Thema: Rapid Prototyping

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1 Thema: Rapid Prototyping Vorlesung: Feinwerktechnische Fertigung Dozent: Prof. Dr. Schultes

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1.1 Kurze Prinziperläuterung 2. Vorstellung der einzelnen Verfahren 2.1 Solid Object Printing Was ist Solid Object Printing Prinzip 2.2 Stereolithographie Was ist Stereolithographie Prinzip 2.3 Laser Sintern Was Laser Sintern Prinzip 2.4 Rapid Tooling 2.5 3D- Keltooling Was ist 3D- Keltooling Prinzip 3. Objektgrößen 4. Weitere Verfahren 5. Materialien 6. Schlusswort 7. Literaturangabe 8. Anhang

3 1. Einleitung Um bei der Produktion von Serienteilen die gewünschte Qualität zu erreichen ist es notwendig sogenannte Prototypen herzustellen. Diese sind eine genaue Abbildung des endgültigen Produktes, bestehen aber nicht aus dem selben Material und werden mit anderen Fertigungsmethoden hergestellt. Durch die Herstellung eines Prototyps wird eine gute visuelle Darstellung des Endproduktes möglich. In der Vergangenheit wurden diese Prototypen aus leicht zu bearbeitendem Materialien, z.b. Holz oder Leichtmetallen, auf konventionelle Weise angefertigt. Die Fertigung mit Fräsmaschinen, Drehbänken und anderen Maschinen (spanende Bearbeitung) erwies sich stets als enorm zeitaufwendig und kostenintensiv. Darüber hinaus waren nachträgliche Änderungen, am Modell in gleicher Weise aufwendig und teuer. So blieb es nicht aus, dass ein endgültiger Prototyp erst nach mehren Monaten zur Verfügung stand. Seid den neunziger Jahren jedoch werden Verfahren eingesetzt, die die Kosten und den Zeitaufwand auf ein viel geringeres Niveau fallen lassen, als es bis dahin möglich gewesen wäre. Diese Verfahren kürzen die Zeit von der Idee bis zum Prototyp auf wenig Wochen, was eine enorme Kosteneinsparung zur Folge hat. Der Oberbegriff dieser Herstellungsverfahren nennt sich Rapid Prototyping (RP) und kommt heute in der Industrie immer häufiger zum Einsatz. Einige Verfahren des RP werden in den folgenden Kapiteln beschrieben und erläutert. 1.1 Kurze Erläuterung zum RP Im Wesentlichen können die RP- Vefahren in zwei Gruppen geteilt werden: - in die Modellherstell- Verfahren - in die Abformverfahren.

4 Jede Gruppe hat für sich einen schematischen, je nach Verfahren, ähnlichen Ablauf im Herstellungsprozess: a) Herstellungsprozess des Modellherstell- Verfahren 1. Idee 2. Idee zu Papier bringen 3. Erstellen einer 2D- Zeichnung in einem CAD- System 4. Erstellung einer 3D- Zeichnung aus der 2D- Zeichnung 5. Erstellen von Support und Stützkonstruktionen * 6. Slicen des Modells im CAD- System * 7. Erstellen eines STL- Datensatzes (siehe Kapitel 2.2) * 8. Übergabe des STL- Daten an den Prototyper 9. Bauen des Modells 10. Entnahme des Modells und grobe Vorreinigung 11. Entfernen der Support und Stützkonstruktionen 12. Nachbearbeitung der Modelle durch Schleifen, Polieren, Sandstrahlen und Lackieren möglich b)herstellungsprozess des Abform- Verfahren 1. Anfertigung eines Urmodells mittels Modellherstell- Verfahren 2. Erstellung eines Silikonabgusses des Urmodells 3. Füllen der Silikonform mit, je nach Verfahren, dem erforderlichem Material 4. Entformen des fertigen Teils Nach Durchführung aller Prozesspunkte ist das Modell bzw. der Prototyp (oder daraus gefertigte Formen für die Gussfertigung) einsetzbar. * Begriffserklärung - Support- und Stützkonstruktionen sind unterstützende Ränder bzw. Verstrebungen, die das Objekt bei der Herstellung stabilisieren sollen. Diese werden anschließend wieder entfernt. - Slicen bedeutet: bei der Zerlegung der 3D- Konstruktion in 2D- Querschnitte entstehen gleichdicke Schichten - Für die Ansteuerung generativer Fertigungsanlagen müssen die Geometriedaten im STL- Format übergeben werden. Das verwendete CAD- System muss demnach über eine solche Schnittstelle als Ausgabeformat verfügen.

