7 Generative Vertahren

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1 7 Generative Vertahren Generative Verfahren Generative Verfahren sind Fertigungsverfahren, mit denen es kurzfristig möglich ist, prototypen und Modelle aus Kunststoffen, Wachsen oder Papierwerkstoffen bereits in der planungsphase schichtweise zu fertigen (Rapid Prototyping). Grundlage der Erzeugung dreidimensionaler Prototypen sind die dreidimensionalen CAD-Daten. 3D- CAD-Konstruktionen werden in Volumendaten im CAD-system konvertiert. Das 3D- Volumenmodell für das Rapid Prototyping wird anschließend im PC in Querschnitte aufgeteilt. Die Querschnitte haben dabei eine Schichtdicke von etwa 1 bis 2 Zehntel Millimeter. :;l: i: t: i. i i l :: i j l iiiil rji:iiilll Bif d 7.1: Schichtweiser Aufbau (generativ) Zum Rapid Prototypingehören unter anderem Stereolithografie (SLA), selektives Lasersintern (SLS), 3D-Printing, Laminated Object Modelling (LOM), Fuse Deposit Modelling (FDM), Rapid Tooling, Rapid Manufacturing usw. Die Besonderheit des Rapid Prototyping besteht darin, dass zur Herstellung eines dreidimensionalen Teiles keine Formen gebaut werden oder das Teil in irgendeiner anderen Art mechanischergestellt wird. Aus diesem Grund ist das Rapid Prototyping deutlich schneller und kostengünstiger als der konventionelle Prototypenbau. Allgemeine Vorteile sind die schnelle, kostengünstige Herstellung von Prototypen, Gussmodellen, Anschauungsmodellen usw. bei geringem Personalaufiruand. Die Entwicklung geht zur Fertigung funktionstüchtiger Bauteile. Dabeist vor allem wichtig, dass die Prototypen in allen Phasen der Produktentwicklung eine schnelle überprufung aller Konstruktionsparameter ermöglichen. So können Produktmängel im Rahmen des Qualitätsregelkreises früher erkannt und abgestellt werden. Ein Teil dieser überprüfungen wird schon durch die 3D-Darstellung im CAD-System, durch Finite-Elemente-simulatoren oder in der virtuellen Realität ermöglicht, aber das reale Modell bleibt im allgemeinen die Grundlage vieler Entscheidungen. 7.1 Stereolithographie (SLA) Das prinzip der Stereolithographie besteht darin, flüssige Kunstharze (Photopolymere) durch Laserlicht selektiv auszuhärten. Schicht für Schicht belichtet ein Laser gezielt den photopolymer und härtet ihn dadurch an der Oberfläche aus. Zwischen jeder Technologie der Fertigungsverfahren 152

2 KapitelT Generative Verfa h ren Schicht wird neues Material auf die Bauplattform aufgebracht. So entsteht letztlich ein d reid imensionales Bauteil. Die Schichtdicke kann zwischen 0,05 und 0,15 mm variieren und ist abhängig von der geforderten Genauigkeit. Durch diese Technologie werden Modelle oder Musterteile aus CAD-Daten direkt, in fast jeder Größe, automatisch und berührungslos herstellt. Völlig ohne Werkzeug polymerisiert ein Laserstrahl in einem Wechselbehälter ein flüssiges Monomer und erzeugt ein festes dreidimensionales Volumenmodell. Diese Technik vereint Laser, optische Scanner, Polymerchemie, Präzisionsmechanik und Computer-Anwendung zu einem neuen Herstellungsverfahren. 1 Laser. 2 Scanner zum Lenken des Laserstrahls. 3 Rakel zum Wischen der oberen Schicht 4 Behälter mit flüssigem Harz (Photopolymer) 5 Bauteil (Prototyp) W maünn puntrfsms Bi ld 7.2= Pri nzi pskizzen der Stereol ithog rap h ie. Technologie der Fertigungsverfahren 153

3 KapitelT Generatlve Verfahren Bild 7.3= Musterbauteile, hergestellt mit Stereolithographie Bibquele Fa. weihbrecht Lasetechnik 7.2 Selektives Lasersintern (SLS) Beim Lasersintern werden pulvefiörmige Thermoplaste selektiv durch Laserlicht verschmolzen. Das Thermoplastpulver verbindet sich lokal durch die vom Laser erzeugte Wärme und verfestigt sich danach. Laser mit Optik und Scanner Beschichter mit Pulver Loses Pulver Bauteil Rahmen Plattform Bild 7.4: Prinzipskizze Lasersintern Quelle Fa. Hördler Beim Selektiven Lasersinter - Verfahren (SLS), auch Schichttechnologie, handelt es sich um ein Verfahren des lokalen Aufschmelzens von pulverförmigem Ausgangsmaterial durch einen COz-Laser. Der Werkstoff wird schichtweise auf eine Teileplattform aufgebaut. Mit den vorliegenden Dateninformationen 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 Teileplattform 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 Verfestig ung des Materials. Technologie der Fertigungsverfahren 154

