Rapid Prototyping und Rapid Tooling

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1 FRITZ-SÜCHTING-INSTITUT FÜR MASCHINENWESEN DER TECHNISCHEN UNIVERSITÄT CLAUSTHAL Professor Dr.-Ing. Norbert Müller Praktikum Bearb.: D. Trenke Datum: IMW TU Clausthal

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Rapid Tooling Verfahren Stereolithographie (STL) Selective Laser Sintering (SLS) Fused Deposition Modelling (FDM) Layer Objekt Manufacturing (LOM) Model Maker (MM) Der DMLS-Bauprozess Konstruktionsregeln Geometrien Bohrungen Genauigkeit Minimale Strukturen Nuten / Entformungsschrägrn Rippen Stifte Angusskanäle Kühlkanäle Bearbeitungszugaben Einbau ins Stammwerkzeug Datenaufbereitung Das CAD-Konstruktionsprogramm Erzeugen der STL-Daten Erzeugen der Schichtinformationen Einrichten des Bauprozesses Einrichten des Jobs Einrichten der RT-Anlage Prozessparameter Laserleistung Schichtdicke Belichtung dt Blatt 1/2

3 8. Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften Mechanische Festigkeit Oberflächenqualität Belichtungsparameter Begriffsbestimmung Strahlkompensation Strahlkompensation der Kontur Strahlkompensation beim Füllen Hatchvarianten Fülltypen Sorted / Unsorted Up-Down-Skin Square Shifted Stripes UpDown-Stripes Zusammenfassung Nachbearbeitung Lasergesinterter Bauteile Infiltration mit Hochtemperatur-Epoxid-Harz Weitere Infiltrationsmethoden Infiltration mit Zinn Verdichtendes Strahlen Zusammenfassung Qualitätserzeugung bei der Produktentstehung 39 Anhang A) Verfahrensübersicht 40 Anhang B) Prozessparameter und ihr Einfluss 41 Anhang C) Verwendete Abkürzungen 42 Anhang D) Literatur dt Blatt 2/2

4 1. Einleitung: Beim handelt es sich um ein generierendes Fertigungsverfahren, bei dem ein Laser dünne Materialschichten aufsintert und so schichtweise ein Bauteil erzeugt. Vorraussetzung hierfür ist, dass die 3D-CAD-Konstruktion zuvor in entsprechende Schichtinformationen zerlegt wurde, die dann vom Laser abgefahren werden. In diesem Praktikum wird speziell das Verfahren des Direct Metal Laser Sinterings (DMLS) der Firma EOS betrachtet. Als Metallpulver dient dabei eine Bronze-Nickel-Vermischung mit der Handelsbezeichnung DirectMetal 50-V2. Der große Vorteil dieses RT-Verfahrens liegt in der Möglichkeit, sehr schnell Werkzeuge (z. B. Formen für Vorab- und Kleinserien) oder Prototypen mit seriennahen Materialeigenschaften herzustellen. Diese Bauteile müssen dementsprechend hohe Maßund Formgenauigkeiten, mechanische Festigkeitswerte, Strukturen und Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen. Die Qualität der gesinterten Bauteile wird dabei nicht nur vom eigentlichen Bauprozess oder dem verwendeten Werkstoff bestimmt, sondern beginnt bereits bei der Rapid Tooling gerechten Konstruktion und der sorgfältigen Datenaufbereitung. Anschließend muss die richtige Wahl der Belichtungsparameter und der Belichtungsstrategie erfolgen. Am Ende dieser Kette können die Werkstücke durch entsprechende Nachbearbeitungstechniken noch veredelt werden. Die Güte der Erzeugnisse hängt also nicht nur von rein maschinentechnischen Gesichtspunkten ab, sondern wird von einer ganzen Reihe von Faktoren bestimmt, die in der Produktentwicklung beginnen und beim Finishing enden. In diesem Praktikum wird beschrieben, wie speziell vom Konstrukteur und dem Maschinenbediener Einfluss auf die Qualität genommen werden kann. Die rein mechanischen und physikalischen Aspekte des Prozessablaufs stehen im Hintergrund. Dabei wird auf zahlreiche praktische Erfahrungen zurückgegriffen, die beim Konstruieren, der Datenaufbereitung und Maschinenbedienung gewonnen wurden. Blatt 1/43

