4 Grundlagen der Generierung des physikalischen Schichtenmodells

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1 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 1 4 Grundlagen der Generierung des physikalischen Schichtenmodells Teilschritte aller Rapid Prototyping Verfahren: 1. Generieren eines Querschnittes (x-y- Ebene) 2. Verbinden dieser Schicht mit der vorhergehenden (vor, während oder nach der Schichtgenerierung, z-richtung).

2 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 2 Unterschiedliche physikalische Verfahren: 1. Verfestigung flüssiger Materialien (Polymerisationsverfahren) 2. Generieren aus der festen Phase Ausschneiden aus Folien, Bändern, Platten oder sonstigen Materialien (Schichtverfahren) An- oder Aufschmelzen von festen Materialien oder Pulvern (Extrusions- und Sinterverfahren) Verkleben von Granulaten oder Pulvern durch zusätzliche Binder (3D-Printing-Verfahren)

3 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 3 3. Generieren aus der Gasphase. Physikalisches Abscheiden aus Aerosolen Chemisches Abscheiden aus der Gasphase Verklammerung in z-richtung (also der Schichten untereinander): nicht nur die Schicht selber, sondern auch ein Teil der vorhergehenden Schicht wird beeinflusst (aufschmelzen, kleben)

4 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Generieren aus der flüssigen Phase Verfestigung flüssiger oder teigartiger Materialien durch Polymerisation. Materialien: un- oder niedrigvernetzte Monomere vom Typ Acrylat, Epoxydharz oder Vinyletherharz. Aushärtung: Laser oder UV-Licht

5 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Photopolymerisation - Stereolithographie (SL) zähflüssiges, un- oder niedrig vernetztes Monomer + Photo-Inhibitoren ultravioletter Bestrahlung Polymerisation (flüssiges Monomer wird zu festem Polymer)

6 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 6 a) Belichtungsstrategie 1.) Laser-Scanner-Verfahren LASER-Strahl bildet die Kontur des Querschnittes auf der Oberfläche des Harzbades ab. Ein-Photonen-Verfahren : Benötigte Energie ist im Focus vorhanden. Alternativ: 2-Photonen-Verfahren (zwei unterkritische Laserstrahlen, benötigte Energie entsteht im Kreuzungspunkt)

7 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 7 2.) Maskenverfahren Gesamter Querschnitt wird auf transparente Maske abgebildet und mit starken UV-Lampen durch die Maske auf die Oberfläche des Harzbades projektziert. 3.) Polymer-Printing ( Objet-Verfahren ) Baumaterial wird mittels Druckkopf gemäß der Kontur aufgebracht und direkt mittels einer UV-Lampe polymerisiert.

8 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 8 b) Grundlagen der Polymerisation Polymerisation: Kettenreaktion, bei der ungesättigte Einzelmoleküle (Monomere) zu Makromolekülen (Polymeren) ausgehärteter Kunststoff reagieren. Monomere: bestehen aus Kohlen-Wasserstoff- Verbindungen und besitzen aufspaltbare Doppelbindungen. ( Kettenreaktion)

9 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 9 Phasen der Polymerisation: Startreaktion Im Harz enthaltene Initiatoren zerfallen durch äußere Energiezufuhr in ihre Radikale. Kettenfortpflanzungsreaktion Radikale reagieren mit dem doppelgebundene Kohlenstoff im Monomer ( Aufspaltung der Doppelbindung) Abbruchreaktion o Zusammenschluss zweier Polymerketten zu einer Kette o Reaktion der Polymerkette mit einem Initiators

10 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 10 Bild 4.1: Polymerisation von Ethylen zu Polyethylen

11 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 11 Stereolithographie: Polymerisation muss räumlich begrenzt werden Monomer ist Initiator beigemengt, der durch den Einfluss eines Photons einer bestimmten Wellenlänge in zwei Radikale (beziehungsweise Ionen) zerfällt. Polymerisationsreaktionen sind stark exotherm (50 bis 100 kj/mol)

12 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 12 Bei der Verknüpfung der Monomere zu Polymerketten tritt eine Verdichtung des Materials auf, das Harz schrumpft. (Schrumpf Spannungen Verzug) Volumenschrumpf : bis 0,06% bei Epoxidharzen bis 0,6% bei Acrylharzen