4 KapitelT Generative Verfah ren Bild 7.5: Musterbauteile, mit Lasersintern hergestellt Quelle Fa. Kegelmann - Mit dem Verfahren des Lasersinterns werden Bauteile hergestellt, die ein breites Spektrum an Folgeprozessen eröffnen (Werkzeugherstellung, Feingießen,...) oder die aufgrund ihrer hohen Festigkeit direkt als Funktionsmuster verwendet werden können. Der entscheidende Vorteil gegenüber bisherigen Verfahren, wie z.b. der Stereolithographie, ist neben der Zeit- und Kostenreduktion das große Spektrum an möglichen Werkstoffen. 7.3 Layer Laminate Manufacturing (LLM) Beim Layer Laminate Manufacturing werden die Schichtkonturen mittels eines Lasers oder eines Schneidplotters aus Papier ausgeschniften und automatisch aufeinander geklebt. 7.3.{ Laminat Object Manufacturing (LOM}.-,/ (Schicht-Laminat-Verfahren) Beim Schicht-Laminat-Verfahren (LOM) schneidet meist ein COz-LASER oder ein spanendes Werkzeug die Kontur entsprechen den jeweiligen Schichtinformationen aus, Bild 7.6 a). Anschließend erneut wird eine Schicht aufgebracht und gleich verklebt, Bild 7.6 b). Als Schichtstoffe werden hier - je nach Verwendungszweck - meist Papier, aber auch Kunststoff- und Metallfolien venivendet. Das Papier wird in Rollenform eingesetzt, welches einseitig mit thermisch aktivierbarem Klebstoff beschichtet ist. Das Papier wird über eine Bauplattform abgerollt und nicht benötigtes Papier auf der Gegenseite wieder aufgerollt. Mit Hilfe einer beheizten Rolle wird das Papier auf die Bauplattform oder auf das teilfertige Modell aufgeklebt. Technologie der Fertigungsverfahren 155

5 KapitelT Generative Verfahren UrrrlerlksFf*üsI Bild 7.6: Prinzipskizze Laminated Object Manufacturing a) Konturschneiden mit COz-LASER b) Schicht aufbringen und verkleben Bild 7.7= Modelle aus Papier: oben unbehandelt unten gespachtelt 7.3,2 Fused Deposition Modeling (,,Modellierung durch Schmelzauftrag") Die als Drähte auf Rollen gelieferten Thermoplaste und Wachse, werden knapp unter ihrer Schmelztemperatur in einem beheizten Düsenkopf angeschmolzen und extrudiert. Durch einen Plotter wird die Düse in der Bauebene geführt. Bei Kontakt Technologie der Fertigungsverfahren ll 156

6 KapitelT Generative Verfah ren erstarrt das thermoplastische Rohmaterial durch die Wärmeleitung und schmelzt die darunter liegende Schicht mit an. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und der Vorgang beginnt erneut. Die Schichtdicken können zwischen 0,05 und 0,07 mm liegen. Je nach Material liegt die Düsentemperatur zwischen 68'C (Feingusswachs) und 270"C (ABS- Kunststoffl. Filigrane Strukturen Maßgenauigkeit liegt hier bei t 0,1 mm. Rollen beheizte Düsenkopf Das FDM venruendet einen d ra htförm igen Ausg an g swerkstoff Bild 7.8= Prinzipskizze FusedDeposition Modeling (FDM) Bild 7.9: Radaufhängung, hergestellt mit FDM 7.4 3D-Printer Ein in der letzten Zeit stark angewachsenes Segment des Rapid Prototyping sind die Drucker für dreidimensionale Objekte, die 3D-Printer. Technologie der Fertigungsverfahren ll 157

7 KapitelT Generative Verfah ren Bei diesen Verfahren (bekannt auch als 3D-Printing und als Multi Jet Modelling MJM) kommt ebenfalls ein schmelzfähiger Kunststoff zum Einsatz. Entsprechend den aus dem 3D-Datenmodell abgeleiteten Steuerinformationen wird dieser durch eine oder mehrere Düsen (mit Hilfe eines plotterähnlichen Systems) schichtweise aufgetragen. Damit erfolgt die Generierung eines physischen Modells. Binder Auftragen und nivellieren vom Pulver + Bild 7.10= Prinzipskizze 3D-Printer Verfahren der Plattform in z-richtung Bild 7.11: Musterbauteile, hergestellt mit 3D-Drucker Technologiq der Fertigungsverfahren 158

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