5 2. Rapid Tooling Verfahren Unter Rapid Tooling versteht man alle Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen und Formen für den Prototypenbau. Hierfür werden gleiche bzw. ähnliche Verfahren wie beim Rapid Prototyping eingesetzt. Dies gilt sowohl für das Modell (Positiv) als auch für die Form (Negativ), die meist für nachgeschaltete Gieß- bzw. Spritzverfahren verwendet werden. Beim Rapid Tooling können die vorliegenden CAD-Daten jedoch häufig nicht direkt verwendet werden: sie müssen aus fertigungstechnischen Gründen nochmals überarbeitet werden (z. B. Formschrägen, Schrumpffaktoren usw.). Die bisherigen Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen verursachen bis zu 80 % der Kosten der Serienwerkzeuge. Mit Hilfe der Rapid-Verfahren wird ein Modell des späteren Werkzeuges erstellt. Diese Werkzeugmodelle können direkt verwendet werden oder die Modelle können als Werkzeuge in Metall abgegossen werden. Nach der Fertigbearbeitung der Werkzeuge stehen sie für die unterschiedlichen Verarbeitungsvorgänge zur Verfügung. Die Bandbreite möglicher Prozessketten umfasst nicht nur die Rapid-Technologien an sich, sondern auch zahlreiche Mischformen und Kombinationen mit herkömmlichen Techniken wie z. B. dem HSC-Fräsen. Das Rapid Prototyping Verfahren ist das Bindeglied zwischen Entwurf und Produktion. Dabei werden vor dem eigentlichen Fertigungsprozess die 3D-Geometriedaten einer CAD- Konstruktion in viele horizontale Schichten zerlegt (Slice-Prozess). Diese Schichten dienen den unterschiedlichen Verfahren als Fertigungsinformation. Danach werden die einzelnen Querschnitte durch eines der unten aufgeführten Verfahren in reale Schichten zusammengesetzt. Dabei baut sich Schicht für Schicht ein vollständig generiertes Modell der CAD- Daten auf: es lassen sich auf diese Weise die kompliziertesten Konturen und räumliche Geometrien in kürzester Zeit realisieren. Zur Zeit gibt es sechs unterschiedliche Prozesse im Rahmen der Rapid Prototyping Verfahren die wirtschaftlich von Bedeutung sind: Stereolithographie (STL) Selective Laser Sintering (SLS) Fused Deposition Modelling (FDM) Layer Object Manufacturing (LOM) Model Maker (MM) Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Blatt 2/43

6 2.1 Stereolithographie ( STL ) Grundprinzip: Materialien: Schichtweises Aushärten von flüssigen Polymeren durch UV-Laser Epoxid- und Acrylharze Bei der Stereolithographie wird das Modell auf einer höhenverstellbaren Bauteilplattform aufgebaut. Durch den Einsatz von UV-Licht wird das verwendete Harz vernetzt und die Bauteilgeometrie härtet Schicht für Schicht aus. Nach der Belichtung einer Schicht wird die Bauteilplattform um eine Schichtdicke in den Harzbehälter abgesenkt. Um eine glatte Oberfläche des Harzes zu erreichen, wird die Oberfläche mit Hilfe eines Wischervorganges geglättet. Nun kann die nächste Schicht ausgehärtet werden. Die so hergestellten Bauteile sind allerdings nur gering belastbar. Sie dienen als erstes Einbaumuster oder als Urmodell für das Vakuumgießen. Laser Bauplattform Spiegel Badoberfläche Plattformbewegung Harzbad Abb. 2.1) Stereolithographie ( STL ) Blatt 3/43

7 2.2 Selective Laser Sintering ( SLS ) Grundprinzip: Materialien: Lokales Aufschmelzen von pulverförmigem Material durch einen CO 2 - Laser Nylon, Polycarbonat, Polyamid, Polystyrol Beim Verfahren des Selective-Laser-Sintering wird pulverförmiges Material mit einer Rolle auf eine Bauteilplattform mit einer Schichtdicke von 0,1 0,3 mm aufgebracht. Danach wird die Prozesskammer bis knapp unterhalb des Schmelzpunktes des eingesetzten Pulvers erhitzt. Ein Laser überstreicht hierbei die zu bauende Kontur und erhitzt das Pulver dabei lokal auf Sintertemperatur und die Bauteilkontur verschmilzt in dieser Ebene. Nun wird die Bauteilplattform um eine Schichtdicke abgesenkt, durch die Rolle neues Pulver aufgebracht und der Prozess kann von neuem beginnen, bis zur Fertigstellung des kompletten Bauteils. Abb. 2.2) Selective Laser Sintering ( SLS ) Blatt 4/43

8 2.3 Fused Deposition Modelling ( FDM ) Grundprinzip: Schichtweises Auftragen von aufgeschmolzenem Material Materialien: ABS Bei diesem Verfahren wird drahtförmiges Material in einer beheizbaren Extruderdüse aufgeschmolzen. Der Düsenkopf bewegt sich durch einen 2D-Mechanismus in X-Y-Richtung und hinterlässt Material entlang der Bauteilgeometrie. Danach wir die Bauteilplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Schicht wird erzeugt. Mit dieser Technologie können Bauteile innerhalb kürzester Zeit produziert werden. Das äußerst feste Bauteil kann für Einbau- und Funktionsversuche verwendet werden. Düse Absenkbare Bauplattform Rolle mit drahtförmigem Material Prozesskammer Abb. 2.3) Fused Deposition Modelling ( FDM ) Blatt 5/43

