Rapid Prototyping. Rapid Prototyping Die Rapid Prototyping-Prozesskette a. Neukonstruktion

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1 Inhalt Die -Prozesskette a. Neukonstruktion b. Digitalisieren / Scannen c. STL-Schnittstelle d. -Datenaufbereitung e. -Bauprozess f. Finishbearbeitung und Folgeverfahren Industrielle RP-Verfahren a. Polymerisation b. Laser-Sintern c. Laminate-Verfahren d. Extrusionsverfahren e. 3D-Drucken (3D-printing)

2 Unter dem Begriff werden verschiedene Verfahren zur generierenden (additiven) Herstellung von Prototypen zusammengefasst, im Gegensatz zu abtragenden (subtraktiven) Fertigungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Erodieren u. a. Den -Verfahren ist gemeinsam, dass sie auf der Basis einer 3D- Geometriebeschreibung direkt (ohne NC-Programmierung u. ä.) Prototypen erzeugen können. Dazu wird das 3D-Geometriemodell zumeist über die STL-Schnittstelle an die Rapid Prototyping-Software übergeben, die das geometrische Gebilde in dünne Schichten (Scheiben) zerlegt (SLICE-Prozess). In Verbindung mit diesem Prozess werden maschinenspezifische Schnitt- und Steuerinformationen für die nachfolgende Fertigung an der RP-Anlage generiert. 3D-Modellieren SLICEN FERTIGEN Geometriebeschreibung durch Konstruktion oder Scannen Umwandeln der Teilebeschreibung in dünne Scheiben (Schnitte) Sukzessives Herstellen des Teils aus seinen Scheibchen 3D-Datenmodell Schnittinformationen Fertigteil - 2 -

3 1. Die -Prozesskette a. Neukonstruktion Der Prototyp wird mit Hilfe eines CAD-Systems konstruiert. Die 3D-Konstruktion muss im CAD-System via Schnittstelle (z.b. STL) in ein neutrales Format überführt werden. Alle marktgängigen CAD-Systeme sind dazu in der Lage und können das STL-Format erzeugen. b. Digitalisieren / Scannen Oft liegt ein Objekt physisch ohne CAD-Geometrie vor. Das ist beispielsweise bei der Nachbildung älterer technischer oder kulturhistorischer Gegenstände der Fall. Auch die Modellienmg von medizinischen oder prähistorischen Objekten kann genannt werden. Hier werden die notwendigen geometrischen Informationen durch geeignete Scann- / Digitalisiertechniken gewonnen. Nutzbare Verfahren sind: Messmaschinen, Laserscanner, Optische 3D-Bilderfassung, Röntgenanlagen (im medizinischen und industriellen Bereich), Computertomographie

4 c. STL-Schnittstelle Bei diesem Format wird die gesamte Körperoberfläche des geometrischen Modells durch Dreiecke beschrieben. Ein Maß für die (Un-)Genauigkeiten ist die gewählte Anzahl der Dreiecke, mit der die Randkontur dargestellt wird. Die Formulierung einer Oberfläche im STL-Format setzt eine den Genauigkeitsansprüchen genügende Anzahl von Dreiecken voraus, ein Übermaß lässt die Datenmenge enorm ansteigen. Alternativ zur STL-Schnittstelle sind auch andere Schnittstellen möglich. d. -Datenaufbereitung Unter der RP-Datenaulbereitung werden die Funktionen zusammengefasst, die die Geometrieinformationen aus dem CAD-Prozess (STL-Daten) in ein RP- Maschinensteuerprogramm transformieren. Die dazu verwendete Software wird als Rapid Prototyping-Software bezeichnet - 4 -

5 e. -Bauprozess Im RP-Bauprozess werden die Maschinensteuerdaten an einer RP-Anlage in ein physikalisches Modell umgesetzt. Grundsätzlich erfolgt der Bau in zwei Schritten: 1. Schichtintervallzustellung in z-richtung, 2. Generieren und Verbinden des Schichtquerschnittes in der x-y-ebene. In Abhängigkeit von der Schichtdicke (üblich sind 0,1 mm) entsteht baubedingt ein gestuftes Modell, wenn die Schichten (in z-richtung) nicht genau übereinander liegen (vgl. Bild 8.5). Für das Generieren des Schichtmodells eignen sich unterschiedliche physikalische Prinzipien. Das sind: Abscheiden aus der Gasphase (derzeit noch im Laborstadium, geeignet für das Erzeugen von Modellen im Mikrobereich), Verfestigen von flüssigen Materialien (Polymerisation), Generieren fester Materialien (Ausschneiden von Folien; Aufschmelzen Extrusion; Sintern von Pulvern; Verkleben von Pulvern mit Bindemitteln). f. Finishbearbeitung und Folgeverfahren Unter Finishbearbeitung bzw. Post Processing werden die zumeist manuellen Tätigkeiten zusammengefasst, die unmittelbar dem RP-Bauprozess folgen und das hergestellte Modell in den Endzustand versetzen. Die notwendigen Arbeitsschritte unterscheiden sich sehr stark in Abhängigkeit vom RP-Verfahren und werden deshalb dort genannt. Folgeverfahren schließen sich an, um aus dem finishbearbeiteten RP-Modell ein seriennahes Modell oder eine Modellserie kostengünstig und im gewünschten Zielwerkstoff herzustellen. Das RP-Modell dient dazu als Urmodell. Hauptsächlich werden Abformprozesse für die Zielwerkstoffe Metall und Kunststoff eingesetzt. Auch das indirekte Anfertigen von Werkzeugen wird damit ermöglicht

