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1 Design Guidelines for Rapid Prototyping Konstruktionsrichtlinie für ein fertigungsgerechtes Gestalten anhand des used Deposition Modeling mit Dimension SST 768 Labor für Strukturmechanik und Konstruktion Bereich Rapid Prototyping Inhalt: 1. Ausgangssituation Seite 1 2. Kurzübersicht Seite Gesamtübersicht Seite Anhang Seite Erschienen im August 2008 Alle Rechte Vorbehalten/All Rights reserved Hochschule Bremen, Bremen 2008

2 Inhalt: Ausgangssituation Blatt-Nr: 1/19 Die folgenden Konstruktionsrichtlinien wurden anhand eines Generativen ertigungsverfahrens der irma Stratasys entwickelt. Hierbei handelt es sich um ein Extrusionsverfahren, das auf dem von der irma entwickelten used Deposition Modeling basiert. Es wird intern auch als 3D-Printing bezeichnet und unter dem Label Dimension vermarktet. Verwendet wurde der 3D-Printer Dimension SST 768. Das Prinzip der Anlage besteht darin, dass ein in Drahtform vorliegender ABS-Kunststoff in einer Düse geschmolzen und schichtweise aufgetragen wird. Mit einem in der horizontalen -Ebene beweglichen Druckkopf wird die erste Schicht des geschmolzenen Materials auf die Grundplatte aufgetragen. Nachdem die erste Lage fertiggestellt ist, wird der Werkstückträger um eine Schichtdicke abgesenkt (-Richtung) und die nächste Materiallage aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das vollständige Werkstück generiert wurde.!!!!! Genauigkeit: Der relativ große Materialquerschnitt limitiert den erzielbaren Detaillierungsgrad der Modelle. ur (Vor-)Auswahl stehen als 0,254 mm und 0,3302 mm zur Verfügung. In der -Ebene beträgt die einzelne Spurbreite 0,5 mm. Daher liegt die erzielbare Genauigkeit in -Richtung im Bereich von ± 1 Schichtdicke und in der -Ebene im Bereich von ± 0,3 mm. Unterhalb der Spurbreite und Schichtdicke ist keine Auflösung möglich! Der maximale Bauraum beträgt 203 mm x 203 mm x 305 mm. Oberfläche: Dadurch, dass die Schichtdicke deutlich geringer als die Spurbreite ist, lassen sich im 90 - Winkel zur -Ebene mit die besten Oberflächen erzielen. In der -Ebene werden Konturen sauber durch eine Materialspur hergestellt. Durch das Schichtbauverfahren werden Konturen, die in einem Winkel zur -Ebene generiert werden, stufig hergestellt. Überhänge, die in einem Winkel 44,4 zur - Ebene hergestellt werden sollen, müssen abgestützt werden. Die erforderlichen en werden durch die Software automatisch berechnet und generiert. Baumodus: Die Bauteile können auf zwei verschiedene Arten generiert werden, im Modus oder Sparse. Im Modus wird das Bauteil im Innenbereich vollständig mit Material gefüllt. Im Modus Sparse wird das Bauteil im Innenbereich mit einer kreuzförmigen Wabenstruktur gefüllt. Die Belastbarkeit der Bauteil, die mit Sparse hergestellt werden, ist deutlich geringer gegenüber der Variante im Modus. Da die meisten Modelle keiner größeren Belastung ausgesetzt sind, stellt dies die bevorzugte Variante dar. Sie bringt deutliche Gewichts-, eit- und Kostenvorteile. Orientierung: Die Orientierung des zu fertigenden Bauteiles im Bauraum des Prototypers ist somit neben der fertigungsgerechten Gestalt maßgeblich verantwortlich für die Qualität bzw. die Eigenschaften der Bauteile. Um wiederholte Rücksprachen mit dem Auftraggeber zu vermeiden, ist es daher nicht nur sinnvoll, allgemeingültige konstruktive Gestaltrichtlinien zu entwerfen, sondern auch speziell auf die mögliche Orientierung im Bauraum zugeschnittene. Anhand dieser Kriterien ist eine optimale Nutzung des Prototypers möglich. Aus diesem Grund wird nicht nur einfach zwischen fertigungsgerecht/nicht fertigungsgerecht sondern zwischen günstig/ungünstig unterschieden. ur Unterstützung wird bei orientierungsabhängigen Merkmalen das Koordinatensystem des Prototypers dargestellt! Einschränkungen: Die größten Einschränkungen treten bei sehr filigranen Strukturen hinsichtlich der äußeren Abmessungen (Wandstärke, Höhe, Breite) auf. Durch die permanenten Richtungswechsel des Druckkopfes kommt es zu leichten Maschinenbewegungen, die sich bis auf das zu generierende Bauteil übertragen. Größere, sehr schlanke Bauteile geraten leichter in Schwingung. Dadurch kann die Oberflächenqualität beeinträchtigt werden bzw. es kann zum Prozessabbruch kommen. Durch eine Veränderung der Orientierung im Bauraum zusätzliches Stützmaterial wird generiert können selbst schwingungsgefährdete Bauteile problemlos generiert werden. Durch die Veränderung der Orientierung können sich die Bauzeit und die anfallenden Kosten drastisch erhöhen.