9 2.4 Layer Object Manufacturing ( LOM ) Grundprinzip: Materialien: Schichtweiser Aufbau durch Verkleben des Materials Papier, Kunststoffe und Keramiken in Folienform Das Modell wird auf einer Bauteilplattform aufgebaut. Hierzu schneidet ein CO 2 -Laser entlang der Bauteilkontur das folienförmige Material aus. Der Laser wird hierbei durch einen 2D-Mechanismus in X-Y-Richtung geführt. Durch eine beheizbare Rolle erfolgt die Aktivierung des auf die Folie einseitig aufgebrachten Klebstoffes und verbindet so die Schichten miteinander. Die Bauteilplattform wird danach um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue Folienschicht aufgebracht. Der Prozess beginnt von neuem bis zur Fertigstellung des kompletten Bauteils. Abb. 2.4) Layer Object Manufacturing ( LOM ) Blatt 6/43

10 2.5 Model Maker Grundprinzip: Materialien: Tropfenweises Auftragen von aufgeschmolzenem Material ABS, wachsähnlicher Thermoplast Bei diesem Verfahren wird das Ausgangsmaterial in einer beheizbaren Extrudierdüse aufgeschmolzen. Der Düsenkopf bewegt sich durch einen 2D-Mechanismus in X-Y- Richtung und hinterlässt das Material tropfenförmig entlang der Bauteilgeometrie. Anschließend erfolgt ein Abfräsen des Bauteils auf die gewünschte Schichtdicke. Danach wird die Bauteilplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und der Prozess kann erneut beginnen, bis zur Fertigstellung des kompletten Bauteils. Abb. 2.5) Model Maker Blatt 7/43

11 3. Der DMLS-Bauprozess Der DMLS-Prozess beginnt damit, dass die 3D-CAD-Konstruktion des zu generierenden Bauteils in dünne Schichtinformationen von gewöhnlich 0,05 mm zerlegt wird (Abb. 3.1). Dieser Vorgang des Slicens geschieht noch am CAD-Arbeitsplatz mit einer dafür speziell programmierten Software. Anschließend werden diese Schichtinformationen zur eigentlichen Rapid Tooling Anlage (EOSINT M 250) übertragen, wo dann - entsprechend diesen Informationen - das stoffliche Modell mittels eines Lasers schichtweise generiert wird. Abb. 3.1) Erzeugen der Schichtinformationen für den Bauprozess Die Rapid Tooling Anlage selbst besteht im Wesentlichen aus den folgenden 5 Komponenten: 1. dem Laser, zum Aufschmelzen des Metallpulvers, 2. der Trägerplattform mit aufgesetzter Bauplattform, 3. der Dosierplattform, zur Bevorratung des Metallpulvers, 4. dem Abstreifer, zum Auftragen des Metallpulvers auf die Bauplattform und 5. dem Prozessrechner mit der Steuersoftware. Zu Beginn des Sinterprozesses wird die Bauplattform erstmalig mit einer dünnen Metallpulverschicht (0,05 mm) bedeckt. Diese Schicht wird dann, entsprechen der ersten Blatt 8/43

12 Schichtinformation über die Geometrie des herzustellenden Bauteils, von einem CO 2 -Laser aufgeschmolzen (Abb. 3.2). Spiegel Laser Belichten der Metallpulverschicht Absenken der Bau- und Dosierplattform, Abstreifer fährt nach rechts Auftragen der nächsten Metallpulverschicht, Abstreifer fährt nach links Anheben der Dosierplattform Abbildung 3.2) Schichtweiser Aufbau des Werkstücks Nachdem so der erste Layer belichtet wurde, wird die Bauplattform um die nächste Schichtdicke (0,05 mm) abgesenkt und der Abstreifer bis zum Anschlag - rechts von der Dosierplattform - gefahren. Das Absenken der Bauplattform ist erforderlich, da durch die hohe Oberflächenspannung des Metallpulvers jede Schicht nach der Belichtung eine unregelmäßige, raue Oberfläche besitzt, an der der Abstreifer hängen bleiben könnte. Hat der Abstreifer seine Position rechts vom Werkstück erreicht, wird die Dosierplattform soweit angehoben, bis genügend Pulver zur Verfügung steht, um die Bauplattform erneut vollständig zu bedecken. Jetzt fährt der Abstreifer wieder nach links, und trägt so die nächste Pulverschicht auf, die dann entsprechend der zweiten Schichtinformation über das Bauteil aufgeschmolzen wird. Bei dieser Verfahrbewegung glättet der Abstreifer gleichzeitig die Oberfläche des Bauteils. Überflüssiges Pulver fällt über den links neben der Bauplattform befindlichen Schacht in die Auffangbehälter. Blatt 9/43

