Klausurvorbereitung

- Herstellung von Modellen und Prototypen

- Modell ist stets eine Vereinfachung oder einen Zuschnitt der jeweiligen

Funktionsschwerpunkte

- Oberbegriff für Concept Modeling und Functional Prototyping

- Ziel: Einfaches und schnelles Erstellen aussagekräftiger Prototypen

- Ziel: Einzelne Produkteigenschaften Absichern.

- Konzeptmodell (Mock-up) dient der Visualisierung (Concept Modeling)

- Funktionsmodell (oder Funktionsprototyp) dient der Absicherung der

Funktionalität (Functional Prototyp)

- in der Erstellung einer Anforderungsliste werden die Anforderungen kategorisiert in Mindest, Fest- und Wunschanforderungen

-> Festanforderungen: Müssen unter allen Umständen erfüllt werden

->Mindestanforderungen: Immer mit "kleiner" oder "größer" angegeben die einen Sollwert mit Toleranzangaben beinhalten

->Wunschanforderungen: Sollen wenn möglich erfüllt werden, aber kein muss.

Verbindung zwischen 2 Inseln schaffen; über "Luft" wird eine Verbindung gespannt

- Erfüllt ein Modell oder Prototyp alle erforderlichen Eigenschaften des späteren Produkts, so spricht man vom „Rapid Manufacturing“

- Direct Tooling: Form/Werkzeug wird direkt durch AF erzeugt (Negativ für Golfball)

- Direct Manufacturing: Bauteil wird direkt über AF erzeugt (Zahnkrone)

Bei Brückenbildung ohne Stützmaterial kann es durch die Schwerkraft zu parabelförmigen Verzug kommen

- Gehört zu den indirekten, nicht-additiven Verfahren.

- AF-gefertigtes Produkt ist nur Mittel zum Zweck und nicht das

Endprodukt.

- Indirect Tooling: AF-Teil Positiv-Teil → Werkzeug-Form → richtiges Bauteil

- Indirect Prototyping: Werkzeugform als AF-Teil → richtiges Bauteil

1. Hohe Verfahrensgeschw., wodurch Stützen schnell überbrückt werden ("Werfen eines Lassos")

2. Geringe Verfahrensgeschw., wodurch Stützen langsam überbrückt werden ("Langsam wachsen lassen")

->Werkstoffabhängig, welche Philosophie das bessere Ergebnis liefern

Wenn mechanisch nachbearbeitet wird, sollte bei der Konstruktion das Infill beachtet werden. Entweder im Bereich der Brücke/Überhangs mit Vollmaterial drucken oder Wände in der Konstruktion vorkonstruieren

-wenn die Öffnung parallel zur Schichtebene orientiert ist, besteht diese immer aus einer Mischung aus Stufen und Überhängen/Brücken

-Wenn möglich sollte die Öffnung zunächst senkrecht zur Schichtebene verlaufen, damit ohne Stufen/Überhängen gedruckt werden kann

-sollte dies nicht Möglich sein, gibt es konstruktive Möglichkeiten, wie Tropfenformen, ovale Formen, Formen mit Downskinwinkel >45° oder Stützen/Lamellen

-ggf. Öffnungen mechanisch nachbearbeiten, dabei aber Infill in den jeweiligen bereichen beachten

-"Infill" bzw. die innere liegende Struktur wird idR in % angegeben

- Aufgaben:

->Stützen der Außenschichten

->Stützen der oberen Deckschichten

- Infill wird im Slicer definiert, es stehen unterschiedliche Füllmuster zur Verfügung

- über die Art des Infills kann die Kraftverteilung im Bauteil kontrolliert werden (Ideal unter 45°)

- SL (Stereolithografie) -> Lasterstrahl

- PJM (Poly Jet Modelling) ->Druckkopf

- FLM (Fused Layer Modelling) ->Extruder

- LS (Laser sintern) ->Laserstrahl

- LBM (Laser Beam Melting) ->Lasersrahl

Erläuterung feine Einteilung:

1. Erstellung 3D-Modell (CAD oder Scan + Meshnachbearbeitung)

2. Export in geeignetem Dateiformat (i.d.R. .stl)

3. Slicing (einfügen von Support und Erstellung von maschinenlesbaren Anweisungen (G-Code)

4. Herstellung (Maschinenparameter einstellen ggf. Maschine vorbereiten)

5. Post Processing (Support entfernen, ggf. waschen, bei LS ggf. Imprägnieren um Wasserdichtigkeit zu erreichen, Maschine reinigen)

-Sintern ist unterhalb des vollständigen Schmelzpuntes (Verbacken des Bauteils)

-Schmelzen über der Schmelztemperatur (i.d.r. vollständig verflüssigt)

-Beim Sintern ist immer eine Restporösität festzustellen (ggf. undichte Bauteile). Gesinterte Teile müssen ggf. imprägniert werden - sonst auch als Filter/Dämpfer (Pneumatik) nutzbar

- Absätzig bzw. Zweistufig bedeutet, dass der Drucker nicht dauerhaft mit Aufheizen und Abkühlen beschäftigt ist und somit blockiert

- Prozesse werden seperiert

Vorteile:

- keine Blockierung des Druckers

- Leistung des Druckers kann kleiner ausfallen

- Grünling/Braunlin leichter mechanisch zu bearbeiten

Nachteile:

- Schrumpfungsverhalten

- Sintervorgang = eingeschränkte Festigkeit

- Anisotropie beschreibt die Richtungsabhängigkeit werkstoffspezifischer Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind in den drei Raumrichtungen nicht identisch (Sollte keine Richtungsabhängigkeit vorhanden sein, bezeichnet man den Werkstoff als isotrop).

- Anisotropie ist je nach Werkstoff, Parameterwahl und Verfahren unterschiedlich stark ausgeprägt.

- AF-Verfahren erzeugen Bateile schichtweise. Die Verbindung zwischen den Layern ist oft schwächer als die innerhalb einer Schicht. Dies führt zu anisotrpen Eigenschaften, vor allem bei laminierenden Verfahren (insbesondere FLM)

- Maßnahmen:

1. Anordnung des Drucks (Wahl Azimotwinkel beachten -> 45°).

2. Wahl des Infills

3. Verbindung der Layer (Möglichst viel angriffsfläche)

4. Einstellung der Prozessparameter

5. Speziell FLM: höhere Verarbeitungs, Bauraum, Plattentemp.; Anpressen für größere Kontaktflächen

- Verfahren die von Anisotropie stark betroffen sind:

->FLM

-> LS

- Verfahren die von Anisotropie weniger stark betroffen sind:

->LBM

->EBM

- Einbringen von Faserverstärtken Filament (GFK-/CFK-Fasern)

- Einstellen des Infills ->Mehr Infill (0-100%) oder Sturktur des Infills anpassen (bspw. Tri-Hexagon Struktur

- Post-Processing: Wärmebehandlung (Bei Metalldruck)

Neukonstruktion:

- Gestaltungfreiheit von komplexen Geometrien ideal für AF

-Bestehende Lösungen oft nicht optimal für AF

-Direkt Leichtbau oder Funktionsintegration möglich

-Hohe Individualität der Produkte bei niedrigen Losgrößen

- Hohe Komplexität der Produkte da geringer Kostenaufwand

-Schnelle Prototypenentwicklung , da nicht erst ein Werkzeug hergestellt werden muss (->Zeit/Kostenersparnis)

-Funktionsintegration

-Topologieoptimierte Strukturen

Flüssiger Ausgangsstoff:

- SL: Stereolithographie

- DLP: Digital Light Processing

Fester Ausgangsstoff:

- FLM: Fused Layer Modelling

- LS: Laser Sintern

- Aufbau eines Bauteils durch Hinzufügen von Volumenelementen (Voxeln) oder Schichten aus dig. 3D-Daten

- Einordnung der Fertigungsverfahren:

- Neben Subtraktiv (Spanenende Bearbeitung) und Formativ (Umformende Bearbeitung) gibt es noch Addtive Fertigungsverfahren