3 Inhalt: Kurzübersicht Blatt-Nr: 2/19 1 unktionsfähigkeit STL-Auflösung so hoch wie nötig und so gering wie möglich wählen. Gilt besonders für nicht ebene Konturen, die bei einer zu geringen Auflösung nur ungenügend abgebildet werden. Anstreben, Bauteile so zu orientieren, dass die Belastungsrichtung in der ertigungsebene liegt. Die estigkeit in Schichtebene ist höher als dazwischen. Anhang lächen Anweisung an den Hersteller, dass im Modus gefertigt werden muss, wenn nachträglich Bearbeitungen in orm von Bohrungen oder Durchbrüchen vorgesehen sind. Der Kernbereich im Modus Sparse ist zu instabil. Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Qualität senkrecht oder parallel zur ertigungsebene anordnen. Sparse R 18 µm R 32 µm R 13 µm R 18 µm Anhang 2 R 13 µm R 18 µm

4 Inhalt: Kurzübersicht Blatt-Nr: 3/19 3 Bauteilstärken Wandstärken < 1,5 mm sind ungünstig und zu vermeiden. Dies gilt für jede Kontur und Orientierung. Spalt < 1,5 mm Ist: 0,5 mm 0,5 mm Ist: 1,5 mm 1,5 mm 4 Bodenstärken < 1 mm (gültig für 0,254 mm) sind ungünstig und zu vermeiden. Da nur Schichtvielfache gefertigt werden können, wird auf volle Schichten aufoder abrundet. Bohrungsdurchmesser < 2 mm sind vermeiden, Kontur geht zu stark verloren. Aufbohren ist möglich! < 1 mm Ø < 2 mm Ist: auf volle gerundet DÜNNER BODEN! 1 mm Ø 2 mm Ist: auf volle gerundet STABILER BODEN! 5 ylinderdurchmesser < 2 mm sind vermeiden Ø < 2 mm ylinder Ø 2 mm

5 Blatt-Nr: 4/19 Inhalt: Kurzübersicht 6 Stifte Einzelstrukturen mit einer Kantenlänge < 5 mm x 5 mm sind vermeiden. Es treten ehler in der Spurablage auf. < 5 mm 5 mm deutliche orm- und Maßabweichung 7 Radien < 1 mm sind vermeiden. r < 1 mm r 1 mm Radien 8 Hohlräume Berücksichtigung der ugänglichkeit zu Hohlräumen von mindestens 80 mm², um das Stützmaterial aufzulösen, falls erwünscht. ca. 80 mm² ausreichende Spülwirkung 9 Baugruppen Unabhängig von der Orientierung im Bauraum sind Spaltmaße < 0,3 mm vermeiden. Spalt < 0,3 mm Spalt 0,3 mm

6 Inhalt: Kurzübersicht Blatt-Nr: 5/19 10 Bauraumgrenze erlegen der Bauteile in mehrere Bauteile bei einer Überschreitung des nutzbaren Bauraums. nicht möglich! Bauraumgrenze Bauraumgrenze

7 Blatt-Nr: 6/ STL-Auflösung so hoch wie nötig und so gering wie möglich wählen. Gilt besonders für nicht ebene Konturen, die bei einer zu geringen Auflösung nur ungenügend abgebildet werden Anstreben, Bauteile so zu orientieren, dass die Belastungsrichtung in der ertigungsebene liegt. Die estigkeit in Schichtebene ist höher als dazwischen. Anhang 1.1 Anweisung an den Hersteller, dass im Modus gefertigt werden muss, wenn nachträglich Bearbeitungen in orm von Bohrungen oder Durchbrüchen vorgesehen sind. Der Kernbereich im Modus Sparse ist zu instabil. Vermeidung des Modus Sparse für belastete Bauteile. estigkeit vom Modus Sparse gegenüber deutlich geringer Sparse Sparse Anhang 1.1