13 Die Belichtungsparameter werden dabei so gewählt, dass sich die neue Schicht mit der darunter liegenden fest verbindet. Dieser Vorgang wiederholt sich jetzt solange, bis aus den CAD-Informationen ein vollständiges, dreidimensionales, stoffliches Bauteil entstanden ist. Ein großer Nachteil dieser Arbeitweise ist, dass der Abstreifer pro Belichtung zweimal durch die gesamte Prozesskammer fährt. Dies verlängert nicht nur die Bauzeit sondern kann auch dazu führen, dass der Abstreifer das Bauteil beschädigt, oder an diesem hängen bleibt. Im letzteren Fall muss der Bauprozess unterbrochen und die Bauplattform solange abgesenkt werden, bis der Abstreifer wieder frei fahren kann. Ehe mit dem Bauprozess fortgefahren wird ist es erforderlich, eine neue Pulverschicht aufzutragen. Bei Beschädigung eines Bauteils muss dieses aus der Prozesssoftware gelöscht und mögliche Bruchstücke aus dem Bauraum entfernt werden, da diese ansonsten weitere Bauteile zerstören könnten. Grundlage für die maximal erreichbare Qualität von lasergesinterten Bauteilen sind die Materialeigenschaften des verwendeten Metallpulvers. Hierbei spielen insbesondere das Sinterverhalten und die Partikelgrößenverteilung eine entscheidende Rolle (Abb. 3.3). Abb. 3.3) Partikelgrößenverteilung von DirectMetal 50-V2 Das am IMW verwendete Metallpulver (DirectMetal 50-V2) wurde speziell für das direkte Lasersintern entwickelt und besteht überwiegend aus einer Bronze-Nickel-Vermischung mit einem geringen Kupfer-Phosphid (Cu-P) Anteil, der als niedrigschmelzender Binder dient. Trifft der Laserstrahl während des Bauprozesses auf die Metallpulveroberfläche wird durch elektronische Prozesse im Metall ein Teil der Laserenergie absorbiert, wodurch sich das Pulver erwärmt. Sobald die eingebrachte Energie groß genug ist, um das Pulver auf eine Blatt 10/43

14 Temperatur von 660 C zu erwärmen, schmilzt das Kupfer-Phosphid. Als nächstes dringt die nun flüssige Cu-P-Phase in die umgebenden Hohlräume und benetzt dabei die Bronzeund Nickelteilchen. Es kommt zu weiteren Phasenbildungen. Oberhalb von 850 C findet durch Poren- und Mischkristallbildung eine Expansion des makroskopischen Pulvervolumens zur Kompensation des bis dahin erfolgten Sinterschwundes statt. Im Idealfall ist das Volumen des Körpers jetzt wieder identisch mit dem Volumen der losen Pulverschüttung. Durch diesen Aufschmelzprozess und das anschließende Abkühlen, entsteht die stabile metallische Matrix des gesinterten Bauteils, welche - bei optimaler Wahl der Belichtungsparameter und Belichtungsstrategie - folgende Materialeigenschaften aufweist: Allgemeine Materialdaten: Schüttdichte 5,1 g/cm³ Maximale Partikelgröße 50 µm Allgemeine Prozessdaten: Empfohlene Schichtdicke 50 µm Typische Genauigkeit ± (0,07% + 30 µm) Mechanische Eigenschaften der lasergesinterten Bauteile: Dichte 6,3 g/cm³ Zugfestigkeit MPIF N/mm² Biegebruchfestigkeit MPIF N/mm² Randfaserdehnung bei Bruch 4,2 % Rauhigkeit RZ ohne Nachbearbeitung µm Rauhigkeit RZ nach Polieren 1-3 µm Mechanische Eigenschaften nach Infiltration mit Epoxid-Harz: Dichte 6,5 g/cm³ Zugfestigkeit MPIF N/mm² Biegebruchfestigkeit MPIF N/mm² Randfaserdehnung bei Bruch 4,2 % Rauhigkeit RZ µm Rauhigkeit RZ nach Polieren 1-3 µm Thermische Eigenschaften nach Infiltration mir Epoxid-Harz: Wärmeausdehnungskoeffizient /K Wärmeleitfähigkeit 15 W/mK Die lasergesinterten Bauteile können zur Nachbearbeitung geschweißt, gelötet, erodiert, spanend bearbeitet, gestrahlt, poliert oder beschichtet werden. Dies gilt sowohl für infiltrierte als auch für uninfiltrierte Werkstücke. Blatt 11/43

