Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern

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1 Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Das Vakuum-Differenzdruck-Gießen, eine Sonderform des Feingießens, ist vor allem für Kleinstserien und den Prototypenbau wichtig. Mit Hilfe von 3D- Druckern werden hierbei aus formlosem Stoff Schicht für Schicht feste und massive Körper aufgebaut. Diese dienen anschließend als Urmodelle für die Erstellung der Gießform. Für die tatsächliche Formgebung der Gießform ist aber lediglich die äußere Schale des Urmodells maßgeblich, so dass die Verwendung von Hohlkörpern zur Material- und somit Kosteneinsparung möglich ist. Dazu wurde eine Topologieoptimierung an einem Zylinder (Höhe 60 mm, Durchmesser 60 mm) durchgeführt. Die dabei erarbeiteten und anschließend gedruckten Hohlzylinder werden in diesem Beitrag gescannt, analysiert und die Ergebnisse ausgewertet. Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern Einleitung Die Figur eines Tanzmädchens aus der Indus-Kultur von etwa v. Chr. gilt als das älteste Beispiel eines Gusses im Wachsausschmelzverfahren. Auch Ägypter und Chinesen unter der Shang-Dynastie wandten das Verfahren in seiner grundlegenden, handwerklichen Form an. (Allendorf 1956) Die industrielle Nutzung des Verfahrens begann zu Beginn des 20. Jahrhunderts. U. a. nutzten Zahnärzte und -techniker das Verfahren für humanmedizinische Zwecke (Zahnprothesen). (Allendorf 1956, Aue et al. 2008) Mitte der fünfziger Jahre etablierte sich das Verfahren im Maschinenbau und in der Feinwerktechnik. Wurden anfangs vorwiegend Eisen- und Stahllegierungen vergossen, dominieren heute vor allem Kobalt- und Nickel- Basislegierungen sowie Aluminium-, Kupfer- und Titanlegierungen die Feingusswerkstoffe. Einen weiteren bedeutsamen Entwicklungssprung brachten in technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht die preiswert nutzbaren Rapid-Prototyping- Verfahren. Damit sind heute auch Kleinst- und Kleinserien im Feingießver- 725

2 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote fahren wirtschaftlich und schnell herstellbar. Dank dieser hohen Wirtschaftlichkeit und der Qualitätsvorteile wird der Feinguss heute in der gesamten Industrie verwendet (Aue et al. 2008). Gerade bei Kleinst- und Kleinserien ist die Wirtschaftlichkeit stark von den Kosten der Ausschmelzmodelle abhängig. Da für die Herstellung einer Negativform (Kavität) lediglich die äußere Gestalt des abzuformenden Körpers nötig ist, können Hohlkörper verwendet werden. Auf diese Weise wird teures Material für die generative Fertigung gespart und so die Kosten reduziert (Gebhardt 2013). Stand der Technik Abbildung 1 zeigt den Feingießprozess mit seinen traditionellen sowie alternativ generativen Prozessschritten. Ausgangspunkt für das Feingießen ist ein CAD-Datensatz des Negativ- oder Positivmodells, der bereits die nötigen Bearbeitungs- und Schwindungszugaben enthält. Bei der Serienfertigung werden die Ausschmelzmodelle durch Wachsinjektion in eine gefräste Aluminiumform hergestellt (linker Strang). Bei mittleren Stückzahlen wird ein Urmodell generativ erzeugt. Mit diesem Urmodell wird im Vakuumgießverfahren eine Silikonform erstellt. In die fertige Silikonform wird Wachs eingespritzt oder gegossen und so die benötigte Anzahl von Wachslingen gewonnen (mittlerer Strang) (Gebhardt 2013). Eine Variante, die ohne Werkzeug auskommt, ist die generative Herstellung des Ausschmelzmodells; weil das teure Werkzeug entfällt, ist dieses Verfahren besonders bei Prototypen, Kleinst- und Kleinserien sehr wirtschaftlich (rechter Strang). Entscheidend für die Wahl des RP-Verfahrens ist die rückstandslose Verbrennung des Materials. Die am häufigsten verwendeten generativen Fertigungsverfahren sind beim Feingießen das Thermojet-Verfahren und das Stereolithographie-Verfahren. Um Stereolithographie-Bauteile direkt für das Feingießen nutzen zu können, ohne beim Ausbrennen der Urmodelle das sogenannte shell-cracking (Reißen der Schale) befürchten zu müssen, haben einige Hersteller von 3D-Druckern spezielle Hohlbauverfahren entwickelt (Gebhardt 2013). 726