6 2. Industrielle RP-Verfahren Einteilung der generativen Fertigungsverfahren: Polymerisation Laminate-Verfahren 3D-Drucken Laser-Sintern Extrusionsverfahren a. Polymerisation Ein flüssiges Monomer wird durch Belichtung zu einer begrenzten Polymerisation angeregt und somit partiell verfestigt. Es sind zwei Belichtungsstrategien möglich: Laser-Scanner-Verfahren (Stereolithographie SL) Lampen-Masken-Verfahren (Solid Ground Curing SGC) Laser-Scanner-Verfahren (Stereolithographie SL) Die Schichtzustellung erfolgt bei diesem Verfahren durch Absenken der Bauplattform in einem Behälter mit dem flüssigen Monomer. Das Absenken geschieht unter den Flüssigkeitsspiegel. Für ein vollständiges Benetzen sorgt ein Wischer. Durch einen Laser wird in einer Schicht zunächst die Randkurve konturiert, die Verfestigung der Innenfüllung erreicht man durch geeignete Laserschraffuren. Bei dieser Vorgehensweise wird eine Grünfestigkeit - 6 -

7 erreicht, die eine Nachverfestigung erfordert. Überstehende Bauteilelemente müssen ab einem bestimmten Winkel unterstützt werden (Stützkonstruktion ist notwendig). Lampen-Masken-Verfahren (Solid Ground Curing SGC) Im Gegensatz zum Laser-Scanner-Verfahren erfolgt die Belichtung einer Schicht in der Gesamtheit (Rand und Füllung) mit UV-Licht durch eine Maske hindurch. Als zusätzlicher Zwischenschritt ist in jeder Schicht die Maskenerzeugung ähnlich dem Kopierverfahren auf einer Glasplatte nötig. Es wird eine vollständige Aushärtung erreicht. Speziell bei der SGC- Technologie erfolgt noch eine Wachseinbettung des Modells (benötigt deshalb keine Stützen) und ein Überfräsen pro Schicht. Anwendungsbereiche / Besonderheiten Die Stereolithographie ist das älteste Verfahren und deshalb weit verbreitet; Bei der Stereolithographie ist eine Nachbearbeitung des Grünlings erforderlich: Reinigung mit Lösungsmittel, Abtrennen der Stützen (Modellmaterial = Stützmaterial), Nachvernetzung im UV-Ofen; Die erzeugten Modelle sind gut für Abformprozesse geeignet, damit lassen sich über das Vakuumgießen Prototypen aus vergießbaren Kunststoffen oder über die Zwischenschritte Wachsmodell Feinguss metallische Prototypen herstellen; Um den großen und teueren Harzbehältervorrat zu umgehen, haben sich Verfahrensabarten herausgebildet: a) Harz nach dem 3D-Druckprinzip aufsprühen und belichten; b) Belichtung am Behältergrund (Masken-Verfahren), das Modell wird an der Unterseite der Bauplattform gebaut (die Plattform bewegt sich zur Schichtzustellung nach oben); Entwicklung der Mikrostereolithographie: Verfahren zur Herstellung von Prototypen/Bauteilen im Mikrobereich (Auflösung <10 pm), max. Bauteilgröße 25x25x25mm, Verwendung eines gepulsten Lasers. Bewertung der Modelle Es kommen verschiedene Harze, abgestimmt auf den verwendeten Laser, zum Einsatz; Innenliegende Hohlräume sind darstellbar (Drainageöffnung erforderlich); Durch das Harz entstehen transparente Modelle; Die Stereolithographie gehört derzeit zu den genauesten RP-Verfahren (verfahrensbedingte Grenzen sind durch den Laserstrahldurchmesser und die Benetzbarkeit gegeben); Filigrane Details sind herstellbar; Im Bauprozess werden sehr gute Oberflächen erreicht; Es besteht eine gute Nachbearbeitbarkeit (Strahlen, Schleifen, Spanen); Die Fügbarkeit ist mit fotosensiblem Harz und UV-Licht günstig, es entstehen keine visuellen bzw. mechanisch beeinflußten Trennstellen; Nicht vernetztes Material ist wiederverwendbar (aber Alterung beachten!); Die angebotenen Harze sind teuere Werkstoffe. b. Laser-Sintern Beim Laser-Sintern wird eine dünne vorverdichtete Pulverschicht mit einem Laserstrahl anoder aufgeschmolzen. Die Arbeitszyklen bestehen aus dem Absenken der Bauplattform um - 7 -