15 4. Konstruktionsregeln Beim Bau von Formen durch Rapid Tooling sind verfahrensbedingt einige konstruktive Besonderheiten zu beachten. Die Einhaltung dieser Kriterien ist erforderlich, um die Vorteile des DMLS-Prozesses in seiner Gesamtheit ausnutzen zu können und eine möglichst hohe Prozessqualität zu erreichen. Allgemeine Gestaltungsregel 4.1 Geometrien: Wie bei allen generativen, schichtweisen Herstellverfahren ist auch beim DMLS-Prozess nicht die Komplexität der Geometrie ausschlaggebend für die Herstellzeit, sondern das aufgebaute Volumen. Die Bauteile sollten daher sowohl in x-y als auch in z-richtung so klein wie möglich sein, um den Bauprozess kurz und damit kostengünstig zu halten. Um dies zu erreichen, muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden, dass es möglich ist, die Bauplattform als Teil des Werkstücks zu verwenden (Abb. 4.1). Der Lasersinterkörper wird dabei mit der Stahlplatte fest verbunden aufgebaut. Anschließend wird die Platte um den Körper herum zersägt und gefräst. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die stabile Stahlplatte als Befestigung im Stammwerkzeug dienen kann und Bauzeit gespart wird, da das entsprechende Werkstückvolumen nicht mehr aufgebaut werden muss. Bauteil Bauplattform Abbildung 4.1) Bauplattform und Bauteil Ebenfalls ist es möglich, die Werkstücke auf Stützstrukturen (Supports) aufzubauen, die während des Bauprozesses immer fest mit der Grundplatte verbunden sind. Es ist beim DMLS-Bauprozess aber nicht möglich, freischwebende Teile oder Strukturelemente herzustellen, wie dies beim Kunststoffsintern realisiert werden kann. Blatt 12/43

16 Überhänge können bis zu einem Winkel von 25 oder 3 mm generiert werden, ohne dass eine Supportstruktur erforderlich ist. < 3mm Abbildung 4.2) maximaler rechtwinkeliger Überhang > 25 Abbildung 4.3) minimaler Bauwinkel 4.2 Bohrungen: Beim DMLS-Prozess werden die Werkzeuge in einer sogenannten Hülle-Kern-Struktur aufgebaut. Dies bedeutet, dass das Bauteilvolumen in einen Hüllbereich (Skin) und einen Kernbereich (Core) aufgeteilt wird, die mit unterschiedlichen Belichtungsparametern - und sogar mit unterschiedlichen Schichtdicken - aufgebaut werden. Sinn dieser Unterscheidung ist es, eine harte Oberfläche bei gleichzeitig weichen Bauteilinneren zu erreichen. Typischerweise besitzt der Hüllenbereich eine Schichtdicke von 0,05 mm. Die Schichtdicke des Kernbereichs beträgt 0,1 mm, wodurch sich die Bauzeit, ohne Qualitätsverlust an der Oberfläche, wesentlich verkürzt. Kern Hülle Abb. 4.4) Ansicht einer Bauteilschicht mit Hülle-Kern-Struktur Blatt 13/43

17 Aufgrund dieses Hülle-Kern-Aufbaus sollten Bohrungen für Auswerfer oder Zapfen, Löcher für Befestigungsschrauben, Kühlkanäle, usw. bereits in der CAD-Konstruktion berücksichtigt werden. Werden diese Bohrungen im CAD-File nicht vorgesehen und erst nachträglich eingebracht, verläuft die Materialaussparung durch den mechanisch wesentlich instabileren Kernbereich. Dies kann zur Folge haben, dass z. B. nachträglich geschnittene Gewinde ausbrechen. Zusätzlich wird der Randbereich der einzelnen Schichten, also die Kontur, mit sehr hoher Laserleistung belichtet, was zu einer höheren Festigkeit führt. Dieser Bereich ist ausgehend vom Rand etwa 1 mm tief. Wird eine mechanische Nachbearbeitung innerhalb dieser Tiefe durchgeführt, werden die besten Ergebnisse hinsichtlich Oberflächenqualität und -härte erreicht. Bei der Konstruktion sollten die Durchmesser der gewünschten Bohrungen deshalb ca. 0,6 mm kleiner sein und dann nachträglich aufgebohrt werden. Die Seitenwände befinden sich dann im höchsten Festigkeitsbereich der Kontur. 4.3 Genauigkeit: Da beim DMLS-Prozess die Werkstücke aus Metallpulver generiert werden, liegt die Rauhigkeit der Oberflächen und die Maßhaltigkeit im Bereich der Pulverkorngröße. So sind beim Metallpulver DirectMetal 50-V2 (Pulvergröße 50 µm) Genauigkeiten von ±(0,07 % + 50 µm) erreichbar. Senkrecht zu den einzelnen Schichten ist die Auflösung durch die Schichtdicke bestimmt. Diese beträgt bei DirectMetal 50-V2 0,05 mm. 4.4 Minimale Strukturen: Beim DMLS-Prozess ist der fokussierte Laserstrahl, mit einem Durchmesser von ca. 0,3 mm, das Werkzeug beim Aufbau der Geometrien. Durch Wärmeleitungseffekte beträgt die Aushärtebreite (Aushärtezone) etwas mehr als der Fokusdurchmesser. Die minimale Aushärtebreite liegt bei DirectMetal 50-V2 zwischen 0,6 mm und 0,7 mm. Strukturen die kleiner sind, können deshalb nicht hergestellt werden. Dieses ist besonders bei spitzen Ecken und Kanten oder dünnen Stegen zu beachten. 4.5 Nuten / Entformungsschrägen: Befinden sich im Werkstück tiefe Nuten, muss berücksichtigt werden, dass aufgrund der Oberflächenrauhigkeit der vertikalen Flächen von Rz 50 µm eine Nachbearbeitung erforderlich ist oder die Entformungsschrägen dementsprechend ausgelegt werden. Ist die Nut in Entformungsrichtung polierbar, genügen Entformungswinkel von 0,5 bis 1,0. Ist sie nicht zugänglich, muss dieser Wert erhöht werden. Falls dieses aus geometrischkonstruktiven Gründen nicht möglich ist, sollte an dieser Stelle eine Trennebene vorgesehen werden, um dann die Flächen einzeln nachbehandeln zu können. Blatt 14/43