13 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 13 LASER-induzierte Polymerisation Belichtung durch einen ultravioletten LASER-Strahl, der die gewünschten Konturen unter Verwendung bestimmter Scanstrategien in die Harzoberfläche schreibt (Vektor- oder Rasterverfahren)

14 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 14 Tiefe der Aushärtespur Lokaler Polymerisationsgrad und Polymerisationsrate abhängig von der Anzahl der Photonen, die einen bestimmten Wirkungsquerschnitt im Harz passieren. Ab kritischer Flächenenergie c reagieren so viele Photonen mit dem Harz, dass dieses vom flüssigen in den festen Zustand überführt wird (Gel-Punkt). E Zunächst besitzt das Harz noch keine mechanische Stabilität ( Vergrößerung der Flächenenergie).

15 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 15 Durchschnittlich eingestrahlte Flächenenergie auf der Harzoberfläche (z = 0), d.h. max. Energie pro Fläche: E P * L max vs h s (4.1) E* max = Flächenenergie auf der Oberfläche bei z = 0 P L = mittlere LASER-Leistung v s = Geschwindigkeit des Laserstrahls h s = Schraffurabstand

16 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 16 Absorption im Harz (Beer-Lambertsche Gleichung): E (z) E e * * max z D p (4.2) E*(z) = Flächenenergie in der Tiefe z D p = optische Eindringtiefe des Harzes Optische Eindringtiefe D p : Weglänge, nach der die Intensität eines transmittierenden Strahles auf den 1/e²-fachen Teil beziehungsweise seine Energie auf den 1/e-fachen Teil abgesunken ist (d.h. E*(z=D p ) = E* max /e =0,3679E* max )

17 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 17 Einhärtetiefe C d (cure depth): Tiefe, bis zu der das Harz ausgehärtet wird. mit Formel (4.1): * * E max Cd z(e c ) Dp ln E * c P L Cd Dp ln v * s h s E c (4.3) (4.3a) C d = f(v s )

18 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 18 Bild 4.2: Einhärtetiefe (C d ) in Abhängigkeit der Flächenenergie (E c ) und der Harzparameter, Arbeitskurve für das Harz HS 660

19 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 19 Geometrie der Aushärtespur: (Breite und Form der Spur) Intensitätsverteilung im Laserstrahl muss berück- sichtigt werden Intensität Leistung Fläche bzw. I P A Fläche: A = r 0 ² (r 0 : LASER-Strahlradius auf Harzoberfläche) Im Strahlmittelpunkt (r = 0) gilt auf der Oberfläche (z = 0): I 2P r L r 0 I0 2 (4.4) 0

20 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 20 Bild 4.3: Modenstruktur und Intensitätsverteilung in einem Laser a) TEM00 (Grundmode), b) TEM10, c) TEM20

21 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 21 Intensitätsverteilung auf der Harzoberfläche (z = 0): I r,0 2P r L 2 0 e 2r - 2 r0 2 (4.5) Die Flächenenergie ist gleich der zeitlichen Integration über die Intensität ( E* = It = Is/v s )

22 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 22 Begrenzungsfläche: E*(r*,z*) = E C * Allgemeiner Ansatz: * E (r,z) * E (r,0) E 1 * 2 (0,z) mit E 2r - 2 * 2 PL s r0 1r,0 e 2 r0 v s 2 und E P v H * L 2(0,z) e s s z D p

23 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 23 WS 2012/13 Formel für Aushärtespur: Auflösen nach den Variablen ( Differentiation) p D z r 2 r s s 0 L e e h L 2 v r P r,z E * E * v r P h L 2 ln z D 1 r r 2 s 0 L s p (4.6) Definition einer Parabel Aushärtespur hat Geometrie eines parabolischen Zylinders.