- Fertigungsverfahren unterteilt in 6 Hauptgruppen ->3D-Druck kann in mehrere Fertiungsverfahren unterteilt werden

Erkennungsmerkmale:

- Herstellung durch Schichten oder Voxeln

- Schichtgeometrie wird direkt aus den 3D-CAD-Daten generiert

- keine produktspezifischen Werkzeuge notwendig

- mechanisch-technologischen Eigenschaften erfolgen während des Bauprozesses

- grundsätzlich in jeder Orientierung kann gedruckt werden

Skizze: Steigende Losgröße ungeeignet für AF

Skizze: Steinde Komplexität geeigneter für AF

- Nicht geschlossene, nicht wasserdichte Flächen

- Überlappende Flächensegmente

- Falsche Orientierung einzelner Flächensegmente

- Körper oder Elemente sind nicht miteinander verbunden

-Sehnenfehler ist die Abweichung zwischen der idealen Geometrie (z. B. einem Kreisbogen) und der tatsächlich erzeugten Geometrie

SL: Stereolithographie

- Baumateiral liegt in flüssiger Form vor

- Aushärtung erfolgt durch Licht und Wärme (Polymerisation) durch Laser

- Bauteil wächst aus dem Fluid heraus

-idR Stützmaterial notwendig, da sonst Inseln 2. Grades schwimmen würden

DLP: Digital Light Processing

- wie SL, bloß Projektor statt Laser

- Baumateiral liegt in flüssiger Form vor

- Aushärtung erfolgt durch Licht und Wärme (Polymerisation) durch Projektor

- Bauteil wächst aus dem Fluid heraus

-idR Stützmaterial notwendig, da sonst Inseln 2. Grades schwimmen würden

LS: Laser Sintern:

- Kunststoffpartikel werden punktuell (durch Laser) stark erwärmt (kurz vor Schmelzpunkt = Sintern), sodass diese aneinanderkleben bzw. backen

- Rakel verteilt neues Pulver, welcher wieder punktuell gesintert wird

SMS: Selektives Maskensintern:

- Verfahren wie LS, anstelle von Laser wird ein Infrarotstrahler und Maskenträger genutzt

- Kunststoffpartikel werden punktuell (durch Laser) stark erwärmt (kurz vor Schmelzpunkt = Sintern), sodass diese aneinanderkleben bzw. backen

- Rakel verteilt neues Pulver, welcher wieder punktuell gesintert wird

FLM: Fused Layer Modelling

- Aufgewickeltes Stangen- oder Spulenmaterial (Filament) wird über einen Feeder zum Extruder (Direct oder Bowden-Extruder) befördert

- über einen Extruder mit Düse wird das Marterial auf die Bauplattform gebracht

- Material wird im Hot-End aufgeschmolzen und strangförmig und schichtweise aufgetragen

Bowden-Extruder:

- Motor abseits des Druckkopfs

- Filament wird über Bowden-Schlauch zum Hotend geführt

- Leichter Druckkopf ->höhere Druckgeschwindigkeit möglich

-aber Filamentführung erschwert (Nachteil bei flexiblem Material)

Direct-Extruder:

- Motor direkt am Druckkopf befestigt

- Präzisere Filamentförderung

- Druckkopf ist jedoch schwerer ->langsamere Druckgeschwindigkeit

1) Granulat Verarbeitung mittels Schneckenextruder

2) Beheiztes Wasserbecken zur Abkühlung

3) Qualitätscheck: Durchmesser und Oberfläche

4) Richtstrecke

5) Aufwickeln / Haspeln

Arten von Filament:

-> 1,75 mm Durchmesser

-> 2,85 mm Durchmesser

-beim LS (Laser-Sintern) wird pulverförmiges Material (meist Kunststoff) schichtweise erhitzt, sodass die Partikel an ihren Oberflächen aufschmerzen und miteinander verbacken

Vorteil: - idR kein Stützmaterial notwendig, da umliegendes Pulver als Stütze

fungiert

- geringes Delta-T (aufzubringende Temperatur für Sintervorgang),

daher wenig Verzug im Bauteil

-beim LBM wird das Pulver (idR Metall) vollständig aufgeschmolzen, sodass eine homogene Schmelze entsteht, die wieder Erstarrt.