8 die Schichtdicke, Beschichten und Verdichten=> Sintern. Der Laser beschreibt in einer Schicht die Rand- und Füllkontur analog der Stereolithographie. Als Sinterwerkstoffe finden Kunststoffe, Metalle und Sande Anwendung. Speziell beim Metallsintern wird zwischen direktem und indirektem Sintern unterschieden. Anwendungsbereiche / Besonderheiten Sintern von Kunststoff: - Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs wird der Bauraum vorgeheizt ( C), zum Aufschmelzen muss der Laser nur noch die Differenzenergie aufbringen; - Vorwärm- / Abkühlzeit bedeutet ein zusätzliches Zeiterfordernis beim Teilebau im Stundenbereich; - Zum Verhindern der Oxidation wird der Bauraum inertisiert (meist Stickstoffatmosphäre); - Die Modelle eignen sich als Funktions- und Geometrieprototypen, solche aus Polystyrol zum Ausschmelzen beim Feingießen; Sintern von Metall: -Das direkte Lasersintem arbeitet mit einem Metallpulvergemisch, wobei die niedrigschmelzenden Metallkomponenten versintert werden; - Beim indirekten Metallsintern wird kunststoffumhülltes Metallpulver eingesetzt und die Kunststoffumhüllung aufgeschmolzen. Das führt zu einem sogenannten Grünling. In speziellen Hochtemperaturöfen erfolgt ein Nachsintern und Austreiben des Kunststoffes, das resultierende poröse Metallmodell wird anschließend mit einer leicht schmelzenden Metallkomponente (z. 8. Kupfer) infiltriert; - Eine Inertisierung ist in Abhängigkeit des Materiales möglich. - Haupteinsatzgebiet ist das Rapid Tooling, wie z. B. das Herstellen von Formeinsätzen für das Kunststoffspritzgießen, den Metalldruckguss oder für Blasformwerkzeuge; - 8 -

9 Sintern von Sand - Mit dem Sintern von polymergebundenen Sanden können komplizierteste serienidentische Sandgussformen und zugehörige Kerne gefertigt werden; - Spezialisierte Sandsinteranlagen verfügen über zwei Laser-Scann-Einheiten und einen größeren Bauraum. Bewertung der Modelle Stützkonstruktionen sind beim Lasersintern nur bedingt erforderlich, oft werden eine Base (Bodenplatte) und ein Rahmen um die Teile mit gebaut, das ist günstig zur Entnahme und langsamen Abkühlung des Baugutes außerhalb der RP-Anlage; Die gängigen Partikelgrößen des Pulvers liegen bei µm (ausgenommen Sand); Außer beim Sandsintern lassen sich Details bis 0,5 mm Dicke abbilden, die Genauigkeit beträgt ±0, ,2mm; Unbedingt zu berücksichtigen ist die Schrumpfung, besonders die mehrfachen Wärmebehandlungen beim indirekten Metallsintern erfordern hier viel Erfahrung; Material- Kunststoff - Polyamide, Thermoplastische Elastomere (Simulation gummiartiger Teile); - Polycarbonat, Polystyrol-Werkstoffe (für Gießprozesse); Material-Metall - Polymerumhülltes Metallpulver (indirektes Sintern); - Bronzepulver mit Nickel- und Stahlanteilen in verschiedenen Körnungen (speziell abgestimmte Materialentwicklungen für die Fertigung von Formeinsätzen); - Metallprototypen werden zur Beseitigung der nach dem Sintern vorhandenen Porösität meist mit Epoxidharz bzw. niedrigschmelzenden Metallen infiltriert; Material-Sand - Quarz- und Zirkonsande; - Die der RP-Anlage entnommenen Sandformen und -kerne müssen nachgesintert werden. c. Laminate-Verfahren Laminate-Verfahren sind: Layer Laminate Manufacturing (LLM), Laminated Object Manufacturing (LOM) Beim Laminatverfahren entsteht das Modell durch Fügen (Verkleben) auf einander folgender Schichten. Das Konturieren dieser Schichten kann mit einem Laser, einem spanenden Schneidwerkzeug (Messer Schneidplotter) oder einem Fräser (Schichtfrästechnologie) erfolgen. Im erweiterten Sinne kann hier auch ein Sofwaretool zur hinterschnittfreien Zerlegung komplexer Frästeile in bearbeitbare Frässcheiben mit anschließendem Verkleben eingeordnet werden. Größte technische Verbreitung hat das LOM-Verfahren