18 4.6 Rippen: Beim Lasersinterprozess mit DirectMetal 50-V2 entstehen poröse Metallteile, die nach dem Bauprozess mit Epoxid-Harz infiltriert werden. Diese Werkstücke reagieren aufgrund der Inhomogenitäten auf Zugbelastungen, im Vergleich zum Vollmaterial, empfindlicher. Die an Rippen auftretenden Belastungen können, bei einem zu großen Höhen-Breiten- Verhältnis, zum Verbiegen oder zum Abriss der Struktur führen. Bei den in der Tabelle 4.1 dunkel dargestellten Seitenverhältnissen zwischen Rippenhöhe und -breite sollten deshalb Stahlstege in die Rippen eingesetzt werden. Die dazu erforderlichen Aussparungen müssen schon im CAD-File vorgesehen werden. Höhe [mm] Breite [mm] < > 10 < > 5 Tabelle 4.1) Seitenverhältnisse bei Rippen 4.7 Stifte: Das gleiche gilt für Stifte, die sich in dem aufzubauenden Werkzeug befinden. Bei zylindrischen Geometrien ist es in den meisten Fällen zu empfehlen, Stahlstifte in vorher im CAD-File konstruierte Bohrungen einzusetzen. Der Aufwand für die Nachbearbeitung wird dadurch wesentlich reduziert. Bei nicht rotationssymmetrischen Geometrien sollten bei den in Tabelle 4.2 dunkel markierten Höhen-Durchmesser-Verhältnissen ebenfalls Stahlverstärkungen eingesetzt werden. 4.8 Angusskanäle: Höhe [mm] [mm] < > 10 < > 5 Tabelle 4.2) Geometrieverhältnisse bei Stiften Blatt 15/43

19 Um im Bereich des Angusskanals Auswaschungen beim Einspritzvorgang zu vermeiden, sollte dieser im CAD-File vorbereitet sein. Durch die Belichtung der Kontur wird eine Steigerung der Oberflächenhärte - und damit des Verschleißverhaltens - erreicht. 4.9 Kühlkanäle Durch den schichtweisen Aufbau ist es möglich, Kühlkanäle dreidimensional und an die Geometrie der Kavität angepasst, durch das Werkzeug verlaufen zu lassen: hierdurch wird eine wesentlich effektivere Kühlung erreicht. Während der Konstruktion der Kühlkanäle sollte darauf geachtet werden, dass die Anschlüsse so liegen, dass kein unnötiges Volumen aufgebaut wird. So ist es beispielsweise möglich, die Anschlüsse direkt an die Stahlplatte zu legen. Nach dem Generieren der Form werden dann die entsprechenden Zuleitungen durch die Stahlplatte gebohrt. Bauteil Bauplattform Kühlkanäle Abbildung 4.5) Bauteil mit integrierten 3D-Kühlkanälen 4.10 Bearbeitungszugaben Beim Einpassen der Formeinsätze werden diese in den meisten Fällen umfräst oder geschliffen. Dazu ist in der Konstruktion ein Übermaß von 0,2 mm bis 0,5 mm auf jeder relevanten Fläche vorzusehen. An Trennebenen reicht ein Übermaß von 0,2 mm. Diese können später mechanisch nachbearbeitet oder aufeinander erodiert werden. Die eine Formhälfte wird dann als Elektrode und die andere als Werkstück verwendet Einbau in Stammwerkzeugen Beim Aufbau des Stammwerkzeuges ist darauf zu achten, dass die Trennflächenbelastung bzw. der Zuhaltdruck der Spannvorrichtung zumindest teilweise am Stammwerkzeug anliegt. Blatt 16/43