-Erzeugung eines Grünling mittels Binder-Jetting

- Entbindung des Bindemittels (Chemisch oder Thermisch), um Braunling zu erzeugen

- Sintern des Braunling oder direkt Grünling, um Werkstoffeigenschaften zu erhalten

- =Fertiges Bauteil

-Einfluss der AF hierauf: Beschleunigung von Modellbau und Prototypen

-Mann kann deutlich schneller Modelle physisch herstellen und die Modellbauzeit bzw. Prototypenbau reduzieren.

-Dadurch verringert man wiederum die Blindplanzeit, wodurch besser geplant werden kann

- trotz verkürzter Entwicklungszeiten bleiben idR die Durchlaufzeiten für Funktionsmuster/Prototypen gleich

- das führt zu einer erhöhten Blindplanzeit , die nicht gewünscht ist

Gegenmaßnahmen:

- Durch vermehrte Simulation den Aufwand für Prototypen elimieren

- Simulatneous Engineering: parallelisierung von Entwicklungsphasen ->jeder Schritt kann länger dauern, dennoch reduziert sich die Gesamtentwicklungszeit

- Einsatz AF: es können schnell Funktionsmuster / Prototypen gedruckt werden

Konzept:

- Grundidee für das Produkt

- Grundsätzliche Funktionalität durch Teillösungen definiert

erste Gestalt

- Klärung der technischen und praktischen Umsetzung des Produktes

Entwurf:

- Detailierung und Konkretisierung des Konzeptes

- erste Dimensionierungen und Berechnugen

- Auswahl Werkstoffe und Fertigungsverfahren

- Realistische, dimensioneirte Darstellung

Ausarbeitung:

- vollständige und detailierte Konstruktionsdokumentation

- Alle Details ausgearbeitet

- Erstellung von Fertigungszeichnugen, Toleranzangaben, Dokumentationen

- vollständige Dokumentation der Produktreife

1. Aufgabenstellung erhalten und in Kontext eingeordnet

2. geklärte Aufgabenstellung ->Ergebnis Anforderungsliste

3. Gesamtfunktion analysieren

4. Gesamtfunktion in Teilfunktionen zerlegen

5. Entwicklung von Teillösungen (->morphologischer Kasten)

6. Beurteilung der Teillösungen und Kombination dieser anhand der Anforderungen

7. Entwicklung eines Entwurfes

Zehnerregel: Fehlerkosten steigen im Entwicklungsprozess exponentiell an. AF für Rapid Prototyping

Definition:

- Auflösung beschreibt die Grenzen zur kleinstmöglichen und detailgetreuen Herstellung von Geometrien

- Allgemein wird die Auflösung unterschieden in:

- Digitale Auflösung (->Aufbereitun der Daten)

- Physikalische Auflösung (->Mechanik der Prozesseinheit;

->Eigenschaften des Baustoffs; ->Prozessparameter)

Unterscheidung:

- zusätzlich wird zwischen der Auflösung in x-y-Richtung und in z-Richtung unterschieden

- Beinflussung der Auflösung in x-y-Richtung

-SL: Laserspot-Größe (ca. 140 µm)

-LS/LBM: Aufschmelzverhalten des Werkstoffs sowie Korngröße

-FLM: Verfahrmechanik; Ausbringmenge; Verhalten des

Schmelzbades

- Beeinflussung der Auflösung in z-Richtung

- Verstellmechanik

- Steifigkeit der FÜhrungsqualität

- Werkstoffeigenschaften (Korngröße, Adhäsions- und

Kohäsionseigenschaften)

-Brücken schaffen eine Verbindung zwischen 2 Inseln

-über "Luft" wird eine Verbindung gespannt

-Bei Brückenbildung ohne Stützmaterial kann es durch die Schwerkraft zu parabelförmigen Verzug kommen

-Philosophien:

1. Hohe Verfahrensgeschw., wodurch Stützen schnell überbrückt werden

("Werfen eines Lassos")

2. Geringe Verfahrensgeschw., wodurch Stützen langsam überbrückt werden

("Langsam wachsen lassen")

-Wenn mechanisch nachbearbeitet wird, sollte bei der Konstruktion das Infill beachtet werden. Entweder im Bereich der Brücke/Überhangs mit Vollmaterial drucken oder Wände in der Konstruktion vorkonstruieren

Curling:

- Ablösen der ersten Fertigungsschichten

- Ensteht aufgrund hoher Temperaturgradienten zwischen Bauteilfläche und Baumaterial in Kombination mit einem zum Schrumpfen neigenden Werkstoff

- Tritt auf wenn die Zugeigenspannungen größer sind als die Haftspannungen zwischen Bauteil und Plattform

Gegenmaßnahmen:

- Bauplattform und Bauraum vorheizen

- Baumaterial vorheizen

- Bauraumtemp. Nah an der Schmelztemperatur des Baumaterials bringen

- Stützstrukturen einbringen um Bauteil "Festzuhalten" oder um eine gleichmäßige Wärmeableitung zu gewährleisten

- Inseln sind Elemente die zunächst einzeln gelagert sind und erst im Druckverlauf verbunden werden (über Brücke)

- Ohne Inseln keine Brücken

- Inseln 1. Grades: Gemeinsame Baupattform

- Inseln 2. Grades: keine gemeinsame Bauplattform

->Wichtig: Inseln müssen stabil gehalten werden (Schwierig vor allem im LS-Verfahren)

-Größere Schichtdicken führt zu größeren und sichtbaren Schichteffekten (Bswp. Größere Kerbwirkung)

- Kleinere Schichten haben einen geringen Schichteffekt (bspw. Geringere Kerbwirkung); sind optisch schöner; allerdings mehr Versagensstellen

-es muss ein optimum gefunden werden

Gegenmaßnahmen:

-es kommt immer zu Stufenbildung, man kann diese nur verringern

-Upskinwinkel nie <20° wählen

-Vergrößerung des Gesamtmodells, um das Verhältnis von Schichthöhe zu Modell zu senken

- Schichtdicke variieren:

->Kleinstmögliche Schichtdicke = gegen Stufeneffekt)

->MIttlere Schichtdicke = Kompromiss aus Festigkeit, Stufeneffekt,

Wirtschaftlichkeit)

->Große Schichtdicke = Wirtschaftlichkeit und Effizienz

Unterscheidung in:

-Unterbau: Skirts, Brims, Rafts

-Gusssets

-Einzelstützen

-vollflächiger Support

Aufgaben:

- geringe Festigkeiten während des Bauprozesses zu verbessern

- Stützen Überhänge, Holhräume und Brücken

- beugt dem Curling (Warp-Effekt) vor

- gezielte Wärmeabfuhr

- können auch abwaschbar sein

- stabilität für spanende Nachbearbeitung

Upskin:

- Upskin-Fläche: jene Oberfläche des Bauteils, dessen Normalvektor (bezogen auf z-Achse) positiv ist

- Upskinfläche erzeugt einen Stufeneffekt (Step effevt)

Downskin:

- Downskin-Fläche: jene Oberfläche des Bauteils, dessen Normalvektor (bezogen auf z-Achse) negativ ist

- Downskinfläche erzeugt einen Überhang (Overhang)

Anpassung an Fertigungs- und Bauteilanforderungen

• Verringerung des Zeit- und Materialeinsatzes

• Anpassungen der Festigkeit und Steifigkeit

• Beeinflussung der Federungs- und Dämpfungseigenschaften

• Möglichkeit zur Gestaltung von flexiblen Bauteilen

• 10% Infill: Geringe Fertigungszeit und geringer Materialeinsatz (Wirtschaftlichkeit) im VGL. zu Volldruck, federndes Bauteil möglich

• 50% Infill: Kompromiss aus Festigkeits- und Wirtschaftlichkeitseigenschaften

• 90% Infill: Hohe Festigkeiten und Steifigkeiten