10 Anwendungsbereichen/Besonderheiten: Das Verfahren ist vorteilhaft bei massiven Teilen (große Teilquerschnittsflächen). Für Hohlkonturen und bei tiefen Hinterschnitten ist es ungeeignet. Nicht zum Modell gehörende Teile einer Schicht werden während des Bauprozesses entnommen bzw. zerspant oder beim LOM-Verfahren in Quadrate geschnitten und verbleiben im Modell. Es ist keine Stützkonstruktion erforderlich. Die Modelle sind prinzipiell für alle Abformprozesse geeignet. Im Bereich Feinguss besteht die Möglichkeit teilbare Negativmodelle zum Herstellen von Wachslinien. Im Sandgussbereich sind die Modelle seriennah einsetzbar. Bewertung der Modelle: Als Folienwerkstoff (LOM) kommt vorwiegend Papier zum Einsatz. Zum Verkleben des Papiers wird ein thermisch aktivierbarer Klebstoff eingesetzt (polyesterbeschichtetes Papier). Mit einer Thermowalze (ca. 300 ) werden die Bahnen angedrückt und verklebt. Die Papiermodelle haben Holzähnliche Eigenschaften, können geschliffen und sandgestrahlt werden. Aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften des Papiermodells ist ein unmittelbares Versiegeln nach dem Bauprozess notwendig. Es werden auch Polyesterfolien und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) eingesetzt (hohe Festigkeit, Feuchtichkeitsresisdent). Bei spanender Nachbearbeitung der Modelle ist auf die Laminierrichtung zu achten. Genauigkeit ~ 0,25mm

11 d. Extrusionsverfahren Verschiedene Verfahren sind: Fused Deposition Modeling (FDM) Fused Layer Modeling (FLM) 3D-Plotter, 3D-Printer Model Maker Multi Jet Modeling (MJM) Thermo-Jet Multiphase Jet Solidification (MJS)

12 Beim Extrusionsverfahren werden schmelzbare Werkstoffe (Kuststoffe und Wachse) durch eine beheizbare Düse bzw durch einen Druckkopf gezielt Schicht für Schicht aufgetragen. Bei Düsen erfolgt ein fadenförmiger Materialauftrag mit Rand und unterschiedlichen Füllkonturierungen. Bei Druckköpfen erfolgt der Materialauftrag tröpfchenweise. Anwendungsbereiche/Besonderheiten Diese RP-Verfahren sind bürotauglich Bestimmte Verfahren (3D-Plotter, MJM) sind auf den Bau von Konzeptmodellen ausgerichtet (schnellen Teileaufbau, niedrigere Qualität) Prototypen, Geometrie- und Funktionsprototypen und Feinguss (Wachslinie) Model Maker-Anlage sind auf den Bau sehr präziser Wachsmodelle für Feinguss konzipiert (Bauzeit relativ hoch) Beim Thermo-Jet sind mehrere Druckköpfe kammförmig angeordnet (hohe Baugeschwindigkeit) Bewertung der Modelle Farbige Materialien (Wachs, Kunststoff) werden angeboten Stützkonstruktion sind nötig Sehr filigrane Modellstrukturen bereiten bei vielen Verfahren Schwierigkeiten Bei Düsen sind verschiedene Auslassdurchmesser möglich e. 3D-Drucken (3D-printing) Das 3D-Drucken verwendet als Ausgangsmaterial einen pulverförmigen Werkstoff, der auf der Bauebene aufgetragen wird. Dieses Pulver wird nicht verschmolzen, hier wird ein Bindemittel in das Pulverbett injiziert

13 Anwendungsbereiche/Besonderheiten Die RP-Maschinenkonzepte sind auf bestimmte Einsatzgebiete ausgerichtet: Metallisches Pulver (Stahl): Werkzeuge, Funktionsteile (Rapid Tooling) Keramikpulver: Keramikformen, Gusstrauben Stärke Zellulosepulver, Gips: Anschauungs- und Konzeptmodelle Die metallisch erzeugten Prototypen stellen eine Grünling dar, der in mehreren Stufen nachbehandelt und letztlich mit Kupfer infilltriert wird. Das Herstellen von Keramikformen erfordert ein anschließendes Ausbrennen. Bewertung der Modelle Modelle müssen infilltriert werden Die Genauigkeit von Stärkemodellen ist gering Filigrane Details sind schwierig herstellbar