3 Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern Abbildung 1: Feingießprozess; Verschiedene Wege zum fertigen Gussteil (Gebhardt 2013) 727

4 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Technologiebedingt ist es bei dem im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzten Polyjet-Verfahren aber nicht möglich Hohlräume zu fertigen, denn das zwingend benötigte Stützmaterial kann später nicht entfernt werden. Deshalb sind die Körper im CAD-Programm zu teilen, so dass der Körper aus zwei oder mehr Teilen besteht, die später miteinander zu verkleben sind. Die Gießtrauben (oder Wachsbäume) werden klassisch in mehreren Arbeitsgängen in Keramikschlicker getaucht, besandet und getrocknet. Dieser Prozess benötigt einige Tage bis eine ca. 8 mm dicke Schale in mehreren Zyklen entsteht. Neben dem Schalenformverfahren kommen auch Kompaktformen, bei denen Gips und eine Küvette die Stabilität gewährleisten, zum Einsatz. Die Formen werden in einem Ofen gebrannt; Wachs bzw. Modellmaterial verbrennen dabei. In die Kavität der gebrannten Form wird darauffolgend das flüssige Metall gegossen. Es folgen das Putzen, das Entfernen des Gießsystems sowie nötigenfalls eine spanende Nacharbeit. Toleranzanforderungen Die Optimierung eines Fertigungsprozesses setzt das Vorhandensein entsprechender Anforderungen an das Endprodukt voraus. Nur so ist eine anschließende Beurteilung der Qualität des auf modifiziertem Weg produzierten Produkts möglich. Bei der vorliegenden Arbeit ist das fertige Produkt ein gedrucktes Ausschmelzmodell, mit welchem die Form für einen feingegossenen Zylinder mit einer Höhe von 60 mm und einem Durchmesser von ebenfalls 60 mm erstellt wird. Da sich eventuelle Maß- und Formabweichungen der generativ gefertigten Ausschmelzmodelle verfahrensbedingt direkt auf die Form und damit auf das Gussteil übertragen, müssen die Ausschmelzmodelle bereits den geltenden Toleranzanforderungen des Feingießens entsprechen. Neben den generell einzuhaltenden Allgemeintoleranzen der DIN ISO : , gilt es beim Feingießen weitere Anforderungen einzuhalten. In der Regel ist für die Herstellung von Feingussteilen die BDG-Richtlinie P690 vom Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie (BDG) bindend. Die auch als VDG-Merkblatt bekannte Richtlinie beinhaltet dabei alle für die Toleranzanforderungen im Feingießen notwendigen Informationen. Als Basis für die P690 dienen die Normen des Deutschen Instituts für Normung (DIN), International Organization for Standardization (ISO), Europäische Normen (EN) sowie weiteren Richtlinien des BDG. (BDG 2010) 728