8 Blatt-Nr: 7/ Ausnutzung der Tatsache, dass erst ab einer bestimmten Wandstärke ein Unterschied zwischen den Baumodi und Sparse eintritt. Baumodus Durchbruch Baumodus Sparse Durchbruch 1.6 Anhang 1.2 Vermeidung von sehr großen Materialanhäufungen im Modus zur Verringerung der Eigenspannungen Sparse 1.7 Reduzierung von Kerbspannungen durch Vermeidung scharfer Kanten Ablösung von der Bauplattform 1.8 Abrunden aller Innen- und Außenkanten, die senkrecht zur ertigungsebene gefertigt werden mit r = 1mm keine saubere Spurablage in rechtwinkligen Ecken r = 1 mm

9 Blatt-Nr: 8/ Metrische ISO- Gewinde sind wegen der Kerbwirkung am Gewindegrund vermeiden. Stattdessen Rundgewinde anstreben Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Qualitäten senkrecht oder parallel zur ertigungsebene anordnen. Anhang 2 Vermeidung von leicht geneigten lächen zur Bauebene, anstreben von leicht geneigten lächen zur ertigungsrichtung. Anhang 2 R a 18 µm R a 32 µm R a 13 µm R a 18 µm R a 13 µm R a 18 µm R a 32 µm R a 18 µm 2.3 ür Oberflächen (unktions- oder auch Sichtflächen), die zu deren Glättung nachbehandelt werden sollen, ist ein entsprechender Materialabtrag oder Materialauftrag zu berücksichtigen. Kontur nach Materialabtrag auftrag Bauteilmaße nach Generierung Kontur nach Materialabtrag auftrag ugabe Einsparung Bauteilmaße nach Generierung

10 Blatt-Nr: 9/ Wandstärken < 1,5 mm sind ungünstig und zu vermeiden. Dies gilt für jede Kontur und Orientierung. < 1,5 mm 1,5 mm Spalt Ist: 0,5 mm 0,5 mm Ist: 1,5 mm 3.2 Genau senkrecht zur ertigungsebene sind Wandstärken von genau 1 mm möglich. theoretisch Spurüberlappung < 1 mm 1 mm Ist: 1 mm (2 x 0,5 mm) Ist: 1 mm (2 x 0,5 mm) 3.3 Wandlängen < 5 mm bei Einzelstrukturen sind ungünstig und zu vermeiden. Es treten ehler in der Spurablage auf. 1 mm < 5 mm 5 mm 1 mm deutliche orm- und Maßabweichung 3.4 Schwingungsgefährdende Gestaltzonen (Schwingungen durch Maschinenbewegung induziert) sind zu vermeiden bzw. bzw. konstruktiv zu berücksichtigen. dünne Wand Überhang erzwingt

11 Blatt-Nr: 10/ Schwingungsgefährdete Bauteile um zwei Achsen neigen, um durch Stützeinsatz eine Reduzierung der Schwingungen zu erreichen. dünne Wand 45,6 Neigung erzwingt 3.6 Anstreben von Schichtvielfachen bei Abmessungen in ertigungsrichtung. Anpassung an Schichtvielfache, dadurch Maßabweichung Höchste Genauigkeit bei Schichtvielfachen Bodenstärken < 1 mm (gültig für 0,254 mm) sind ungünstig und zu vermeiden. Da nur Schichtvielfache gefertigt werden können, wird aufoder abgerundet. ür Bodenstärken 0,5 mm (gültig für 0,254 mm) ist eine zwingende Kontrolle der Schichtdaten notwendig. Es werden nur Schichtvielfache gefertigt. < 1 mm 0,5 mm Ist: auf volle gerundet DÜNNER BODEN! Ist: BODEN WIRD NICHT GEERTIGT! 1 mm > 0,5 mm Ist: auf volle gerundet STABILER BODEN! Ist: auf volle gerundet DÜNNER BODEN!

12 Blatt-Nr: 11/ Bohrungsdurchmesser < 2 mm sind vermeiden, Kontur geht zu stark verloren. Aufbohren ist möglich! Ø < 2 mm Ø 2 mm 4.2 Genau senkrecht zur ertigungsebene sind Bohrungsdurchmesser von 1 mm möglich. Ø < 1 mm Spurbreite 0,5 mm Ø 1 mm Spurbreite 0,5 mm 4.3 Bezüglich Toleranz und Oberfläche anspruchsvolle Bohrungen sollten nachträglich gebohrt werden. Dabei ist es hilfreich, das entrum der Bohrung vorzubereiten Verschmelzung im entrum Materialspur Bohrungsumrundung Maß- und ormabweichungen Materialspur Bohrungsumrundung entrum der späteren Bohrung 4.4 ur ertigungsebene geneigte Bohrungen sind wegen der Stufenbildung zu vermeiden. Optimal sind Bohrungen senkrecht zur ertigungsebene. R a µm R a 18 µm Anhang 2

