Additive Fertigungsverfahren

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1 Andreas Gebhardt Komplett in Farbe Additive Fertigungsverfahren Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping Tooling Produktion 5., aktualisierte und erweiterte Auflage

2 Gebhardt Additive Fertigungsverfahren Bleiben Sie auf dem Laufenden! Hanser Newsletter informieren Sie regel mäßig über neue Bücher und Termine aus den verschiedenen Bereichen der Technik. Profitieren Sie auch von Gewinnspielen und exklusiven Leseproben. Gleich anmelden unter

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4 Andreas Gebhardt Additive Fertigungsverfahren Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping Tooling Produktion 5., neu bearbeitete und erweiterte Auflage

5 Der Autor: Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt Geschäftsführer der CP Centrum für Prototypenbau GmbH, Erkelenz/Düsseldorf Professor an der Fachhochschule Aachen Lehrgebiet: Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Alle in diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw. Daten wurden nach bestem Wissen dargestellt. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die in diesem Buch enthaltenen Darstellungen und Daten mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Darstellungen oder Daten oder Teilen davon entsteht. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Herstellung: Jörg Strohbach Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Coverbild: Arup/Davidfotografie Satz: Manuela Treindl, Fürth Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany ISBN: E-Book-ISBN:

6 Widmung Allen Ingenieuren gewidmet, die ihren Beruf in Ehrfurcht vor der Schöpfung ausüben. 1 1 Diese Widmung stellte Prof. Walter Traupel 1958 der ersten Auflage seines Standardwerkes Thermische Turbomaschinen, Springer Verlag, voran. Auch 58 Jahre später kann eine Aufforderung an verantwortlich handelnde Ingenieure nicht eindrücklicher formuliert werden.

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8 Vorwort Vom Labor in die Produktion Vom Spielzeug für Techniker zum Schlüssel für die schnelle Produktentwicklung war 1995 das Vorwort der 1. Auflage dieses Buches überschrieben. Etwa sechs Jahre zuvor waren die ersten Stereolithographie-Maschinen in Europa installiert worden. Rapid Prototyping-Verfahren hatten sich seitdem in wenigen Jahren als effektive Werkzeuge für die schnellere Entwicklung besserer Produkte etabliert. Sie hatten sich gewandelt vom isoliert angewandten, technisch faszinierenden, aber wirtschaftlich nicht attraktiven Modellbauverfahren, zum geschwindigkeitsbestimmenden Element in der Produktentwicklungskette. Vom Werkzeug für die schnelle Produktentwicklung zum Werkzeug für die schnelle Produktentstehung wurde im Vorwort zur 2. Auflage die Entwicklung bis 2000 überschrieben. Triebfeder der Entwicklungen war der dringende Wunsch nach Bauteilen mit Serieneigenschaften. Dieser wurde durch die Entwicklung von Werkstoffen wie Metall, Sand, Keramik weitgehend erfüllt und durch Verfahren, die die Herstellung von Formen und Werkzeugen erlaubten unterstützt. Das Rapid Tooling erweiterte die Anwendung des Rapid Prototypings und verkürzte den mit traditionellen Methoden zeitaufwendigen und teuren Schritt ins Werkzeug erheblich. Generative Verfahren für die individuelle Fertigung titelte die 3. Auflage Aufgrund des technischen Fortschritts, aber vor allem auch durch die Verifizierung des enormen Potenzials in immer weiteren Bereichen, hatte sich die direkte digitale Fertigung, das Rapid Manufacturing weiter etabliert. Dazu wurden neue Maschinen und Konzepte entwickelt: Der Prototyper wandelt sich zum Fabrikator. Die losgrößenunabhängige Fertigung von kundenspezifischen Serien mit Einzelteilcharakter wurde möglich und begann die Fertigungstechnik insgesamt zu revolutionieren. Raus aus der Nische! Die 4. Auflage beschreibt 2013 die (noch anhaltende) Verbreitung der Generativen Fertigungstechnik über alle Branchen und viele Anwendergruppen hinweg. Leistungsfähige Production Printer arbeiten in der Industrie und Fabber, kleine, preiswerte und meist selbst zu bauende 3D-Drucker, erschließen die additive Fertigung für semi Professionals und für Privatleute auch an entlegenen Orten.