5 Einflüsse Auf die Qualität eines generativen Bauteils wirken sich im Laufe seiner Entstehung eine Vielzahl von Einflussfaktoren aus, welche in Abbildung 2 dargestellt sind. Abbildung 2: Einflüsse auf die Fertigungsgenauigkeit des Polyjet-Verfahrens Bereits beim Erstellen des 3D-Modells im CAD-System können Fehler auftreten, die Auswirkung auf die Geometrie bzw. Größe des Modells haben. Bei der Konvertierung in das STL-Format, welches zwingend vom Drucker benötigt wird, kann es durch verschiedene Einstellmöglichkeiten ebenfalls zu Ungenauigkeiten kommen. Da die Objet Eden330 in den drei Koordinatenrichtungen jeweils unterschiedliche Auflösungen besitzt, spielt die Ausrichtung/Positionierung im Bauraum eine weitere Rolle in Bezug auf die Genauigkeit des späteren Bauteils. Weitere Einflüsse ergeben sich durch das Alter des Druckers, dessen Wartungszustand und die Umgebungsbedingungen. Weiterhin wirken sich die Nacharbeiten mit dem Entfernen des Stützmaterials mithilfe einer Wasserstrahlanlage und das abschließende Bad in der Natriumhydroxidlauge auf die Bauteile aus. (Träger 2013) Naturgesetzlich entstehen beim Erstarren und Erkalten von Gussteilen Volumenkontraktionen durch Schrumpfen und Schwinden. Auch durch das Schwinden der verlorenen Modelle und durch das Ausdehnen der Gießformen beim Erhitzen, ergeben sich weitere Einflüsse bei der Erzeugung von Feingussteilen. All diese Einflüsse sind durch Schwindmaße beim Herstellen der generativen Modelle zu beachten. Neben der Gussstückkontur, dem Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern 729

6 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Modellwerkstoff, der Formkeramik und dem Gusswerkstoff hängen diese Erfahrungswerte aber auch von der speziellen Fertigungstechnik der jeweiligen Feingießerei ab (Aue et al. 2008). Weiterhin sei angemerkt, dass aufgrund der Vielzahl von Einflussfaktoren ein i. O. Ausschmelzmodell zu einem n. i. O. Gussteil, auf der anderen Seite ein n. i. O. Ausschmelzmodell aber auch zu einem i. O. Gussteil führen kann. Geltungsbereich und Einteilung Die von Feingussteilen erreichbaren Maßtoleranzen hängen außerdem entscheidend vom Gusswerkstoff sowie den Abmessungen und der Gestalt des Gussstückes ab. Deshalb gelten gemäß BDG P690 für verschiedene Werkstoffgruppen auch verschiedene Toleranzreihen. Jede Werkstoffgruppe ist zusätzlich in drei Genauigkeitsgrade unterteilt. Der Genauigkeitsgrad 1 gilt dabei für alle Freimaße, der Genauigkeitsgrad 2 gilt für zu tolerierende Maße und der Genauigkeitsgrad 3 kann nicht bei allen Maßen eingehalten werden und ist mit dem verantwortlichen Gießer abzustimmen. Gemäß dieser Aufteilung nimmt die Genauigkeit mit steigendem Genauigkeitsgrad zu. (BDG 2010) Die Geometrie eines Zylinders wird von Durchmesser und Höhe bestimmt, somit sind diese Maße die zu tolerierenden Größen. Da im Verlauf der vorliegenden Forschungsarbeit ausschließlich Aluminium verarbeitet wird, ist für die Betrachtungen lediglich die Werkstoffgruppe A mit dem Genauigkeitsgrad A2 relevant. Lineare Maßtoleranzen Die linearen Maßtoleranzen sind gemäß BDG-Richtlinie P690 in verschiedene Nennmaßbereiche unterteilt. Für eine Zylinderhöhe von 60,75 mm gilt somit der Nennmaßbereich von 50 mm bis 80 mm. Dementsprechend ist eine Längenmaßtoleranz (DCT) von 0,74 mm zulässig. Das entspricht einem Maßtoleranzgrad (DCTG) von 6. (BDG 2010) Die Lage des Toleranzfeldes ist zum Nennmaß frei wählbar. Es ist vorteilhaft das Toleranzfeld gleichmäßig um das Nennmaß zu verteilen. Dies bedeutet beim betrachteten Zylinder, dass die Höhe des Zylinders 60,75 ± 0,37 mm betragen muss. D. h. der minimale Abstand zwischen Deck- und Bodenfläche des Zylinders muss größer als 60,38 mm sein und der maximale Abstand darf nicht mehr als 61,12 mm betragen. 730

