Erfahrungen beim dreidimensionalen Drucken im Büro mittels ThermoJet

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1 Erfahrungen beim dreidimensionalen Drucken im Büro mittels ThermoJet Dipl.-Ing. Jens Hoffmann 1 Vorbemerkungen Seit vielen Jahren besteht der Wunsch der Konstrukteure nach einem kurzfristig verfügbaren dreidimensionalen Muster des von ihm erstellten Entwurfs. Ideal ist der Einsatz eines "Gerätes", welches direkt als Drucker für räumliche Objekte im Büro eingesetzt werden kann. Die Nutzung sollte kaum mehr Aufwand mit sich bringen als bekannte Plotter und Drucker in Netzwerken. Außerdem sollten die dafür erforderlichen Investitionen in einem überschaubaren Rahmen bleiben. Ansätze für die Fertigung von Modellen, Mustern und Prototypen direkt auf der Basis rechnerinterner Datensätze bilden die Verfahren des Rapid Prototyping. Auf Grund verschiedener Ursachen waren diese Systeme bisher aber nur bei Dienstleistern sowie in speziellen Bereichen großer Unternehmen zu finden. 2 Verfahren für das Concept Modelling Trotz der sich immer entwickelnden Verfahren des Digital Mock up und der Virtual Reality besteht auch der Bedarf an jederzeit verfügbaren kostengünstigen Modellen zur Überprüfung der Entwürfe bevor das Rapid Prototyping zum Tragen kommt. Entwicklungsbeginn Idee Virtual Reality Digitalisieren / Reverse Engineering Rapid Prototyping Concept Modelling CAD Rapid Tooling Bauteilkonstruktion Werkzeugfertigung Vorserienfertigung Werkzeugkonstruktion Entwicklungszeit Serienanlauf Bild 1: Zeitliche Einordnung der Elemente der Produktentwicklung Die Herstellung von Mustern in einem sehr frühzeitigen Entwicklungsstadium, auch als Concept Modelling (Bild 1) bezeichnet, wurde durch einige in den letzten Jahren neu entwickelte Verfahren möglich. Dazu zählen das Multi Jet Modelling von 3D Systems und das 3D Printing der Z corporation. Speziell diese beiden Systeme eignen sich sehr gut zum Einsatz innerhalb des Konstruktionsbüros. An der TU Dresden befindet sich seit Ende 1999 ein ThermoJet im Einsatz. Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 1

2 3 Multi Jet Modelling Das Multi Jet Modelling (MJM) wurde durch die Firma 3D Systems entwickelt und im System ThermoJet zur Marktreife gebracht. Es ermöglicht die Herstellung von Teilen nach einer Technologie, die dem bekannten Tintenstrahldrucken entlehnt ist (Bild 2). Baurichtung der Werkstücke Materialzufuhr durch 352 Düsen Arbeitsrichtung des Druckkopfes geschmolzenes Thermoplast schichtweise gefertigtes Werkstück Bild 2: Grundprinzip des MJM Hierbei wird ein schmelzfähiger Kunststoff definiert durch einzeln gesteuerte Düsen schichtweise aufgetragen. Diese ermöglichen eine Auflösung von ca. 300 dpi. Die für die Herstellung der Teile erforderlichen Informationen werden über die bekannte STL-Schnittstelle bereitgestellt. Die weitere Aufbereitung der Daten erfolgt bei nur sehr geringen Einflussmöglichkeiten des Bedieners ebenso wie die Generierung der erforderlichen Stützstruktur automatisch. 4 Vor und Nachteile der Verfahren Hauptvorteil ist die sehr einfache Bedienung der Systeme sowie ihre geringe Umweltbelastung durch verschiedenste Emissionen. So ist der Einsatz der Systeme direkt im Büro quasi als Drucker für dreidimensionale Objekte möglich. Die Systeme können mit der entsprechenden Hard- und Software in ein vorhandenes lokales Netzwerk integriert werden. Der Hauptnachteil ist die geringe Materialvielfalt mit den damit verbundenen begrenzten Materialeigenschaften. Durch den Bedarf an schmelzbaren Kunststoffen ist jedoch die Breite der verwendbaren Materialien auf bestimmte Harze begrenzt. Diese Materialien ermöglichen im Rahmen des Einsatzes bei der Herstellung von medizinischen Modellen über die Beurteilung der Anatomie (Modelloperationen) hinaus auch den Einsatz der Teile als verlorenes Modell im Rahmen des Feingusses für die Herstellung von Implantaten. Die mechanische Belastbarkeit der erzeugten Teile ist sehr gering, so dass der Einsatz weitgehend auf Konzept- und Anschauungsmodelle beschränkt ist. Die Fertigungsgenauigkeit ist beim ThermoJet hoch. Sie bewegt sich nach Herstellerangaben im Bereich von 1 / 10 mm. Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 2