5 Im Folgendem werden die wichtigsten und bekanntesten Verfahren des RP aufgeführt und erläutert. Modellherstellverfahren des RP 1.Solid Object Printing Kapitel Stereolithographie Kapitel Selektives Laser Sintern Kapitel 2.3 Abformverfahren des RP 4. Rapid Tooling Kapitel D - Keltooling Kapitel 2.5

6 2. Vorstellung der Verfahren a) Modellherstellverfahren 2.1 Solid Object Printing (SOP) Was ist SOP Das SOP ist ein Verfahren zur Herstellung von Anfangsmodellen die schnell zur Verfügung stehen müssen. Dabei kommt es nicht auf die Detailierung an, sondern in erster Linie auf die Formgebung und Dimensionierung des Objektes. Die, bei diesem Verfahren verwendeten Materialien basieren auf einem Thermopolymer, das zunächst pulverförmig vorliegt und durch Erhitzen und Abkühlen eine feste Masse bildet Das Prinzip Zu Anfang wird eine CAD- Zeichnung, mit allen Supports-, Stützkonstruktionen und Slices erstellt. Die Daten werden in einen sogenannten Solid Object Printer eingegeben. Dieser Printer arbeitet ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker, wobei die Spritzdüsen im Druckkopf, anstelle der Tinte, einen Werkstoff auf Thermopolymerbasis verarbeiten. Der Druckkopf ist computergesteuert und kann in x- und y- Richtung bewegt werden. Der Werkstoff ist zunächst pulverförmig und wird durch Erhitzen auf 90 C verflüssigt. Im flüssigem Zustand wird er durch die Düsen gedrückt und schichtweise auf eine Oberfläche aufgetragen. Anhand der Slice- Daten, wird die Oberfläche in z- Richtung gesteuert. Nach jeder aufgetragenen Schicht wird die Oberfläche und die Schichtdicke abgesenkt und die nächste aufgetragen. Der flüssige Werkstoff härtet bei Raumtemperatur aus und bildet das Modell Schicht für Schicht dreidimensional ab. Diese Modelle sind mechanisch stabil und können problemlos nachbearbeitet werden. Vorteile: - Schnelle Herstellung eines Modells - Kann in direkter Büroumgebung gefertigt werden Nachteile: - Modelle sind nicht mit großer Detaillierung herstellbar

7 2.2 Stereolithographie (SL) Was ist Stereolithographie Stereolithographie ist das am meist weitverbreitete RP- Verfahren und ermöglicht, aufgrund seiner Präzision der erstellten Teile, den Einsatz der Prototypen als Urmodelle für das Rapid Tooling (Kapitel 2.4). Im Gegensatz zum SOP kommt es bei der SL sehr stark auf das Detail des Prototypen an. Bei diesem Verfahren werden die 3D- Daten mit alle Support, Stützkonstruktionen und Slices in STL- Daten umgewandelt. STL bedeutet Standard Transformation Language Prinzip Zunächst wird das vorhandene 3D- CAD- Modell mit Hilfe der STL- Schnittstelle in einen standardisierten Datensatz transformiert. Der STL- Datensatz beschreibt die Bauteilgeometrie. Diese wird durch sehr dünne Schichten auf den Prozessrechner der Stereolithographie- Maschine übertragen. Bei dem Stereolithographie- Prozess wird die Oberfläche eines flüssigen Photopolymer- Harzes mit einem UV- Laserstrahl, gemäß dem STL- Datensatz, selektiv belichtet. Das Harz befindet sich dabei in einem Behälter, in dem das Modell hergestellt wird. Durch die Einwirkung des Lasers härtet das Harz durch Photopolymerisation an den belichteten Flächen aus. Anschließend wird die Bauteilplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue dünne Schicht Photopolymer-Harz bedeckt das schon erhärtete Harz. Durch Wiederholung dieser Schritte wird schrittweise die vollständige Geometrie von unten nach oben aufgebaut. Das so entstandene Bauteil wird abschließend nachgehärtet und entgratet. Stereolithographie- Bauteile zeichnen sich durch eine sehr hohe Maß- und Formhaltigkeit aus und können je nach Anwendung auch als Funktionsmodelle eingesetzt werden. Vorteile: - Die Stereolithographie ist das genauste RP- Verfahren, das es im Moment gibt. Die Genauigkeit wird heute durch die Maschinen und nicht durch physikalische Grenzen beschränkt. Beispielsweise sind die minimalen darstellbaren Stegbreiten im Wesentlichen eine Funktion des LASER- Strahldurchmessers. Der Feinheit der z- Abstufungen sind verfahrensbedingt keine Grenzen gesetzt.