7 Form- und Lagetoleranzen Die Abweichungen eines Formelementes von dessen idealer Form oder Richtung oder von dessen genauem Ort sind durch Form- und Lagetoleranzen begrenzt. Laut der BDG-Richtlinie P690 mit Stand Juli 2010 sind Formund Lagetoleranzen zwischen Kunde und Lieferant individuell zu vereinbaren. (BDG 2010) Für die vollständige Verifizierung der betrachteten Zylinder sind diese jedoch auch zu betrachten. In der BDG-Richtlinie P690 von 1999 sind diese Toleranzen enthalten und sollen für die Untersuchung der Zylinder gelten. Für den Nennmaßbereich von 50 mm bis 80 mm in der Werkstoffgruppe A mit der Genauigkeitsklasse 2 sieht die Richtlinie folgende Toleranzen vor: Geradheit, Linienform 0,3 mm Ebenheit, Flächenform, Rundheit 0,4 mm Parallelität, Symmetrie 0,4 mm Koaxialität, Zylinderform 0,7 mm. (VDG 1999) Rundungshalbmesser Die BDG-Richtlinie P690 gibt ferner Toleranzbereiche für Rundungshalbmesser (Radien) vor. Diese sind für alle Werkstoffgruppen gleich. Im relevanten Nennmaßbereich (über 10 bis 120 mm) ist der Rundungshalbmesser mit ±0,5 mm zu tolerieren. D. h. beim betrachteten Zylinder darf der minimale Radius nicht kleiner als 30,125 mm und der maximale Radius nicht größer als 30,625 mm sein. Der Durchmesser muss 60,75±0,5 mm betragen. Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern Versuchsaufbau Für das generative Fertigen der Ausschmelzmodelle wird eine Objet Eden330 genutzt. Dieser nach der Polyjet-Technologie arbeitende Drucker besitzt eine Auflösung von 600 x 300 x 1600 dpi (L x B x H), d. h., die Schichtstärke beträgt nur 0,0016 mm. Die maximal nutzbare Größe des Bauraums beträgt 340 x 330 x 220 mm. (Objet 2004) Für die Digitalisierung der Ausschmelzmodelle wird ein 3D-Scanner vom Typ ATOS Compact Scan 2M der Firma Gesellschaft für Optische Messtechnik (GOM) verwendet. Die technischen Daten des Scanners mit der Kameraposition 300 und dem Messvolumen 125 sind in Tabelle 1 aufgeführt. (GOM 2012) 731

8 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Tabelle 1: Technische Daten ATOS Compact Scan 2M in Sensorkonfiguration (GOM 2012) Kriterium Wert Kamerapixel Messvolumen Messpunktabstand Messabstand mm 0,075 mm 570 mm Der ATOS Compact Scan 2M ist ein hochauflösender 3D-Scanner, der in der Lage ist ein Messobjekt in kürzester Zeit zu erfassen und präzise Messedaten zu erzeugen. Mithilfe der Streifenlicht-Technologie werden die zu digitalisierenden Objekte abgetastet und in eine hochauflösende Punktwolke überführt. Das Zusammensetzen der einzelnen Scans zu einem geschlossenen Netz erfolgt über Referenzpunkte, die sowohl auf dem gekoppelten Drehtisch als auch auf den Zylinder haften. Dank des gekoppelten Drehtischs erfolgen die 360 Messungen der Zylinder vollautomatisch. Die folgende Abbildung 3 zeigt auf der linken Seite den verwendeten Drucker vom Typ Objet Eden330 und auf der rechten Seite den 3D- Streifenlichtscanner GOM ATOS Compact Scan 2M beim digitalisieren eines Zylinders. Abbildung 3: Objet Eden330 (links), GOM ATOS Compact Scan 2M beim Digitalisieren eines Zylinders (rechts) Versuchsdurchführung In einem vorherigen Beitrag wurden mit der Software Hyperworks von Altair verschiedene Topologien (innere Strukturen) von Zylindern untersucht sowie eine anschließende Topologieoptimierung durchgeführt. (Kuhlmann et al. 732