24 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 24 Bild 4.3: Parabolische Form der Aushärtespur bei Einwirkung eines Gauß-Strahls auf ein Photopolymer

25 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 25 Optimierung der Schichtdicke Schichtdicke, bei der die Zeit zum Aushärten eines bestimmten Volumens minimal wird. Zeit zum Aushärten eines bestimmten Volumens (L w = Spurbreite): T ~ 1 v d L +0,02mm s w (4.7)

26 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 26 Bild 4.4: Zum Aushärten benötigte Zeit in Abhängigkeit der Schichtdicke

27 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 27 Eindringtiefe D p der (meisten) Harze: 0,2 0,3 mm Technisch sinnvolle maximale Schichtdicken: 0,1 0,5 mm Für größere Schichtdicken: Flächenenergie muss erhöht werden Scangeschwindigkeit nimmt ab Ziel: möglichst dünne Schichten mit möglichst hohen Scangeschwindigkeiten

28 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 28 Abhilfe: Harze mit größerer optischer Eindringtiefe ( höhere Scangeschwindigkeiten) in Kombination mit LASER höherer Leistung: Streustrahlungen sehr viel leichter unerwünschte Polymerisation negative Auswirkung auf Bauteilgenauigkeit

29 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 29 Einfluss der Eindringtiefe auf die Bauteilfestigkeit: größere optische Eindringtiefe D p (bei gleicher Einhärtetiefe C d ): benötigte Flächenenergie wird herabgesetzt weniger Photonen werden absorbiert Polymerisationsrate sinkt Verringerung der Bauteilfestigkeit

30 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 30 Überschussenergie E x *: Maß für die Energie, die über E c * hinaus für die Polymerisation zur Verfügung steht. Mit (4.2): C d 1 E x= E (z)-e c dz Cd 0 d E x p D = e p -1-1 E c C D C d (4.9) (4.10)

31 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 31 Bild 4.5: Überschussenergie in Abhängigkeit der Einhärtetiefe und der optischen Eindringtiefe

32 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 32 Grundlegenden Beziehungen: Überschussenergie ist direkt proportional zur kritischen Energie E c * E c * senken (für kürzere Bauzeiten) Verminderung der Festigkeit Verringerung der Eindringtiefe / Erhöhung der Schichtdicke Festigkeit steigt

33 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 33 Vorteile der Stereolithographie zur Zeit das genaueste aller generativen Fertigungsverfahren; erzielbare Genauigkeiten werden durch maschinentechnische Realisierung, nicht durch physikalische Grenzen limitiert; minimal darstellbare Stegbreiten realisierbarer LASER-Strahldurchmesser; Feinheit der z-abstufung ist verfahrensbedingt keine Grenzen; Begrenzung ist Benetzbarkeit einer festen Schicht; grundsätzlich ist eine quasi kontinuierliche z-modellierung möglich;

34 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 34 Herstellung interner Hohlräume und deren völlige Entleerung; Viele Materialien sind transparent oder opaque visuelle Beurteilung interner Hohlräume; komplexe oder große Modelle werden aus einzelnen Teilmodellen zusammengesetzt; Materialien können durch Sandstrahlen und Schleifen nachbearbeitet, lackiert und in gewissem Umfang spanend bearbeitet werden; nicht vernetztes Monomer kann wieder verwendet werden.

35 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 35 Nachteile der Stereolithographie an ein photosensitives Material gebunden; bei der Materialentwicklung steht diese Materialeigenschaft im Vordergrund; zweistufiges Verfahren: - Modelle werden in der Stereolithographiemaschine zunächst ausgehärtet (über 95%) = Grünling ; - müssen dann gereinigt werden; - werden anschließend in einem Nachvernetzungsofen völlig ausgehärtet.

36 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 36 Modell ist während seiner Entstehung noch relativ weich freitragende Strukturen und bestimmte Grenzwinkel von überragenden Modellteilen können nicht ohne Unterstützung realisiert werden; Stützkonstruktionen (in einzelnen Bereichen) sind im Rahmen der Modellvorbereitung anzubringen und müssen vom Grünling oder ausgehärteten Modell entfernt werden; ( Zugänglichkeit) Bestehen aus dem gleichen Material Stützmaterial ist Abfall.

37 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 37 Ergänzungen zum Poymerdruckverfahren Das gesamte Volumen zwischen Bauteil und Bauplattform bzw. innerhalb des Bauteils wird verfestigt und besteht entweder aus Bau- oder aus Stützmaterial. Volumen der Stützstrukturen ist sehr hoch.