8 - Grundsätzlich ist es möglich, durch entsprechende Steuerungs- und Belichtungsstrategien die Berandungen der x- y- Flächen in z- Richtung anzudeuten um somit eine gleichmäßige z- Modellierung zu erreichen. - Die Begrenzung bildet die Benetzbarkeit einer festen Schicht durch die flüssige Monomerschicht, ausgedrückt durch das Verhältnis der Volumenkraft und der Oberflächenspannungen. Dünne Schichten neigen folglich zum Aufreißen. - Die Stereolithographie erlaubt nicht nur die Herstellung interner Hohlräume, sondern auch verfahrensbedingt deren völlige Entleerung. Dazu muss eine Drainageöffnung vorhanden sein, die aber deutlich kleiner als der Hohlraumquerschnitt ausfallen darf. Zusammen mit dem weiteren Vorteil, dass die Materialien transparent sind, erlaubt dies die visuelle Beurteilung interner Hohlräume. - Komplexe Modelle oder solche mit größeren Abmessungen als der Bauraum sind aus einzelnen Teilmodellen unter Verwendung des gleichen photosensiblen Harzes als Kleber und von UV Strahlquellen zum lokalen Aushärten zu beliebig komplexen Gesamtmodellen zusammengesetzt, ohne dass die Trennstellen visuell oder bezüglich der mechanischen technologischen Eigenschaften bemerkt werden. - In einem gewissen Umfang können die Modelle spanend bearbeitet, lackiert oder durch Sandstrahlen und Schleifen nachbearbeitet werden. - Das nicht ausgehärtete Monomer kann man wiederverwenden und vollständig polymerisiertes Harz kann wie Hausmüll behandelt werden. Nachteile: - Die Stereolithographie ist verfahrensbedingt an ein photosensitives Material gebunden. Bei der Harzentwicklung steht deshalb diese Eigenschaft im Vordergrund. Üblicherweise primäre Materialeigenschaften wie Zugfestigkeit, Elastizität, Temperaturbeständigkeit usw. rangieren in der Wertigkeit dahinter. Die Materialentwicklung ist zudem auf den Anwendungsfall STL beschränkt und bezüglich der auf das Produkt abwälzbaren Kosten alleine mit diesem Markt korreliert. - Der Rohling muss mit Lösungsmitteln gereinigt werden. Dies bedingt zum einen die Lagerung, Handhabung und Entsorgung von Lösungsmitteln und zum andern einen weiteren zeitaufwendigen Teilprozess.