9 2013) Die daraus resultierenden Hohlzylinder wurden im CAD-Programm mittig halbiert, so dass zwei baugleiche Zylinderhälften zu drucken sind. Dies ist notwendig, da es technologiebedingt mit dem von Objet Geometries Ltd. entwickeltem Polyjet-Verfahren nicht möglich ist Hohlräume zu drucken. Das zwingend benötigte Supportmaterial wäre später nicht entfernbar. Für die Untersuchungen wurden auf der Objet Eden330 zwei verschiedene Zylindertypen in jeweils dreifacher Ausführung gedruckt. Abbildung 4 zeigt die verschiedenen Typen in einer Schnittdarstellung. Abbildung 4: Zylindertyp 1 (topologieoptimiert, links), Zylindertyp 2 (Erfahrungswerte, rechts) Die innere Struktur des Zylindertyps 1 (links) basiert auf den Ergebnissen der Topologieoptimierung. Der Zylindertyp 2 (rechts), mit einer Säule als Verstärkung, ist aus Erfahrungswerten konstruiert. Nach dem Drucken erfolgt das Entfernen des Supportmaterials mithilfe eines Hochdruckwasserstrahls und dem Einlegen der Bauteil in Natriumhydroxidlauge, in der sie eine Stunde verweilen. Nach einer Trockenzeit von 2 Stunden werden die Zylinderhälften mit Sekundenkleber zu drei Hohlzylindern je Zylindertyp verklebt. Es folgt die Vorbereitung der Zylinder auf die optische Vermessung mit dem GOM ATOS Compact Scan 2M. Aufgrund der Transluzenz des Materials FullCure720 ist es unerlässlich die Zylinder mit Kreidespray zu mattieren um so eine für die Kameras einwandfrei erfassbare Oberfläche zu schaffen. Für das akkurate Zusammensetzen der Einzelaufnahme zu einem geschlossenen Netz dienen auf die Zylinder aufgeklebte Referenzpunkte. Um eine äußerliche Veränderung der Zylinder, die einerseits durch Feuchtigkeitsaufnahme andererseits durch die Materialeigenschaften auftreten können, zu erkennen, erfolgt die anschließende Digitalisierung der Hohlzylinder in exponentiellen Zeitabständen (1 h, 3 h, 6 h, 12 h, 24 h, 48 h, 96 h, 192 h und 360 h, 504 h 648 h nach dem Verkleben). Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern 733

10 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Mithilfe der zum Scanner gehörenden Software GOM Inspect, werden die aufgenommenen Daten aufbereitet und so die Form-, Lage- sowie Maßtoleranzen entsprechend der BDG-Richtlinie P690 ausgewertet. Versuchsauswertung Die Versuchsauswertung besteht nachfolgend aus zwei Teilen. Im Ersten sind die erfassten Daten graphisch veranschaulicht. Links neben den eigentlichen Skalen der Ordinaten sind zusätzlich die einzelnen Sollmaße sowie Toleranzbereiche aufgeführt. Aus Gründen der besseren Darstellung ist die Abszisse logarithmisch aufgeführt. Weiterhin ist die Legende so aufgebaut, dass die erste Zahl dem Zylindertyp entspricht und der angestellten Index dem Exemplar der Ausführung. Im zweiten Teil sind Bilder aus der Software GOM Inspect gezeichnet, mit denen die Veränderungen der beiden Zylindertypen über die Versuchszeit aufgeführt sind. Abbildung 5 zeigt die Zylinderhöhe über die Versuchszeit. Abbildung 5: Zylinderhöhe der Zylindertypen Es ist gut zu erkennen, dass zu Beginn der Messung alle Zylinder leicht über dem geforderten Sollmaß von 60,75 mm liegen, aber sich dennoch in der verlangten Toleranz befinden. Zylindertyp 1 erreicht in dem Zeitraum zwischen 50 h und 100 h seine maximale Ausdehnung und beginnt anschließend wieder zu schrumpfen. Der Zylinder Z-1.1 fällt sogar in dem Zeitraum zwischen 50 h und 200 h aus der Toleranz. Der Zylindertyp 2 hingegen erreicht kurz nach 10 h seine maximale Ausdehnung, bevor auch dieser wieder beginnt zu schwinden. Während des Schrumpfens durchlaufen die 734