9 VIII Vorwort Seriöse Journale und Tageszeitungen machen mit Drucker Erfolgsgeschichten auf. Drucker sind in aller Munde. Vom Labor in die Produktion greift die vorliegende 5. Auflage die anhaltend hochdynamische Entwicklung auf. Die Technik wird weiter verbessert, die Prozesse werden stabiler und vor allem reproduzierbar. Neue, auch erste kontinuierlich arbeitende, 3D-Druckverfahren drängen auf den Markt. Es entwickeln sich eine dezentrale weltumspannende private Anwenderlinie und eine Entwicklungslinie für Industrial Printer. Letztere reifen zu flexiblen additiven Fertigungssystemen heran. Eine wirkliche Massenproduktion von Einzelteilen ist damit realistisch. Neben den notwendigen Aktualisierungen und Ergänzungen zeichnet dieses Buch vor allem diese Entwicklung nach. Alle Aspekte der additiven Fertigungsverfahren sind weltweit Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Es kann nicht mehr davon ausgegangen werden, dass ein Wettbewerber die additiven Fertigungsverfahren nicht kennt oder nicht einsetzt. Aachen im Oktober 2016 Andreas Gebhardt

10 Über den Autor Dr.-Ing. Andreas Gebhardt, Jahrgang 1953, studierte an der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Motoren- und Turbinenbau. Er promovierte 1986 bei Professor Dibelius mit einer Arbeit über das in stationäre Verhalten konventioneller Dampfkraftwerksblöcke. Von 1986 bis 1991 war er Geschäftsführer eines Spezialbetriebes für Motoreninstandsetzung und die Fertigung von Spezialmotoren und Motorenteilen wechselte er in die Geschäftsführung des Laser Bearbeitungs- und Beratungszentrums NRW GmbH (LBBZ- NRW). Das LBBZ ist auf die lasergestützte Fertigung spezialisiert und beschäftigt sich bereits seit 1992 mit dem Rapid Prototyping wurde die CP Centrum für Prototypenbau GmbH, Erkelenz/Düsseldorf, gegründet, deren Geschäftsführung Andreas Gebhardt übernahm. Die CP-GmbH ist ein Rapid Prototyping-Dienstleister und fertigt Prototypen aus Kunststoff und Metall als Einzelstücke und in kleinen Serien. Vom 3D-CAD über additive Fertigungsanlagen bis hin zum Werkzeugbau verfügt die CP-GmbH über alle Elemente einer vollständig geschlossenen Additive Manufacturing-Prozesskette. Die praktischen Erfahrungen in der CP-GmbH bilden das fachliche Rückgrat für die in diesem Buch aufbereitete Thematik. Zum Sommersemester 2000 wurde Andreas Gebhardt als Professor für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing an die Fachhochschule Aachen berufen. Dort leitet er im Rahmen des GoetheLab für Additive Manufacturing eine Forschergruppe zum Lasersintern von Metallen (SLM Verfahren), Polymerdrucken, 3D-Drucken (Pulver-Binder-Verfahren), Extrusionsverfahren (FDM) und zum Einsatz unterschiedlicher Fabber. Zum GoetheLab gehört auch der weltweit erste Technologiebus, ein rollendes Labor in einem Doppeldeckerbus, FabBus genannt.

11 X Über den Autor Seit dem Wintersemester 2000 ist Andreas Gebhardt Gastprofessor am City College der City University New York. Im Herbst 2014, wurde er von der Tshwane University of Technology, TUT, in Pretoria, Südafrika zum Professor Extraordinaire ernannt. Seit 2004 ist Andreas Gebhardt Herausgeber des RTeJournals ( einer open-access peer review online-zeitschrift für Rapid Technologie.