9 2.3 Das Selektives Laser Sintern (SLS) Was ist Laser - Sintern Beim SLS handelt es ich um ein Sinterverfahren lokalen Aufschmelzens von pulverförmigen Ausgangsmaterial durch einen CO 2 - Laser. Dabei verschmelzen die einzelnen Pulverkörner miteinander, wie das bei den herkömmlichen Sinterverfahren der Fall ist. Auch hier wird das Modell Schicht für Schicht aufgebaut Prinzip Der CO 2 - Laser erhitzt das Material bis auf 200 C, was das Aufschmelzen zur Folge hat. Der Werkstoff wird schichtweise auf eine Plattform aufgebaut. Mit den vorliegenden Dateninformationen, im STL- Format des 3D- CAD- Modells, wird das Bauteil schrittweise in einem Pulverbett erzeugt. Die Daten steuern den Laserstrahl entlang des Bauteilquerschnittes. Schicht für Schicht erfolgt die Bearbeitung um eine Dicke von 0,1-0,2 mm. Bei der Absenkung der Plattform stellt der Pulverbehälter die Pulvermenge für eine weitere Schicht zur Verfügung. Die vom Laser zugeführte Energie wird vom Pulver absorbiert und führt zu einer lokalen Verfestigung des Materials. So lassen sich Entwicklungsmuster, Muster für den Werkzeugbau, Urmodelle für Abgüsse aus Silikonformen, Versuchsmuster, Funktionsmuster oder Kleinserien herstellen. Vorteile: - Die Verbindung aufgrund thermischer Einwirkungen durch den Laserstrahl erschließt dem selektiven LASER- Sintern gegenüber der SL eine wesentlich größere, theoretisch sogar unbegrenzte Materialpalette. Die resultierenden Modelle sind je nach Werkstoff mechanisch und thermisch belastbar. Für viele Anwendungsfälle erreichen sie den Status von Funktionsmodellen. - Es handelt sich grundsätzlich um ein einstufiges Verfahren. Eine Nachvernetzung ist nicht notwendig. Es werden keine Stützkonstruktionen benötigt. - Zur Reinigung sind keine Lösungsmittel erforderlich. Die Modelle sind sofort einsetzbar.

10 Nachteile: - Die erzielbare Modellgenauigkeit ist grundsätzlich durch die Größe der Pulverteilchen limitiert. Die erzielbare Baugeschwindigkeit und die dazu notwendigerweise einzubringenden LASER- Energie hängt vom zu verarbeitendem Material und dessen Absorptionsverhalten und Wärmeleitfähigkeit ab. - Interne Hohlräume sind schwieriger zu reinigen als bei der SL. Der Verbleib loser oder nur leicht angeklebter Partikel ist nicht zu vermeiden. Diese Partikel beeinträchtigen die Genauigkeit und können sich beim späterem Gebrauch des Modells zu unvorhersehbaren Zeiten lösen. Die Teile sind deshalb bei medizinischen Anwendungen für den Gebrauch im Operationssaal nicht sterilisierbar. - Um die Oxidation des Materials beim Sintervorgang zu vermeiden, wird unter Inertgas- Atmosphäre gearbeitet. - Da der Sintervorgang in der Nähe der Schmelztemperatur stattfindet, muss das gesamte Pulverbett zur Erzielung eines effizienten Sintervorgangs gleichmäßig bis in die Nähe dieser Temperatur vorgeheizt werden. Die Temperatur ist in engen Grenzen zu halten, d.h. nur wenige Grad Celsius Abweichung. Die Aufheiz- und Abkühlvorgänge sind sehr zeitintensiv. b) Abformende Verfahren 2.4 Rapid Tooling (RT) Was ist Rapid Tooling Unter Rapid Tooling werden die Anwendungen verstanden, die zum Ziel haben, unter Einsatz von RP - Verfahren Werkzeuge und Formen zur Herstellung von Prototypen und Vorserien zu bauen. Das betrifft das Modell und die Form gleichermaßen. Vor diesem Hintergrund wird RT zum zeitbestimmenden Faktor in der zweiten Phase der Produktentwicklung, der Optimierung des eigentlichen Produktes und der Entwicklung der Produktionsmittel und deren Fertigung. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von RT - Verfahren: - direktes Rapid Tooling - indirektes Rapid Tooling a) direktes Rapid Tooling