11 Zylinder das Sollmaß bis fast an die untere Toleranzgrenze. Bei ca. 400 h zeigt sich erneut ein Wachstumsschub des Zylindertyps 2. In der nachfolgenden Abbildung sind die Durchmesser der einzelnen Zylindertypen aufgeführt. Bei genauerer Betrachtung wird ersichtlich, dass auch hier wie bei der Zylinderhöhe zu Beginn der Messungen der Durchmesser aller Zylinder über dem Sollmaß von 60,75 mm liegt. Abbildung 6: Durchmesser der Zylindertypen Dennoch sind die gemessenen Daten unterhalb der Toleranzgrenze von 61,25 mm und verändern sich nur marginal im Laufe der Zeit. Bei Betrachtung der einzelnen Zylindertypen zeigt sich, dass die Werte des ersten Zylindertyps näher beieinander liegen, als die des Zweiten. Die nachfolgenden Diagramme zeigen alle Form- und Lagetoleranzen, die nach der BDG-Richtlinie P690 mit Stand Juli 2010 mit dem Kunden und Lieferanten individuell zu vereinbaren sind. Um dennoch die Zylinder vollständig verifizieren zu können, werden die Toleranzen der BDG-Richtlinie P690 von 1999 in den Graphiken angetragen. Abbildung 7 zeigt die Parallelität zwischen einzelnen Deck- und Bodenflächen. Die Toleranz dessen wird mit 0,4 mm begrenzt. Bei Untersuchung der Zylinder zeigt sich, dass diese annähernd den gleichen Anfangswert haben. Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern 735

12 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Abbildung 7: Parallelität der Zylindertypen Bei Betrachtung der Zylinder des Typs 2 wird ersichtlich, dass diese über die Zeit verteilt annähernd den gleichen Anstieg aufweisen und bis auf Z-2.2 in der Toleranz bleiben. Der Zylindertyp 1 hingegen fällt relativ früh aus der Toleranz. Die Zylinder erreichen ein Maximum und nähern sich dann der Toleranzgrenze wieder an. Lediglich der Zylinder Z-1.3 weist eine Ausnahme auf. Dieser bleibt bis 200 h innerhalb der Toleranz und steigt dann rapide an. In den beiden nachfolgenden Abbildungen wird die Ebenheit der Boden- und Deckfläche der Zylinder betrachtet. Wie auch schon bei der Parallelität, ist das Toleranzmaß mit 0,4 mm gesetzt. Abbildung 8: Ebenheit der Bodenfläche der Zylinder 736

13 Abbildung 9: Ebenheit der Deckfläche der Zylinder Auffällig hierbei ist, dass sich die Werte der Ebenheit der Bodenfläche und der der Deckfläche beinahe gleich verhalten. Darüber hinaus zeigen die Zylinder des Typs 2, über die Zeit gesehen, ein annähernd konstantes Verhalten der Ebenheit. Die Zylinder des Typ 1 weisen einen raschen Anstieg aus der Toleranz heraus auf und wie bei der Parallelität stellt sich ein Maximum zur gleichen Zeit ein. Kurz darauf streben die Werte wieder in den Toleranzbereich. Eine Ausnahme hier stellt wiederum der Zylinder 1.3 dar, welcher nach 200 h einen raschen Anstieg der Ebenheit aufweist. Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern Abbildung 10: Zylindrizität der Zylinder 737