12 Danksagung Der interdisziplinäre Charakter und das anhaltend sehr hohe Entwicklungstempo der additiven Fertigungsverfahren machen es für eine einzelne Person nahezu unmöglich, dieses Gebiet vollständig, richtig und zeitnah darzustellen. Deshalb bin ich dankbar für die vielfältige Hilfe und Unterstützung, die mir zuteil wurde. Die praxisgerechte Ausrichtung wurde wesentlich durch die enge Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern des CP Centrum für Prototypenbau GmbH gewährleistet. Dafür bedanke ich mich bei allen Kollegen, insbesondere aber bei Besima Sümer, Christoph Schwarz und Michael Wolf für intensive Diskussionen und die praktische Umsetzung konzeptioneller Ansätze. Das Team des GoetheLab for Additive Manufacturing der Fachhochschule Aachen hat die Entstehung des Buches aktiv begleitet und mich konzeptionell und in zahleichen Details unterstützt. Beteiligt waren vor allem: Julia Kessler, Laura Thurn, Prasanna Rajaratnam, Stefan Thümmler, Dawid Ziebura, Jan Steffen Hötter und Miranda Fateri. Für zahlreiche Fachgespräche, Diskussionen und Detailbeiträge bedanke ich mich bei allen, die direkt oder indirekt zum Gelingen des Buches beigetragen haben, vor allem bei den Mitgliedern des VDI Fachausschusses 105 Rapid Manufacturing und dem DVS Fachausschuss 13 Generative Fertigungsverfahren Rapidtechnologien. Aus den vorangegangenen Auflagen sind, gegebenenfalls in Auszügen, zahlreiche Informationen übernommen worden, die seinerzeit von folgenden Autoren beigesteuert wurden: Konrad Wissenbach, Andres Gasser und Eckhard Hoffmann, Aachen; Sabine Sändig, Jena.: Wolfgang Steinchen, Kassel; Bernd Streich, Kaiserslautern; Frank Petzold, Bremen; Stefan Nöken, Christian Wagner, Aachen. Jens Hoffmann, Dresden, hat größere Beiträge zum STL-Format erarbeitet. Edgar Hansjosten, Karlsruhe, hat Abschnitt 9.1 verfasst. Klaus Licher danke ich für die Unterstützung beim Abschnitt Cabrioverdeck. Vielen Dank auch an Alexander Schwarz, der bei der Erarbeitung der Tabellen im Anhang unterstützt und viele Aspekte der Formatierung übernommen hat. Herzlichen Dank für die gute Zusammenarbeit an den Carl Hanser Verlag und Frau Monika Stüve.

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14 Inhaltsverzeichnis Widmung... V Vorwort... VII Über den Autor... IX Danksagung.... XI 1 Einordnung und Begriffsbestimmung Systematik der Fertigungsverfahren Systematik der Additiven Fertigungsverfahren Begriffsbestimmungen Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren Einteilung der Additiven Fertigungsverfahren Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Rapid Manufacturing Direct Manufacturing Rapid Manufacturing Direct Tooling (Rapid Tooling Prototype Tooling) Nicht-additive Verfahren Indirect Prototyping und Indirect Tooling Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing? Begriffsvielfalt Wie schnell ist Rapid? Integration der Additiven Fertigungstechnik in den Produktentstehungsprozess Additive Verfahren in der Produktentwicklung Additive Verfahren für die stückzahl-unabhängige Produktion Additive Verfahren für die individualisierte Produktion Maschinen für die Additive Fertigung Fabber, Personal 3D-Drucker/Personal 3D Printer

15 XIV Inhaltsverzeichnis Fabber Personal 3D-Drucker/Personal 3D Printer Professional 3D-Drucker/Professional 3D Printer Production 3D-Drucker/Production 3D Printer oder Produktionsmaschinen Industrial 3D-Drucker Maschinenklassen und Bauteileigenschaften Merkmale der Additiven Fertigungsverfahren Verfahrensgrundlagen Erzeugung der mathematischen Schichtinformation Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz Datenfluss und Schnittstellen Modellierung dreidimensionaler Körper mittels 3D-CAD CAD-Modelltypen Anforderungen an CAD-Systeme Modellierung dreidimensionaler Körper aus Messwerten Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten STL-Format Fehler im STL-File CLI-/SLC-Format PLY- und VRML-Format AMF-Format Physikalische Prinzipien zur Erzeugung der Schicht Generieren aus der flüssigen Phase Photopolymerisation Stereolithographie (SL) Grundlagen der Polymerisation Laserinduzierte Polymerisation Vorteile der Stereolithographie Nachteile der Stereolithographie Generieren aus der festen Phase Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten Sintern (Lasersintern, LS), Schmelzen Materialien für das Sintern und Schmelzen Vor- und Nachteile des Sinterns und Schmelzens Proprietäre oder handelsübliche Pulver? Ausschneiden aus Folien und Fügen Layer Laminate Manufacturing (LLM) Vor- und Nachteile der Schichtverfahren (LLM)...69

16 Inhaltsverzeichnis XV Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase Fused Layer Modeling (FLM) Extrudierende und ballistische Verfahren Vor- und Nachteile der FLM-Verfahren Verkleben von Granulaten mit Bindern 3D Printing (3DP) Pulver Binder Verfahren Vor- und Nachteile von Pulver-Binder-Verfahren Generieren aus der Gasphase Aerosoldruckverfahren Vor- und Nachteile von Aerosoldruckverfahren Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) Sonstige Verfahren Sonolumineszenz Elektroviskosität Elemente zur Erzeugung der physischen Schicht Bewegungselemente Plotter Scanner Parallelroboter (Delta Roboter) Generierende und konturierende Elemente Laser Druckköpfe Extruder Schneidmesser Fräser Schichterzeugendes Element Klassifizierung der additiven Fertigungsverfahren Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der additiven Fertigungsverfahren Werkstoffe Bauteileigenschaften Details Genauigkeiten Oberflächengüte Entwicklungspotenzial Kontinuierliche 3D-Modellierung Additive Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing Polymerisation Stereolithographie (SL) Maschinenspezifische Grundlagen

