser der Düse

Filigrane Bereiche können deswegen nicht ganz durchfahren werden

Außenwände mpssen ggf. doppelt überfahren werden

Überhänge sind mittels Stützstrukturen abzustützen

• schnelle und einfache Herstellung aussagekräftiger Modelle

• direkte Fertigung auf Basis von 3-D Modellen

• Darstellung ausgewählter Produkteigenschaften und Funktionen in jeder Phase der Produktentwicklung

• geringe Kosten

• Herstellung von Werkzeugen, Werkzeugeinsätzen, Lehren und Formen mit additiven Fertigungsverfahren

• Werkzeuge mit konturnahen Heiz- oder Kühlkanälen

• In der Regel ist eine Nacharbeit in nicht-additiven Verfahren notwendig

• Einteilung in direkte und indirekte Rapid Tooling Verfahren

direkte Herstellung von (End-)Produkten in additiven Fertigungsverfahren

• fertigungstechnische und geometrische Limitierungen heutiger Serienfertigungsverfahren gelten nicht

  -> konstruktive und gestalterische Freiheit

• Möglichkeit der Funktionsintegration

• Leichtbau durch Einsatz bionischer Strukturen

• Personalisierung von Produkten

• Weniger Ausschuss im Gegensatz zu konservativen Fertigungsverfahren

• Werkzeuglos

evtl. Nachteile:

• schlechtere Oberflächen —> Nacharbeitung

• Monetär limitierter Vorteil bei Serienproduktion

Treppenstufeneffekt

• charakteristisch für additive Fertigungsverfahren

• je kleiner die Schichtdicke, desto präziser ist das gefertigte Teil -> längere Fertigungszeiten

• Unterschiedliche Genauigkeiten in der x-y bzw. z-Ebene

Standard Tessellation Language/ Standard Triangle Language

Eine Schnittstelle mit der Oberflächen von Volumenmodellen mittels Dreiecken beschrieben werden

Das schichtweise Aufbringen pastöse extrudierter Kunststoffe wird “Fused Layer Manufacturing” (FLM) genannt. Der Prozess arbeitet mit vorgefertigtem thermoplastischem Material, das in geheizten Düsen aufgeschmolzen und als Strang aufgetragen wird.

Definition: Der Begriff additive Fertigungsverfahren umfasst sämtliche Fertigungsverfahren, bei denen basierend auf 3D-Konstruktionsdaten Volumenelemente durch Schichtweises zusammenfügen von Material hergestellt wird

Eigenschaften AF:

• Generierung der Geometrie aus 3D-Daten

• Kein Einsatz von Werkzeugen

• Erzeugung der Materialeigenschaften während des Bauprozesses

• Steuerung der Maschinen mit einheitlichen Datensatz

• (leicht skalierbar)

• Flexibel, ohne lange Vorlaufzeit & Gesamtdurchlaufzeit (Prozess)

• Keine Planung der Fertigungsverfahren (Formbau etc.) —> Formflexibel

• Agile Produktentwicklung

• Standortunabhängig

Konzeptmodell:

• Frühstmögliche physiche Realisierung eines Produktdesigns

• Ziel: Überprüfen des ästhetischen Eindrucks, ohne dass Material, Funktion oder Maße schon den Produktanforderungen enstprechen

Geometrieprototyp:

• Beurteilung von Maß, Form und Lage von Bedeutung, Material dabei sekundär

• Ziel: Geometrieüberprüfung

Funktionsprototyp:

• Erfüllt bereits definierte Produktfunktionen für die Serie, Form und Gestalt können aber noch abweichen

• Ziel: Überprüfung von (Teil-) Funktionen

• Beschleunigung der Produktentwicklung durch Rapid Prototyping

• Leichtbaupotenzial

• Individualisierung von Produkten

• Freiehitsgerade beim Produktdesign

• Obsoleszenzbehebung + Reparatur

• Kostensenkung durch:

  • Verringerung von Transport- und Lagerkosten. (Agile Produktentwicklung, Druck auf Nachfrage, Vor Ort drucken)

  • Erhöhte Materialausnutzung

  • Reduzierter Montageaufwand durch Integralbauweise

• Geringe Herstellungsgeschwindigkeit —> Ungeeignet für hohe Stückzahlen

• Nacharbeitung (Entfernung Stützstrukturen, Oberflächenbehandlung, Reinigung)

• Bauraumbegrenzung

• Qualitätsprobleme

  • Maßhaltigkeit (Toleranzen)

  • Exakte Reproduzierbarkeit

• Auslegung der CAD Programme auf konventionelle Fertigungsverfahren

• geschultes Personal

• Komplexe Geomterie

• Kleine bis mittlere Losgrößen

• Hohe Variantenvielfalt/Individualisierung

• (know-how)

Schritt 1: Definition von Auswahlkriterien

• Bauteilauswahl, Verfahrensauswahl, Materialauswahl

Schritt 2: Auswahl geeigneter Bauteile, Verfahren und Materialien

Schritt 3: Herstellung von Test-Bauteilen

Bauteilauswahl:

• Verfügbarkeit 3D-Daten

• Potenzial Gewichtsreduzierung

• Hohe Werkzeug/Rüstkosten bei konv. Fertigung

• Nachfrage Individualiät

• hohe Logistikkosten

Verfahrensauswahl:

• Anschaffungskosten

• Betriebskosten

• Druckgeschwindigkeit

• Auflösung

Materialauswahl:

• Mech. Eigenschaften

• Oberflächenbeschaffenheit

• elek. Leitfähigkeit

• Korrosionsbeständigkeit

• Methodische Auswahl af Basis definierter Kriterien

• Pilot-Projekte sollten ausreichend repräsentativ sein

• Risikoanalyse bzgl:

  • Qualität

  • Supply Chain

• Technische Qualitätsprüfung

  • Funktions- und Materialtest

  • Montagetest bei Komponenten

• Erhebung reeller Daten für die Untersuchung der Witschaftlichkeit in auf:

  • Fertigungskosten

  • Fertigungszeiten

• So konstruieren, dass Druck und Nacharbeitungszeit reduziert wird

• Bauraum optimal ausnutzen

• Druckerauslastung erhöhen

• Materialverbrauch minimieren

• Prozesssicherheit für wirtschaftliche Nutzung erhöhen

• Make or Buy Analyse durchführen