11 Direktes RT ist eine Anwendung der RP Technologie im Sinne einer Strategie. Die Verfahren des direktem RT sind somit identisch mit denen des RP oder basieren auf den gleichen Prinzipien. b) indirektes Rapid Tooling Indirektes RT ist die Herstellung von Werkzeugen durch Abformen von RP Urmodellen. Ein indirektes RT - Verfahren ist zum Beispiel das Keltooling, das in Kapitel 2.5 beschrieben wird. Beide, die direkte und die indirekte Methode, werden, obwohl sie völlig verschiedenen Grundsätzen folgen, oft zusammengefasst als RT. Unter RT ist im allgemeinen die Herstellung von metallischen Werkzeugen zu verstehen D- Keltooling Was ist 3D- Keltooling Das 3D- Keltooling basiert auf der Abformung von Stereolithographie- Urmodellen durch Langzeit- Niedertemperatur- Versinterung einer speziellen, zunächst als Pulver vorliegenden Metall- Kunststoff- Mischung. Der Prozess verknüpft die Vorteil der SL, die hohe Genauigkeit und die gute Oberflächenqualität, mit den guten Abbildungseigenschaften weicher Silikonformen Prinzip Von einem Positiv- Urmodell wird über einen Zwischenabguss ein Hochtemperatur- Silikonabguss erstellt. Dieser wird mit der thixotropen Keltool- Masse aus polymergebundenem Wolframkarbid und Werkzeugstahl ausgegossen, die dann zu einer harten Form ausreagiert. Wolframkarbid und Werkzeugstahl werden dabei durch ein Bindemittel, ähnlich wie beim Sintern zusammengehalten. Je nachdem, ob man das Positiv oder das Negativ als Urmodell verwendet, ist ein einfacher oder doppelter Abformprozess notwendig. Durch Erhitzen wird das Pulver verflüssigt und die Partikel werden durch Verdichtung in alle Richtungen der Form verteilt und bilden die Geometrie genau ab, da sich Partikel mit feiner Körnung an der Kontur der Form absetzen. Die Pulvermischung erhält durch Aushärtung ihre Grünfestigkeit. In einem reduzierenden Prozess mit Wasserstoff, bei ca. 120 C, wird das Bindemittel unter Druck ausgetrieben und die poröse Form versintert. Die Hohlräume

12 werden anschließend mit Kupfer infiltriert. Details des Prozesses selbst sind geheim. Mit diesem Verfahren werden Härten der Modelle von bis zu 44 HRC (Härte nach Rockwell) erreicht. Die Herstellungszeit vom SL- Urmodell bis zu einem 3D- Keltool- Einsatz wird mit ca. 10 Stunden angegeben und dauert damit deutlich länger als bei den unterschiedlichen Metallsinterverfahren, liefert aber besser Oberflächen und feinere Details. In Abhängigkeit von der Komplexität der Form ist eine nennenswerte Zeitersparnis insbesondere gegenüber Erodierverfahren zu verzeichnen, die im Einzelfall im Bereich von 30% liegen kann. Vorteile: - Aufgrund der unterschiedlichen Korngrößen lassen sich Formen im Keltool- Verfahren genau abbilden. Nachteile: - Recht hoher Zeitaufwand, der mit höheren Kosten verbunden ist. Für einfache Vorserienteile, sind deshalb die herkömmlichen Sinterverfahren von Vorteil.

13 3. Objektgrößen Alle Herstellprozesse erfolgen in kleinen bis mittel großen Maschinen, die nur einen begrenzten Herstellraum zur Verfügung stellen können. Dadurch sind folglich die herzustellenden Objektgrößen begrenzt. Die folgende Tabelle beinhaltet einige Verfahren, mit den jeweils zu erreichenden Größen der Modelle, in einem Arbeitsgang: Herstellverfahren Max. Modellgröße [mm] Hersteller SOP 250 x 190 x 200 3D - Systems SL 508 x 508 x 584 3D - Systems SLS 350 x 350 x 590 Muchneyer Tabelle1:Objektgrößen Solche Maße sind nach Hersteller verschieden und hängen von deren Maschinengröße ab. Um größere Modelle zu fertigen, werden diese in Einzelteilen hergestellt und anschließend zusammengesetzt. Bei SOP und SLS werden die Einzelteile mit dem gleichen Rohmaterial zusammengefügt, aus dem auch die Teile selbst bestehen. Bei SL müssen die Einzelkomponenten miteinander verschraubt oder anderes zusammen gebracht werden. Bei den erwähnten RT- Verfahren ist die zu erreichende Größe immer von den SL- Urmodellen abhängig. 4. Weitere Verfahren Weitere Verfahren des RP sind: - Kunststoffvakuumguss - Vakuum Formguss Diese werden jetzt im einzelnen noch kurz beschrieben.