3 Ein weitere Vorteile des ThermoJet-Systems sind die erforderlichen geringen Investitionen bei der Anschaffung und Aufstellung des Systems sowie die daraus resultierenden niedrigen Maschinenkosten bei der Fertigung der Modelle. Weiterhin ist der Schulungsaufwand zur Bedienung des Systems sowie der damit in Verbindung stehenden Software minimal. Die Materialkosten sind speziell beim ThermoJet derzeit noch identisch mit denen der Stereolithographie. Einen Nachteil des Einsatzes des MJM stellt die benötigte Supportstruktur dar. Diese muss manuell entfernt werden. Besonders bei sehr filigranen Strukturen kommt es dabei sehr schnell zu Beschädigungen des Modells. Weiterhin ist eine physische Darstellung von inneren nur begrenzt möglich. Einerseits sind diese Hohlräume auf Grund der Farbe des verwendeten Modellwerkstoffes nicht sichtbar und andererseits werden sie zur Fixierung der Materialtropfen während des Bauprozesses mit Supportstruktur gefüllt. Diese muss bei einem Öffnen des Modells ebenfalls entfernt werden. Vorteilhaft speziell gegenüber der Stereolithographie ist die Reduzierung der erforderlichen Nacharbeit auf das Entfernen der genannten Stützgeometrie. Weitere Arbeitsschritte wie das Entfernen der Polymerreste oder das Nachhärten der Modelle unter UV-Licht sind bei der MJM-Technologie nicht erforderlich. Dies senkt die Fertigungskosten weiter. Die hier gemachten Ausführungen beziehen sich auf den Werkstoff ThermoJet 88, der bisher auf den Anlagen verwendet wurde. Welche Verbesserungen sich durch das Material mit der Bezeichnung ThermoJet 2000 ergeben werden, welches sich in der Einführungsphase befindet; bleibt abzuwarten. 5 Anwendungsbeispiele Im Rahmen der Nutzung des ThermoJet wurden verschiedene Arten von Mustern gefertigt. Diese beschränken sich nicht nur auf konstruktive Modelle sondern zum Beispiel auch auf die Medizin und die Darstellung von Geländereliefs. Einige dieser Applikationen sollen hier kurz exemplarisch vorgestellt werden. Vielleicht bringen sie potentiellen Anwendern neue Anregungen. Bild 3: Beispielteil "Dosenöffner" mit Bauplattform und Stützgeometrie In Bild 3 ist das Beispielteil "Dosenöffner" des ZPP Zentrums für Produkt- und Prozessinnovation 12 gemeinsam mit einem Prüfteil dargestellt. Die Anordnung der Teile 1 Förderprojekt der Sächsischen Aufbaubank GmbH Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 3