20 Blatt 17/43

21 5. Datenaufbereitung Neben der Rapid Tooling gerechten Konstruktion ist die sorgfältige Datenaufbereitung ein wesentlicher Faktor für den Erfolg des Bauprozesses. Dabei kommt es auf das verwendete CAD-Konstruktionsprogramm, die STL-Datengenerierung und die korrekte Erzeugung der Schichtinformationen für den eigentlichen Bauprozess an. 5.1 Das CAD-Konstruktionsprogramm Die Grundlage aller Rapid Prototyping Verfahren bildet ein vollständiges dreidimensionales CAD-Volumenmodell, aus dem die Schichtinformationen für den Belichtungsprozess gewonnen werden. In der Praxis wird immer wieder versucht, aus unzureichenden Daten hochwertige Bauteile zu generieren. Die Bauteile können aber niemals besser sein, als die ihnen zugrunde liegenden CAD-Informationen. Wer im Zuge seiner Produktentwicklung Rapid Tooling Erzeugnisse herstellen will, muss daher durchgehend und konsequent ein 3D-CAD- Volumen-Programm einsetzen. Abbildung 5.1) Unterschiedliche Arten von CAD-Geometriemodellen Grundsätzlich können 2D-Flächenmodelle (VDA, IGES, DXF,...) zwar in 3D-Volumenmodelle konvertiert werden, dabei kommt es in den meisten Fällen aber zu Fehlern: zeigt z. B. der Flächennormalenvektor in das Bauteilinnere, kann dies bei der Erzeugung der Maschinendatensätze zu Problemen führen, da eventuell Innen- und Außenseite des Blatt 18/43

22 zu fertigenden Bauteils nicht unterschieden werden können, d. h. es kommt zu einer falschen Orientierung der Oberflächen (Abb. 5.2). Abb. 5.2) Beispiel für eine falsche Flächenorientierung Werden die Einzelflächen im CAD-Modell nicht genau aufeinander berandet, so führt dies zwangsläufig zu Lücken im Rapid Tooling Datensatz, die spätestens beim Erstellen der Schichtinformationen geschlossen werden müssen (Abb. 5.3). Abb. 5.3) Lücken im konvertierten CAD-Volumenmodell Das am IMW verwendete Programm zur Datenaufbereitung (Magics RP) verfügt zwar über eine Fehlertoleranz, d. h. Lücken werden innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfeldes automatisch als geschlossene Volumen akzeptiert - dies ist aber auch nur in gewissen Grenzen möglich. Ein nachfolgendes manuelles Reparieren der Daten ist sehr zeitaufwendig und ungenau, da exakte Informationen über die Bauteilgeometrie in den meisten Fällen fehlen. Blatt 19/43

23 5.2 Erzeugen der STL-Daten Zur Steuerung des Lasers beim Bauprozess muss das 3D-CAD-Volumenmodell mathematisch in gleiche Schichten zerlegt werden, die dann in der Rapid Tooling Anlage materiell umgesetzt werden. Grundlage hierfür ist das Vorhandensein eines STL-Datensatzes. Dieser entsteht, indem die Oberfläche des CAD-Modells mit kleinsten Dreiecken überzogen wird und so eine Annäherung an die tatsächliche dreidimensionale Geometrie erfolgt. Diese Annäherung stellt in jedem Fall eine Ungenauigkeit dar, die um so größer ist, je geringer die Anzahl der Dreiecke ist. Aus diesem Grund muss die Netzdichte, d. h. die Anzahl der Dreiecke, beim Generieren der STL-Daten im CAD-Programm möglichst hoch eingestellt werden, um eine bestmögliche Auflösung, z. B. einer Kurve oder Kugel, zu erreichen. Bei sehr feinen Auflösungen steigt dabei die Datengröße und erforderliche Rechenkapazität aber auf Werte an, die nur noch von besonders leistungsfähigen Computern zu beherrschen sind. Dennoch hat sich diese Triangulationsmethode als Standart für alle Rapid Tooling Verfahren durchgesetzt. Abbildung 5.4) Annäherung einer Kugel durch Dreiecke Blatt 20/43