17 XVI Inhaltsverzeichnis Laser-Stereolithographie Digital Light Processing (DLP) PolyJet und Multi-Jet Modeling (MJM) und Paste Polymerization Continuous Liquid Interface Production (CLIP) Übersicht: Polymerisation Stereolithographie Stereo Lithography Apparatus (SLA) 3D Systems STEREOS EOS GmbH Stereolithographie Fockele & Schwarze (F&S) Mikrostereolithographie microtec Solid Ground Curing Cubital Digital Light Processing EnvisionTEC Polymerdrucken Stratasys/Objet Multi-Jet-Modeling (MJM) ProJet 3D Systems Digital Wax Film Transfer Imaging 3D Systems Sonstige Polymerisationsverfahren Paste Polymerization 3D Systems/OptoForm Sintern/Selektives Sintern Schmelzen im Pulverbett Maschinenspezifische Grundlagen Übersicht: Sintern Schmelzen Lasersintern 3D Systems Laser Sintering, SLS 3D Systems Direct Metal Printing DMP-3D Systems Lasersintern EOS GmbH Laserschmelzen ReaLizer GmbH Laserschmelzen SLM Solutions GmbH Laserschmelzen Renishaw LTD LaserCusing ConceptLaser GmbH Laser Metal Fusion (LMF) TRUMPF Elektronenstrahlsintern ARCAM Selective Mask Sintering (SMS) Sintermask Lasersintern Phenix Beschichten Schmelzen mit der Pulverdüse Verfahrensprinzip Pulverdüsenkonzepte Prozessüberwachung und -regelung Laser Engineered Net Shaping (LENS) OPTOMEC Laser Metal Deposition (LMD), TRUMPF Schicht-Laminat-Verfahren Layer Laminate Manufacturing (LLM) Übersicht: Schicht-Laminat-Verfahren...242

18 Inhaltsverzeichnis XVII Maschinenspezifische Grundlagen Laminated Object Manufacturing (LOM) Cubic Technologies Rapid Prototyping System (RPS) Kinergy Selective Adhesive and Hot Press Process (SAHP) Kira Layer Milling Process (LMP) Zimmermann Stratoconception rp2i Selective Deposition Lamination (SDL) Mcor Plastic Sheet Lamination Solido Sonstige Schicht-Laminat-Verfahren Bauteile aus Metalllamellen Laminated Metal Prototyping Extrusionsverfahren Fused Layer Modeling (FLM) Übersicht: Extrusionsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) Stratasys Wachsprinter Solidscape Multi-Jet-Modeling (MJM) ThermoJet 3D Systems ARBURG Kunststoff-Freiformen (AF) ARBURG GmbH Three Dimensional Printing (3DP) Übersicht: 3D Printing D Printer 3D Systems/Z-Corporation Metall und Formsand Printer ExOne Metall-Linie: Direct Metal Printer Formsand-Linie: Direct Core and Mold Making Machine Direct Shell Production Casting (DSPC) Soligen D-Drucksystem Voxeljet Maskless Masoscale Material Deposition (M3D) OPTOMEC Hybridverfahren Laserauftragsschweißen und Fräsen Controlled Metal Build Up (CMB) Röders Laminieren und Ultraschallschweißen Ultrasonic Consolidation Fabrisonic/Solidica Metallpulverauftragsverfahren (MPA) Hermle Hybrid (Additive and Substractive manufacturing) DGM-MORI Extrudieren und Fräsen Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Cincinnati Zusammenfassende Betrachtung der Additiven Fertigungsverfahren Charakteristische Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren Genauigkeit Oberflächen Benchmark-Tests und User-Parts...339