4 wurde mit Hilfe der entsprechenden zum Lieferumfang gehörenden Software optimiert. Das Prüfteil wurde nach der Fertigung gemessen. Dabei konnte die vom Systemhersteller angegebene erreichbare Fertigungsgenauigkeit erreicht werden. Bild 4: Turbinenschaufel in verschiedenen Baulagen Für die Fertigung der Teile sind verschiedene Baulagen möglich, wie beispielhaft für eine Turbinenschaufel, einem sehr dünnwandigen Teil, gezeigt wird (Bild 4). Der Bediener kann im Rahmen der Vorbereitung des Herstellungsprozesses in der vom Systemhersteller mitgelieferten Software die Z-Richtung festlegen. Für die Anordnung auf der Bauplattform (in der X-Y-Ebene) kann eine Automatikfunktion genutzt werden, die die Platzierung der Teile optimiert. Die gewählte Z-Richtung bleibt unverändert. Die Ausdehnung dieser Dimension der Teile bestimmt zu einem sehr wesentlichen Teil die erforderliche Bauzeit. Die für die jeweilige Baulage erforderliche Stützstruktur wird durch die Steuerungssoftware des ThermoJet automatisch generiert. Problematisch an diesem teil ist die geringe Belastbarkeit des Materials, die auf Grund der geringen Wandstärke zu einer sehr hohen Bruchgefahr führt. Dies ist beim Einsatz des Musters zu beachten. Funktionsprüfungen direkt am Modell sind damit weitgehend ausgeschlossen. Bild 5: Freiformflächenteil mit Support und im gefinishten Zustand Dieses Teil (Bild 5), die Reproduktion eines Geigenbodens, diente der Kontrolle eines dreidimensionalen Datensatzes der Oberfläche, der mit des Digitalisierens gewonnen 2 Erreichbar über die Adresse im Internet Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 4

5 wurde 3. An Hand des Modells konnten kritische bzw. fehlerhafte Bereiche des Datensatzes erkannt werden, die aus der verwendeten Scantechnologie sowie der sich anschließenden Flächenrückführung resultieren. Diese Problemstellen sind am Bildschirm nur sehr eingeschränkt erkennbar. Bild 6: Sächsisches Wappen Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist das Sächsische Staatswappen (Bild 6), welches Ursprünglich mittels Stereolithographie in einem größeren Maßstab als Vorlage für den Sandguss gefertigt wurde. Günstig für die Fertigung dieses Modells mittels ThermoJet ist die Anordnung der Formelemente auf einer Seite des Teiles. Hierdurch kann die gegenüberliegende Seite als Basisfläche für die Herstellung genutzt werden. Sie bildet damit den Übergang von Stützstruktur zum Teil. Eine etwas schlechtere Oberflächenqualität dieser Fläche gegenüber der Sichtseite ist in diesem Fall akzeptabel. Sehr gut ist die Wiedergabe auch kleinerer Konturen wie den Spalten an den Übergängen der Formelemente, die zum Teil eine Breite von unter einem Millimeter haben. Um ein ähnliches Beispiel handelt es bei dem Geländerelief (Bild 7). Hier befinden sich ebenfalls alle relevanten Konturen auf der Oberseite des Modells. Die Wiedergabequalität der Oberfläche des Geländeausschnittes wird durch die geringe Schichtstärke des Systems begünstigt. So können auch geringe Höhenunterschiede gut dargestellt werden. Die entstehenden Schichtkonturen ergeben dabei am Modell interessante Höhenlinien. Bild 7: Geländerelief (links Datensatz, rechts ThermoJet-Teil) 3 Diese Arbeiten fanden im Rahmen des AiF-Projektes "Leitfaden mit prototypischer Erprobung einer Reverse Engineering - CAM-Prozesskette für den Kunst- und Kulturbereich" statt Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 5