13 Blatt-Nr: 12/19 Gliederung Erklärung/Regel Ungünstig Günstig ylinderdurchmesser < 2 mm sind vermeiden. Ø < 2 mm Ø 2 mm 5.2 Kleine ylinder mit einem Ø 3mm und einem Verhältnis Höhe/läche > 1,5 ohne Bauteilanbindung sind zu vermeiden. Ablösung der ylinder von der Bauplatte durch Maschinenschwingungen H/ = 2,5 4,5 H/ = 2,5 4,5 5.3 ur ertigungsebene geneigte ylinder sind wegen Stufenbildung zu vermeiden. R a µm R a 18 µm Anhang Einzelstrukturen mit einer Kantenlänge < 5 mm x 5 mm sind vermeiden. Es treten ehler in der Spurablage auf. < 5 mm 5 mm deutliche orm- und Maßabweichung

14 Blatt-Nr: 13/ Radien < 1 mm sind vermeiden. r < 1 mm große ormabweichung r 1 mm 7.2 Genau senkrecht zur ertigungsebene sind Radien von 0,5 mm möglich. Darunter treten ehler in der Spurablage auf. r < 0,5 mm große ormabweichung r 0,5 mm 7.3 ur ertigungsebene geneigte Radien sind wegen Stufenbildung vermeiden. Optimal sind Radien senkrecht zur ertigungsebene Berücksichtigung der ugänglichkeit zu Hohlräumen von mindestens 80 mm² um das Stützmaterial aufzulösen, falls erwünscht. ca. 80 mm² ausreichende Spülwirkung

15 Blatt-Nr: 14/ Anstreben geteilter Modelle, um innen liegende Hohlräume zu umgehen und die Bauzeit zu verkürzen. Keine notwendig 8.3 Vermeiden von Überhängen bei der Konstruktion von ügeflächen (ugänglichkeit zum Hohlraum), um einen ertigungsschritt einzusparen Anstreben von Konturen bei notwendigen Überhängen, die keine erfordern Unabhängig von der Orientierung im Bauraum sind Spaltmaße < 0,3 mm vermeiden. Spalt < 0,3 mm Spalt 0,3 mm

16 Blatt-Nr: 15/ Speziell für vertikale Abstände können nebenstehende Spaltmaße verwendet werden. umlaufender Spalt: 0,15 mm 0,15 mm 0,1 mm umlaufender Spalt: 0,2 mm 0,2 mm 0,2 mm 9.3 Speziell für lächen mit einem Winkel 45,6 aus der ertigungsrichtung heraus geneigt kann das Spaltmaß nach nebenstehender ormel berechnet werden. Teilweise schlechte Qualität von an en angrenzenden Oberflächen bei z. B. Gleitflächen berücksichtigen 45,6 [ ] = Winkel zwischen -Achse und Bauteilkante Gültig von = 45,6 bis 13,5 (0,3 mm) Spalt = sin(90 - (90 - ) * 1,28 mm Speziell für lächen mit einem Winkel < 45,6 aus der ertigungsrichtung heraus geneigt können nebenstehende Spaltmaße verwendet werden. erlegen der Bauteile in mehrere Bauteile bei einer Überschreitung des nutzbaren Bauraums < 45,6 nicht möglich! Spalt: 0,15 mm 0,15 mm < 45,6 Spalt: 0,2 mm 0,2 mm Bauraumgrenze Bauraumgrenze

17 Blatt-Nr: 16/ Skalieren der Bauteile bei einer Überschreitung der Bauraumgrenzen. nicht möglich! Bauraumgrenze Bauraumgrenze

18 Inhalt: Anhang estigkeit Blatt-Nr: 17/19 ugprobe 150 mm x 20 mm x 8 mm ugprobe liegend Kraft Schichtaufbau Kraft Schichtaufbau ugprobe stehend ugprobe aufrecht Kraft Kraft Schichtaufbau Kraft Kraft ugprobe Liegend Aufrecht Stehend Liegend Aufrecht Stehend Baumodus Sparse Sparse Sparse ugfestigkeit 20,4 N/mm² 22,4 N/mm² 10,4 N/mm² 7,6 N/mm² 6,6 N/mm² 4,69 N/mm² Quelle: achhochschule Augsburg

19 Inhalt: Anhang Unterschied zwischen und Sparse im Baumodus Sparse Rechteck Gestaltungsrichtlinie Blatt-Nr: 18/19 Wandlänge [mm] Sparse Wandstärke [mm] ylinder Innendurchmesser [mm] Sparse ylinder Außendurchmesser [mm] Innendurchmesser [mm] Sparse Außendurchmesser [mm]

20 Inhalt: Anhang 2 - Rauhtiefen und Mittenrauhwert Blatt-Nr: 19/19 90 bis bis bis 360 erforderlich Rauheit [µm] R z R a Winkel [ ]

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