19 XVIII Inhaltsverzeichnis 3.9 Entwicklungsziele Folgeprozesse Zielwerkstoff Kunststoff Zielwerkstoff Metall Rapid Prototyping Einordnung und Begriffsbestimmung Eigenschaften von Prototypen Charakteristika des Rapid Prototyping Strategische Aspekte beim Einsatz von Prototypen Produktentwicklungsschritte Time to market Frontloading Digitales Produktmodell Die Grenzen der physischen Modellierung Kommunikation und Motivation Operative Aspekte beim Einsatz von Prototypen Rapid Prototyping als Werkzeug zur schnellen Produktentwicklung Modelle Modellklassen Modellklassen und Additive Verfahren Zuordnung von Modellklassen und Modelleigenschaften zu den Familien der Additiven Fertigungsverfahren Anwendung des Rapid Prototyping in der industriellen Produktentwicklung Beispiel: Pumpengehäuse Beispiel: Büroleuchte Beispiel: Einbauleuchtenfassung Beispiel: Modellbaggerarm Beispiel: LCD-Projektor Beispiel: Kapillarboden für Blumentöpfe Beispiel: Gehäuse einer Kaffeemaschine Beispiel: Ansaugkrümmer eines Vierzylindermotors Beispiel: Cocktailbecher Beispiel: Spiegeldreieck Beispiel: Cabrioverdeck Rapid Prototyping Modelle zur Visualisierung von 3D-Daten Rapid Prototyping in der Medizin Charakteristika medizinischer Modelle Große Datenmengen...388

20 Inhaltsverzeichnis XIX Nicht exakt definierte Modellabmessungen Mehrere Modelle Transparenz Sterilisierbarkeit Biokompatibilität Stützstrukturen Unverbundene Modellteile Anatomische Faksimiles Beispiel: Anatomisches Faksimile für eine Umstellungsosteotomie Rapid Prototyping in Design, Kunst und Architektur Modellbildung in Design und Kunst Beispiel Kunst: Computer-Skulptur Beispiel Design: Flaschenöffner Angewandte Kunst Bildhauerei und Plastiken Beispiel Archäologie: Büste der Königin Teje Modellbildung in der Architektur Beispiel Architektur: Deutscher Pavillon für die Expo Beispiel Architektur: Ground Zero Beispiel Architekturdenkmäler: Dokumentation von baugeschichtlich relevanten Gebäuden Rapid Prototyping zur Überprüfung von Rechenverfahren Spannungsoptische und thermoelastische Spannungsanalyse Spannungsoptische Spannungsanalyse Thermoelastische Spannungsanalyse (THESA) Beispiel: Spannungsoptische Spannungsanalyse an einem Kipphebel eines Lkw-Verbrennungsmotors Beispiel: Thermoelastische Spannungsanalyse zum Festigkeitsnachweis an einer Automobilfelge Ausblick Rapid Tooling Einordnung und Begriffsbestimmung Direkte und indirekte Verfahren Eigenschaften additiv gefertigter Werkzeuge Strategische Aspekte beim Einsatz Additiver Werkzeuge Schnelligkeit Umsetzung neuer technischer Konzepte...415

21 XX Inhaltsverzeichnis Konstruktive Eigenschaften additiv gefertigter Werkzeuge Prototypwerkzeuge Weiche gegossene Werkzeuge Harte gegossene Werkzeuge Harte direkt gefertigte Werkzeuge und Werkzeugeinsätze Bereitstellung der Daten Indirekte Rapid Tooling-Verfahren Abformverfahren und Folgeprozesse Eignung Additiver Verfahren zur Herstellung von Urmodellen für Folgeprozesse Indirekte Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für Kunststoffbauteile Abgießen in weiche Werkzeuge oder Formen Vakuumgießen Nylongießen Silikonabguss Photocasting Spincasting Abgießen in harte Werkzeuge Metallspritzen Gießharzwerkzeuge Maskenwerkzeuge, Polyurethangießen Niederdruckspritzgießen, Reaction Injection Molding (RIM) D Keltool Course4 Technology Andere Abformverfahren für harte Werkzeuge Ford Sprayform-Verfahren Rapid Solidification Process, RSP Indirekte Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen Der Feingussprozess mit additiven Prozessschritten Werkzeuge durch Feinguss von Rapid Prototyping Urmodellen Direkte Rapid Tooling-Verfahren Prototype Tooling Werkzeuge auf der Basis von Kunststoff 3D-Druckverfahren Ausgießen von 3D gedruckten Bauteilen D gedruckte Werkzeugeinsätze ACES Injection Molding, AIM D printed injection molding, 3D-IM Tiefziehen oder Thermoformen...441