14 Kunststoffvakuumguss Der Kunststoffvakuumguss ist ein Vervielfältigungs- Verfahren, welches die SL- Modelle nutzt, um Vervielfältigungen in seriennahen Kunststoffen zu erstellen. Hierzu wird das SL- Modell mit einer Silikon- Kautschukmasse umgossen, die dann einen Negativabdruck enthält. Nach dem Aushärten dieser Masse wird die so entstandene Form aufgeschnitten und das Originalteil entformt. Das gewünschte Material wird dann unter Vakuum in die zusammengefügte Silikonform gegossen. Herstellbar sind Teile mit Eigenschaften, Aussehen und Verhalten von weich, PVC- artig über Polypropylen-,Polyethylen- bis ABS- artig, sowie optisch klar und hochtemperaturbeständig. Vakuum Formguss: Der Vakuum- Formguss liefert ausgehend von 3D- Daten Prototypen in allen schmelzbaren Legierungen mit Schmelztemperatur kleiner als 1300 C. Die Anlage besteht aus einer Vakuumkammer mit Energieversorgung und Steuerung. Verschiedene Module können nach Notwendigkeit in der Kammer angeschlossen werden. Die Module erlauben die Vervielfältigung von Prototypenteilen in Wachsmodellen, respektive in Metallgussprototypen. Die Abwicklung der Arbeitsgänge erfolgt über eine speicherprogrammierbare Steuerung, so dass eine gleichbleibende Qualität der Prozesse gewährleistet ist. SL- Positive werden mehrfach abgeformt und ergeben Metallpositive. Das Schmelzen wird druckbeaufschlagt vergossen und sichert so eine hohe Qualität. Natürlich gibt es noch weitere Verfahren, die hier aber nicht weiter besprochen werden sollen (siehe Quellen).

15 5. Materialien Je nach Herstellung und Anwendung der Prototypen werden diese aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt. Für das SOP werden ausschließlich Thermopolymerharze verwendet, die durch Erhitzen verflüssigt werden und bei Raumtemperatur aushärten. Für die Stereolithographie werden Polymerharze verwendet, die durch Polymerisation verfestigt werden. Für das SLS können alle Materialien verwendet werden, die sich aufschmelzen lassen und sich nach dem Abkühlen wieder verfestigen. Im Anhang befinden sich Tabellen mit aufgelisteten Materialien zu jedem einzelnen Verfahren. 6. Schlusswort In Zukunft werden sich die RP Verfahren weiterentwickeln und ihren Vormarsch in der Industrie ausbauen, da der time to market - Punkt immer größere Bedeutung haben wird. Es werden neue Verfahren hinzukommen, und die alten überarbeiten. Alles in allem werden durch die RP- Verfahren enorme Zeit- und Kostenersparnisse gewährleistet, wie es in keinem anderen Industriezweig möglich ist, oder sein wird.

16 7. Literaturangabe - Gebhardt, Andreas: Rapid Prototyping. Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 2. Auflage. München: Carl Hanser Verlag Prototypen und Vorserien. Martin Ciupek. IN: konstruktionspraxis Zeitschrift 3D@work. INFOMAGAZIN 3D SYSTEMS 1/2000 3/ Proschüre: Mit Rapid Prototyping & Manufacturing Systemen von 3D Systems. - MUCHEYER Engineering GmbH Firmenbroschüre