6 Ein weiterer interessanter Anwendungsfall für das MJM ist analog zum Beispiel zur Stereolithographie die Herstellung medizinischer Modelle (Bild 8). Die Ausgangsbasis bilden mittels Computer- oder Kernspintomographie erzeugte Datensätze der Patienten. Diese werden mit Hilfe spezieller Software aufbereitet und ebenfalls über die STL-Schnittstelle dem ThermoJet zur Verfügung gestellt. Gegenüber anderen Technologien besteht eine wesentlicher Vorteil in der Verringerung der Kosten bei der Modellfertigung im Ergebnis der geringeren Stundensätze der Anlage. Wirbelsäule Gesamtansicht des fertigen Modells Schädelteilmodell (Zwischenschicht) Lage der dargestellten Schicht Support (Stützkonstruktion) Unterkiefer Oberkiefer Bild 8: Bauplattform Modell während des Bauprozesses Schlecht bzw. unmöglich ist die Fertigung von Hohlräumen und Kanälen innerhalb der Knochen. Diese werden durch Stützstrukturen ausgefüllt und sind außerdem in Folge der Färbung des Materials von außen nicht sichtbar. Bei der Abbildung ist auch die hohe Dichte der für den Bauprozess erforderlichen Stützstruktur zu erkennen. Sie stellt einen nicht zu vernachlässigenden Teil der Kosten dar, da zur Zeit dieses Material nicht wiederverwendet werden kann und damit Abfall ist. Über ein Recycling solcher Abfälle, die in erheblichen Umfang anfallen, sollte in Zukunft nachgedacht werden. Hier besteht eine Möglichkeit zur weiteren Reduzierung der Kosten. 6 Zusammenfassung und Ausblick Die im System ThermoJet der Firma 3D Systems realisierte Technologie des Multi Jet Modelling ist eine interessante Ergänzung zu den bereits seit einigen Jahren bekannten Verfahren des Rapid Prototyping. Damit besteht in Verbindung mit einer anwenderfreundlichen Gestaltung der erforderlichen Software die Möglichkeit, die Fertigung von Mustern und Modellen in das Konstruktionsbüro hinein zu bringen. Auf Grund der derzeitigen Materialeigenschaften handelt es sich um eine Ergänzung der bekannten Verfahren wie zum Beispiel LOM, Stereolithographie oder Lasersintern. Die mittels MJM hergestellten Teile sind bisher noch nicht in dem Umfang einsetzbar wie die bekannten Prototypen. Hier ist speziell auf dem Materialsektor noch erheblicher Entwicklungsaufwand von Nöten. Die erreichbaren Fertigungsgenauigkeiten und Oberflächengüten (mit Ausnahme derer der Kontaktflächen zur Stützstruktur) sind für den Bereich des Einsatzes als Muster und Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 6

7 Modelle ausreichend. Probleme bereitet derzeit noch das Entfernen der Stützstrukturen sowie das Finish der entsprechenden Oberflächen. Die zum ThermoJet gehörende Software entbindet den Nutzer weitgehend von den Routineaufgaben wie Positionierung der Teile und Erzeugung der Stützstrukturen. Dies ist für gelegentliche Nutzer sehr günstig, aber gleichzeitig werden die Chancen für eine eigenständige Optimierung des Bauprozesses durch den Bediener durch eine Anpassung bestimmter Parameter stark reduziert. Hier sollten sicherlich in Zukunft Optionen geschaffen werden, die speziell dem erfahrenen Nutzer mehr Spielraum in der Gestaltung des Fertigungsprozesses geben. Für die Integration des Systems als 3D- Druckserver in ein vorhandenes Netzwerk, wie es derzeit von Seiten 3D Systems angestrebt wird, ist die aktuelle Gestaltung des Nutzerinterfaces jedoch gut geeignet. Insgesamt stellt das System ThermoJet eine interessante Ergänzung der bisher in Konstruktionsbüros vorhandenen Hardware dar. Die Beseitigung einzelner vorhandener Schwächen speziell im Materialsektor ist sicherlich nur eine Frage der Zeit. Damit bildet das Concept Modelling, speziell in Form des Multi Jet Modelling, einen Beitrag zur weiteren Reduzierung der Entwicklungszeit und -kosten, speziell in Form der noch frühzeitigeren Entscheidungsfindung und Fehlererkennung im Konstruktionsprozess. Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 7

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