22 Inhaltsverzeichnis XXI Herstellung von Kernen und Formen für den Metallguss Sandguss Druckguss Metallwerkzeuge auf der Basis von mehrstufigen additiven Prozessen Selektives Lasersintern von Metallen IMLS 3D Systems Paste Polymerization 3D Systems D Printing von Metallen ExOne GmbH Direct Tooling Werkzeuge auf der Basis von Metall 3D-Druckverfahren Mehrkomponenten-Metallpulver-Lasersintern Einkomponenten-Metallpulver-Verfahren Sintern und Generieren DirectTool EOS GmbH Laserschmelzen SLM-Solutions LaserCusing Concept Laser TruPrint und Direktes Laserformen TRUMPF Elektronenstrahlsintern ARCAM Lasersintern 3D Systems/Phenix Laser-Generieren mit Pulver und Draht Laser Engineered Net Shaping (LENS) OPTOMEC Laser Metal Deposition (LMD) Schicht-Laminat-Verfahren Metalllamellenwerkzeuge Laminated Metal Tooling Ultrasonic Consolidation Fabrisonic/Solidica Lamellenwerkzeug Weihbrecht Ausblick Direct Manufacturing Rapid Manufacturing Einordnung und Begriffsbestimmungen Begriffe Vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing Workflow für das Rapid Manufacturing Anforderungen an die direkte Fertigung Potenziale der additiven Fertigung von Endprodukten Erhöhte Konstruktionsfreiheit Erweiterte konstruktive und gestalterische Möglichkeiten Geometrie- und Funktionsintegration...464

23 XXII Inhaltsverzeichnis Neuartige Konstruktionselemente Herstellung traditionell nicht herstellbarer Produkte Variation von Massenprodukten Personalisierung von Massenprodukten Passive Personalisierung Hersteller Personalisierung Aktive Personalisierung Kunden Personalisierung Realisierung neuer Werkstoffe Realisierung neuer Fertigungsstrategien Entwurf neuer Arbeits- und Lebensformen Anforderungen an additive Verfahren für die Fertigung Anforderungen an die additive Herstellung eines Bauteils Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Anforderungen an die additive Serienfertigung mit heutigen Verfahren Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Zukünftige Anforderungen an die additive Serienfertigung Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Fertigungsanlagen zur Realisierung des Rapid Manufacturing Additive Fertigungsanlagen als Elemente einer Fertigungskette Industrielle Komplettfertigung Individuelle Komplettfertigung (Personal Fabrication) D-Drucker als Flexible AM-Systeme (FAMS) Vom Personal 3D-Drucker zum Flexiblen Additive Manufacturing System, FAMS Concept Laser, Factory of Tomorrow EOS M

24 Inhaltsverzeichnis XXIII Additive Industries (AI) MetalFAB Anwendungen des Direct Manufacturing Anwendungsfelder nach Werkstoffen Metallische Werkstoffe und Legierungen Hochleistungskeramiken Kunststoffe Neue Werkstoffe Anwendungsfelder nach Branchen Werkzeugbau Gießereiwesen Dentaltechnik Schmuckindustrie Medizinische Geräte und Hilfsmittel, Medizintechnik Zahnspangen: Aligner Invisalign Hörgeräteschalen, Otoplastiken Technische Medizingeräte Design und Kunst Automobilbau Perspektiven Sicherheitsvorschriften und Umweltschutz Gesetzliche Grundlagen für das Betreiben und das Herstellen von Generativen Fertigungsanlagen und den Umgang mit den zugehörigen Werkstoffen Baurecht Wasserrecht Gewerberecht Immissionsschutzrecht Abfallrecht Chemikalienrecht Sicherheitsdatenblätter REACH Anmerkungen zu Materialien für die Generative Fertigung Anmerkungen zur Benutzung von additiv gefertigten Bauteilen Aspekte zur Wirtschaftlichkeit Strategische Aspekte Strategische Aspekte für den Einsatz additiver Verfahren in der Produktentwicklung Qualitative Ansätze Quantitative Ansätze...545

25 XXIV Inhaltsverzeichnis 8.2 Operative Aspekte Auswahl geeigneter additiver Fertigungsverfahren Ermittlung der Kosten von Additiv-Manufacturing-Verfahren Variable Kosten Fixkosten Charakteristika additiver Fertigungsverfahren und ihre Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit Make or buy? Zukünftige Rapid Prototyping-Verfahren Mikrobauteile Mikrobauteile aus Metall und Keramik Mikrobauteile aus Metall und Keramik mittels Laserschmelzen Schmelzvorgang beim selektiven Laserschmelzen Mikrostrukturen aus Metallpulver Mikrostrukturen aus Keramikpulver Contour Crafting D-Shape-Prozess Selective Inhibition of Sintering (SIS) SIS-Polymer-Prozess SIS-Metall-Prozess Continuous Liquid Interface Production (CLIP) Carbon 3D Fazit, Trends und Ausblick Trends Ausblick Anhang Kritische Erfolgsfaktoren und Wettbewerbsstrategien Wirtschaftlichkeitsmodell nach Siegwart und Singer Technische Daten und Informationen CAD-Systeme und Software für die additive Fertigung Additive Fertigungsanlagen (Prototyper und Fabrikatoren) Werkstoffe für additive Prozesse und Gießharze Begriffe und Abkürzungen Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis

26 1 Einordnung und Begriffsbestimmung Zur Einordnung der Additiven Fertigungsverfahren ist es hilfreich, sich mit der Systematik der Fertigungsverfahren insgesamt zu befassen. 1.1 Systematik der Fertigungsverfahren Im Deutschen werden die Fertigungsverfahren nach DIN 8580 sehr detailliert in sechs Hauptgruppen mit zahlreichen tief gestaffelten Untergruppen eingeteilt [DIN 8580], [Witt06]. Zur Diskussion der Additiven Fertigungsverfahren ist die im angelsächsischen gebräuchliche gröbere Einteilung besser geeignet [Burns93]. Sie orientiert sich ausschließlich an der Erzeugung der Geometrie. Danach wird die Gesamtheit der Fertigungsverfahren unterschieden in: Subtraktive Fertigungsverfahren Formative Fertigungsverfahren Additive Fertigungsverfahren. Subtraktive Verfahren erzeugen die gewünschte Geometrie aus einem Halbzeug durch Abtragen definierter Bereiche, z. B. durch Drehen oder Fräsen. Formative Verfahren formen ein gegebenes Volumen in die gewünschte Geometrie um. Randbedingung ist die Volumenkonstanz. Beispiele sind das Schmieden oder das Tiefziehen. Additive Fertigungsverfahren schaffen die gewünschte Geometrie durch Aneinanderfügen von Volumenelementen. Diese Vorgehensweise wurde in der jüngeren Vergangenheit mit dem Begriff Generative Fertigungsverfahren gekennzeichnet. Man nennt sie Schichtbauverfahren, wenn die Geometrie aus einzelnen Schichten zusammengesetzt wird. Das Schichtbauprinzip beruht darauf, dass alle Körper (zumindest gedanklich) in Scheiben geschnitten und somit auch aus diesen Schnitten aufgebaut werden können. Dies verdeutlicht das auf Bild 1.1 dargestellte, sogenannte Sculpture-Puzzle: Eine Skulptur muss aus mehr als 100 jeweils circa 1,5 mm dicken horizontalen

27 2 1 Einordnung und Begriffsbestimmung Bild 1.1 Schichtbauprinzip am Beispiel eines Sculpture-Puzzles Quelle: HASBRO/MB Puzzle Scheiben zusammengefügt werden. Das geschieht, indem die Schichten in der richtigen Reihenfolge (das ist die eigentliche Puzzle-Aufgabe) auf einer vertikalen Säule angeordnet werden. Additive Fertigungsverfahren automatisieren das Schichtbauprinzip. Sie erzeugen die Einzelschichten und fügen sie Schicht für Schicht in der richtigen Reihenfolge aneinander. Beide Teilprozesse laufen computergesteuert ab und benötigen dazu lediglich die 3D-Computerdaten des Bauteils. Additive Fertigungsverfahren sind demnach dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Geometrie, sondern simultan auch die Stoffeigenschaften während des Herstellprozesses entstehen. 1.2 Systematik der Additiven Fertigungsverfahren Im Folgenden werden die Begriffe erläutert, die im Kontext der Additiven Fertigungsverfahren gebräuchlich sind. Die mit diesen Begriffen verbundenen Eigenschaften sowie ihre Wechselwirkungen im Sinne einer Hierarchie werden dargestellt. Verwendet werden die heute akzeptierten generischen Bezeichnungen. Alternativ gebrauchte Bezeichnungen werden diesen gegenübergestellt. Davon abzugrenzen sind Produktnamen und Herstellerbezeichnungen, die in der Praxis oft mit den generischen Namen vermischt werden. Das führt häufig zu Verwirrungen. Die Produktnamen und Herstellerbezeichnungen werden in Kapitel 3 Additive Ferti-