24 6. Erzeugen der Schichtinformationen Ausgehend von den STL-Daten des CAD-Computermodells werden als nächstes die Schichtinformationen für den eigentlichen Bauprozess erzeugt. Dieser Vorgang setzt sich aus zwei Schritten zusammen: Im ersten Schritt wird das gesamte Werkstück in Schichten von üblicherweise 0,05 mm zerlegt. Das Ergebnis ist eine SLI-Datei, die im Prinzip schon alle Schicht- bzw. Geometrieinformationen enthält. Im zweiten Schritt kommt eine Besonderheit des DMLS-Bauprozesses hinzu: um eine harte Werkstückoberfläche bei gleichzeitig weichen Bauteilinneren zu erreichen, werden die SLI-Schichtinformationen noch einmal in einen Hülle- und Kernbereich aufgeteilt, denen dann unterschiedliche Belichtungsparameter oder sogar Schichtdicken zugeordnet werden. Das Ergebnis sind zwei EOS-spezifische SLI-Dateien, die zur Rapid Tooling Anlage übertragen werden. Die gleiche Umwandlung findet auch mit den Supportdaten statt. Um diesen Datensätzen automatisch die entsprechenden Belichtungsparameter zuzuordnen und um die richtige Baureihenfolge sicherzustellen, erfolgt abschließend noch eine Namensänderung der SLI-Daten: Datensatz Original Umbenennung Parametersatz Support Teil_0.sli Teil_0m.sli 0_Magics: DirectMetal 50 Kern Teil_krn.sli Teil_2c.sli 2_Core: DirectMetal 50 Hülle Teil_hll.sli Teil_3s.sli 3_Skin: DirectMetal 50 Tab. 6.1) Umbenennung der SLI-Daten und Parameterzuordnung Unabhängig von der inhaltlich-konstruktiven Gestaltung der Rapid Tooling Werkstücke ist also die Verwendung eines CAD-Volumen-Programms und die sorgfältige Generierung der STL-Daten Grundlage für die Qualität eines jeden Bauprozesses. Beim Erzeugen der STL-Files muss dabei berücksichtigt werden, dass je höher die Datenqualität des CAD-Modells ist, d. h. je sorgfältiger die Konstruktion vorgenommen wurde, um so kürzer werden die Zeiten für die Datenaufbereitung und um so höher ist die Bauteilqualität. Es ist also unbedingt erforderlich, dass vor der STL-Generierung alle überflüssigen Informationen aus der CAD-Konstruktion entfernt werden und zur Vermeidung von z. B. Hinterschneidungen alle Flächen eindeutig zueinander stehen. Blatt 21/43

25 7. Einrichten des Bauprozesses Neben der Konstruktion, Datenaufbereitung und Wahl der Belichtungsstrategie hat natürlich auch die Maschineneinrichtung einen Einfluss auf die Bauteilqualität. Da der eigentliche Bauprozess dann weitestgehend automatisiert abläuft, spielt die Maschinenbedienung eher eine untergeordnete Rolle. Aus diesem Grund werden in diesem Kapitel überwiegend die vorbereitenden Arbeiten beschrieben, die notwendig sind, bevor der Bauprozess beginnt. 7.1 Einrichten des Jobs Diese Tätigkeit umfasst zum einen das Zuordnen der Belichtungsparametern zu den erzeugten Schichtinformationen, als auch das Anordnen der Werkstücke auf der Bauplattform. Dabei muss folgendes beachtet werden: die Werkstücke müssen innerhalb der gewählten Bauplattformgröße (160x160 oder 250x250) liegen, die maximale Bauhöhe von 180 mm darf nicht überschritten werden, der Abstand zwischen den Werkstücken sollte mindestens 4 mm betragen, um ein anschließendes zersägen der Bauplattform zu ermöglichen, die Befestigungsschrauben der Bauplattform dürfen nicht überbaut werden, die erste Bauteilschicht muss genau auf der Bauplattform liegen, d. h. die Z-Koordinate muss Null sein, die Werkstücke dürfen sich über die gesamte Bauhöhe nicht berühren, Belichtungen am Rand der Bauplattform führen häufig zu schlechteren Ergebnissen. Fernerhin sollten die einzelnen Schichten vor Baubeginn noch einmal durchgeblättert werden, um einen möglichen Versatz der Schichten in Z-Richtung oder Abweichungen von der geplanten Bauteilgeometrie (minimale Strukturen) festzustellen. Um diesen Vorgang zu erleichtern, werden von der Prozesssoftware alle vom Laserstrahl zu belichtende Geometrien, entsprechend der Parameterzuordnung, mit verschiedenen Farben dargestellt: Linien Kontur Rasterung Schicht dunkelblau Originalkontur schwarz Downskin hellblau Innenkontur kompensiert rot Upskin hellgrün Außenkontur kompensiert grün Inskin dunkelblau Originalkontur - - Tab. 7.1) Zuordnung von Kontur und Farbe Blatt 22/43

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