14 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Abschließend wird die Zylindrizität der Zylinder betrachtet. Unter Zuhilfenahme der Abbildung 10 sind die erfassten Daten einzusehen. Nach BDG- Richtlinie P690 von 1999 ist das Toleranzmaß auf 0,7 mm gesetzt. Auch hier ist bei den Zylindern ein dynamisches Verhalten festzustellen. Bis auf den Zylinder 2.3 weisen alle Zylinder ähnliche Anfangswerte auf. Dennoch befinden sich alle in der Toleranz und verlassen diese über den Zeitraum der Untersuchung nicht. Weiterhin scheint die Geometrie der Zylinder keinen Einfluss auf die Oberfläche der Zylinder zu haben, da diese sich untereinander immer unterschiedlich verhalten und von Messung zu Messung unterschiedliche Anstiege aufweisen. Wie bereits eingangs erwähnt, befasst sich der zweite Teil der Versuchsauswertung mit den Graphiken aus der Software GOM Inspect. Abbildung 11 zeigt dabei den Zustand der Zylinder unmittelbar nach dem Kleben auf und entspricht somit dem Ausgangszustand der Messreihen. Zur Verifizierung der Zylinder wurden diese mit einem Schaftfräser gekennzeichnet. Die Vertiefungen sind nachträglich entfernt wurden und sind in der Abbildung weiß dargestellt. Dieser Vorgang hatte keinen Einfluss auf die Messwerte, da dies vor den Auswertungen erfolgte. Als oberes und unteres Toleranzmaß sind die Werte der BDG-Richtlinie P690 für lineare Maßtoleranzen sowie Form- und Lagetoleranzen gesetzt. Bei Betrachtung der Abbildung zeigt sich, dass beide Zylinder unmittelbar nach dem Trocknungsprozess in der Toleranz liegen. Die unterschiedlichen Maßabweichungen auf der Oberfläche beider Zylinder sind auf die Geometrien im inneren zurückzuführen. Abbildung 12 zeigt den Zylinder 1.1 in den jeweiligen Zeitabständen. Als Legende dienen drei Kategorien die Pass, Warn und Fail des Zylinders darstellen. Hierbei wird ersichtlich, dass der Zylinder in den ersten Stunden nach dem Kleben in der Toleranz liegt. Erst bei 12 Stunden zeigen sich erste Warnzeichen, welche bis 96 Stunden stark zunehmen und hier sogar aus der Toleranz heraus fallen (Als Referenz kann optional Abbildung 5 herangezogen werden.). Nach den 96 Stunden beginnt der Zylinder wieder zu Schrumpfen. Der Durchmesser liegt während der gesamten Messreihe in der Toleranz. Auf eine zeitliche Darstellung des Zylindertyps 2 wird an dieser Stelle verzichtet, da dieser über die Zeit gesehen stets in der linearen Maßtoleranz bleibt (siehe Abbildung 5 und 6). 738

15 Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern Abbildung 11: Vergleich der Zylindertypen im Anfangszustand; Zylinder 1.1 (oben), Zylinder 2.1 (unten) 739

16 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote Abbildung 12: Zeitlicher Verlauf des Zylinders 1.1 (oben: 1 h, 6 h, 12 h; unten: 48 h, 96 h, 192 h) Zusammenfassung und Ausblick Für die Versuche wurden zunächst zwei verschiedene Hohlzylindertypen konstruiert und mithilfe des CAD-Programms in jeweils gleiche Hälften zerteilt. Diese wurden anschließend mit einem 3D-Drucker vom Typ Objet Eden330 generativ gefertigt und entsprechend des Stands der Technik gesäubert. Nach einer Trockenzeit von 2 h erfolgte das Verkleben der Zylinderhälften zu Hohlzylindern. Anschließend wurden die Zylinder mit einem GOM ATOS Compact Sacn 2M digitalisiert und die Aufnahmen mit GOM Inspect ausgewertet. Die dargestellten Diagramme zeigen, dass die Zylinder direkt nach dem Druck und der Reinigung durchweg innerhalb der Toleranzen liegen. Mit steigender Zeit verhalten sich die Zylinder zunehmend dynamisch. Die Zylinder des Typs 1 überschreiten bereits nach ca. 10 Stunden die Toleranzgrenzen der Ebenheit sowie Parallelität. Des Weiteren ist zu beobachten, dass die Zylinder wachsen, teilweise die tolerierte Höhe überschreiten und später wieder schrumpfen. Der Zylindertyp 2 verhält sich in einigen Kriterien anders als Zylindertyp 1, so bleiben die Zylinder 2.1 und 2.3 über den gesamten Zeitraum innerhalb der Toleranzen. Zylinder 2.2 überschreitet die zulässige Toleranz nach ca. 350 h, kehrt aber später wieder in den Toleranzbereich zurück. 740