28 1.2 Systematik der Additiven Fertigungsverfahren 3 gungsverfahren für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing gemeinsam mit den Maschinen aufgeführt und den generischen Bezeichnungen zugeordnet Begriffsbestimmungen Als Additive Fertigungsverfahren werden alle Fertigungsverfahren bezeichnet, die Bauteile durch Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen (Voxeln), vorzugsweise schichtweise, automatisiert herstellen. Additive Manufacturing ist das englische Pendant zum deutschen Begriff Additive Fertigungsverfahren. Beide Bezeichnungen sind genormt; in Deutschland in der VDI Richtlinie VDI 3405) [VDI 3405] und in den USA durch die gemeinsamen ISO/ASTM Standards [ISO/ASTM 52900:2015]. 3D Printing, im Deutschen 3D-Drucken, verdrängt zurzeit alle anderen Bezeichnungen. Das liegt vor allem daran, dass dieser Begriff sehr einfach zu vermitteln ist. Jeder, der ein Textprogramm (einen Word-Prozessor) bedienen und das Ergebnis mithilfe eines 2D-Druckers als Brief ausdrucken kann, versteht unmittelbar, dass mithilfe eines Konstruktionsprogramms (eines Part Prozessors) und eines 3D-Druckers ein dreidimensionales physisches Bauteil entstehen kann. Es zeichnet sich heute schon ab, dass, ungeachtet gültiger Normen, der Begriff 3D- Drucken in wenigen Jahren als generische Bezeichnung für alle automatisierten Schichtbauverfahren und die Bezeichnung 3D-Drucker oder 3D Printer weltweit akzeptiert sein werden. 3D-Drucken und 3D Printing als generischer Begriff ist nicht mit dem gleichnamigen Pulver-Binder-Verfahren (Abschnitt 3.6 Three Dimensional Printing (3DP) ) zu verwechseln Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren Die Additiven Fertigungsverfahren weisen vor allem aufgrund des Schichtbauprinzips besondere Eigenschaften auf: Die Generierung der Schichtgeometrie erfolgt direkt aus den 3D-CAD-Daten. Es ist kein Einsatz produktspezifischer Werkzeuge notwendig. Die Erzeugung der mechanisch-technologischen Eigenschaften (Materialeigenschaften) geschieht während des Bauprozesses. Die Bauteile können grundsätzlich in jeder beliebigen Orientierung gebaut werden (Entfall der Spannproblematik).

29 4 1 Einordnung und Begriffsbestimmung Alle heute auf dem Markt befindlichen Maschinen können mit dem gleichen (STL)- Datensatz angesteuert werden. Additive Fertigungsverfahren gewährleisten damit die direkte Umsetzung der 3D-CAD-Daten (des virtuellen Bauteils) in ein physisches Bauteil. Aus dem gleichen Datensatz können durch Skalieren Bauteile von unterschiedlicher Größe und aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Die Türme eines Schachspiels, Bild 1.2, wurden auf der Basis des gleichen Datensatzes auf unterschiedlichen Maschinen gebaut. Die Materialien reichen von Formsand über Stärkepulver, Acrylate und Epoxidharze bis zu Metall. Eines der größten additiv gefertigten Bauteile ist ein circa 2,5 m hoher Turm aus Formsand. In Bild 1.3 ist er im Größenvergleich zum Voxeljet-Geschäftsführer und Technologieentwickler Ingo Ederer abgebildet. Im Kontrast dazu zeigt Bild 1.4 einen circa 5 mm hohen Turm, wie er durch das Mikro-Lasersintern entsteht. Mit additiven Verfahren können Geometrien gefertigt werden, die mit subtraktiven oder formativen Verfahren nicht oder nur bedingt herstellbar sind. Der Turm enthält eine interne Wendeltreppe mit einer zentralen doppelten Wendel. Das Detail ist, wie in Bild 1.5 zu sehen, offensichtlich nur additiv herzustellen. Ein anderes Beispiel für Geometrien, die nur generativ herstellbar sind, zeigt Bild 2.5. Bild 1.2 Additive Fertigung. Aus dem gleichen Datensatz abgeleitete, aber mit unterschiedlichen Verfahren hergestellte Türme. Große Türme (von links): Formsand (3D Printing, ExOne) Stärkepulver (3D Printing, 3D Systems). Höhe etwa 20 cm. Kleine Türme (von links): PMMA (3D-Drucksystem, Voxeljet), Metall (Lasersintern, EOS), Acrylat, transparent (Stereolithographie, EnvisionTEC). Höhe etwa 3 cm) Quellen: Hersteller

30 1.2 Systematik der Additiven Fertigungsverfahren 5 Bild 1.3 Turm aus Formsand, Höhe circa 2,5 m, 3D-Drucken von Formsand Quelle: voxeljet Bild 1.4 Schachspiel aus Metall mit Türmen, Höhe circa 5 mm, Mikro-Lasersintern Quelle: 3D Micromac/EOS Bild 1.5 Internes Detail eines Turmes aus Formsand (wie Bild 1.2 hinten links) Quelle: 3D Systems