17 Lediglich bei den Kriterien Durchmesser und Zylindrizität halten alle Zylinder über den gesamten Messzeitraum die geforderten Toleranzen ein. Die Durchmesser der Zylinder sind alle annähernd konstant, die Zylindrizität ist sehr dynamisch. Daraus lässt sich schließen, dass die Topologie keinen Einfluss auf den Durchmesser und die Zylindrizität hat. Somit ist festzuhalten, dass alle Zylinder direkt nach dem Verkleben die Toleranzanforderungen einhalten und sie mit geringen Abweichungen den Sollmaßen entsprechen. Sie zeigen mit zunehmender Zeit ein dynamisches Verhalten auf. Demnach sollten sie innerhalb von 10 Stunden weiterverarbeitet werden, ihre Maß- und Formhaltigkeit ist darüber hinaus nicht gewährleistet. Dabei ist anzumerken, dass die Messungen über mehrere Wochen stattfanden. Trotz Klimaanlage konnten eine konstante Temperatur und vor allem Luftfeuchte im Labor nicht immer gewährleistet sein. Es bleibt zu untersuchen in wie weit diese und weitere Umgebungsbedingungen Einfluss auf das Verhalten der Zylinder haben. Eine abschließende Einschätzung über die Eignung der generativ gefertigten Hohlzylinder als Ausschmelzmodell ist erst nach einem erfolgten Gießversuch möglich. Für diesen Gießversuch sollen in naher Zukunft erneut Zylinderhälften gedruckt werden. Zusammen mit den bereits im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten, sollen sie als Ausschmelzmodelle dienen. Die resultierenden Gussstücke geben nach erneuter Digitalisierung und Auswertung entsprechend Aufschluss über das Verhalten der Hohlzylinder beim Einbetten in die Küvette unter Vakuum. Untersuchungen der Form- und Maßabweichungen von generativ gefertigten dünnwandigen Hohlzylindern Literaturverzeichnis Andreas Gebhardt 2013: Generative Fertigungsverfahren. Additive manufacturing und 3D- Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion. 4., neu bearb. und erw. Aufl. München: Hanser. Ramona Träger 2013: Untersuchung zur Verwendung der Rapid Prototyping Technologie für Kleinserien im Explosionsschutz. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fak. für Maschinenbau, Aachen, Magdeburg: Shaker. Kevin Kuhlmann, Hendrik Scheuschner, Ingolf Behm 2013: Topologieoptimierung von Rapid- Prototyping-Bauteilen. Additiv gefertigte Hohlzylinder für den Einsatz im Vakuum. In : Industrie Management 2/2013, S GOM mbh 2012: ATOS Compact Scan. Benutzerhandbuch - Hardware. GOM mbh. Braunschweig. BDG 2010: Feinguss BDG-Richtlinie VDG-Merkblatt P690. Maßtoleranzen, Oberflächen, Bearbeitungszugaben. BDG - Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie, Düsseldorf 741

18 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink, Tobias Stefaniak, Patrick Hebner und Karl-H. Grote H. Aue, W. Blank, Dr. F. Feikus, D. Finke, J. Gottschalk, K. Hanke, P. Hippler 2008: Feingießen. Herstellung, Eigenschaften, Anwendung. konstruieren und gießen 33. Jahrgang Nr. 1. ZGV-Zentrale für Gussverwendung im Deutschen Gießereiverband. Düsseldorf. Objet Geometries Ltd. 2004: Eden 330. Technical Specifications. Objet Geometries Ltd. Israel. VDG 1999: Feinguss VDG-Merkblatt P690. Maßtoleranzen, Oberflächen, Bearbeitungszugaben. VDG - Verein Deutscher Giessereifachleute. Düsseldorf. Kontakt Dipl.-Wirtsch.-Ing. Kevin Kuhlmann Dipl.-Wirtsch.-Ing. Fabian Klink B.Sc. Tobias Stefaniak M.Sc Patrick Hebner Prof. Dr.-Ing. Karl-H. Grote Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universitätsplatz Magdeburg 742