38 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 38 Ergänzungen zum Drucker- und Maskenverfahren Die Verfahren arbeiten einstufig, d.h. polymerisieren das Bauteil vollständig aus; Nachvernetzung nicht nötig; Stützen bestehen meist aus thermoplastischem Hartwachs; dies wird nach dem Bauprozess ausgewaschen oder mit Hilfe von Lösungsmitteln entfernt;

39 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 39 Bild 4.6: Einfluss der Scangeschwindigkeit auf die Konturabweichung

40 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Generieren aus der festen Phase Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten (Selektives) LASER-Sintern (SLS bzw. SL), Schmelzen Ausgangsstoffe: in einem Pulverbett angeordnete Pulver oder Granulate Verfahren: Energiequelle (z.b. Laser-Strahl/Elektronenstrahl) schmilzt in jeder Schichtebene das Material an oder auf Sinterverfahren

41 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 41 Sintern : Vorgang, in dessen Verlauf ein als Pulver vorliegendes Material unter hoher Temperatur und hohem Druck über eine relativ lange Zeit hinweg in einer Form zu einem Festkörper verbacken wird. diffusionsgesteuerter Prozess Selektives LASER-Sintern: kurzzeitiges thermisches Aktivierung durch LASER- Strahl nicht diffusionsgesteuerter Prozess örtliches Anschmelzen an der Oberfläche poröses Bauteil (bei Kunststoffen) örtliches Aufschmelzen an der Oberfläche dichtes Bauteil (Strahlschmelzen bei Metallen)

42 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 42 Bild 4.7: Darstellung des diffusionsgesteuerten Sinterprozesses

43 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 43 Materialien für das selektive LASER-Sintern Alle Materialien, die sich aufschmelzen lassen und nach dem Abkühlen wieder (möglichst volumenkonstant) verfestigen. thermoplastisches Verhalten Kunststoffpulver niedriger Temperaturbereich bis ca. 200 C (geringe Wärmeleitfähigkeit örtliche Begrenzung) niedrige Oberflächenspannung begünstigt die Benetzung des Modells

44 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 44 o Kristalline Kunststoffe (Polyamid Nylon, ABS) ändern ihren Aggregatzustand und damit alle wichtigen mechanisch-technologischen Eigenschaften in einem derart schmalen Temperaturband (oft nur einige 1/10 C), dass man von einem Schmelzpunkt spricht. regelmäßige räumliche Kristallgitteranordnung Die meisten Materialien erstarren kristallin

45 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 45 o Amorphe Kunststoffe (Polycarbonat, Polystyrol) sind durch ein breites Temperaturband gekennzeichnet, innerhalb dessen sie erweichen oder ohne sprunghafte Änderung der mechanisch technologischen Eigenschaften in den anderen Aggregatzustand übergehen. - die Teilchen sind ohne erkennbar definierte Struktur angeordnet Bsp.: Glas und Harz erstarren amorph

46 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 46 Bild 4.8: Physikalische Eigenschaften von a) amorphen und b) kristallinen Kunststoffen, schematisch

47 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 47 Mehrkomponenten Metall-Polymerpulver Prinzip: Polymerumhülltes Metallpulver 1. aufgeschmolzene Polymerhüllen umhüllen / verkleben Metallpulver (Grünteil); 2. Polymeranteile werden durch Erhitzen ausgetrieben und Metallteile durch Diffusionsvorgänge zum festen Körper verbunden; 3. Modell wird mit einem niedrigschmelzenden Metall (zum Beispiel Kupfer) infiltriert;

48 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 48 Prozesstemperaturen und konstruktive Aufwand deutlich höher als bei Kunststoffpulvern; Prozess ist verfahrenstechnisch und anlagentechnisch sehr aufwendig;

49 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 49 Bild 4.9: Prinzip des Flüssigkeitssinterns von Mehrkomponenten- Pulver, a) Ausgangszustand, b) gesinterter Zustand

50 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 50 Mehrkomponenten Metall-Metallpulver Prinzip: Pulver mit hochschmelzender und niedrigschmelzernder Komponente (Binder) Prozess wird sicherer und schneller

51 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 51 Einkomponenten Metallpulver und Keramiken Schmelztemperaturen Prozesstemperaturen und Wärmeleitung sind höher (als bei Kunststoffpulver) Probleme: Schlechte Benetzbarkeit und hohe Oxydationsneigung bei Metallen

52 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 52 Vorteile des Laser-Sinterns und Schmelzen theoretisch unbegrenzte Materialpalette; Modelle sind mechanisch und thermisch belastbar (Funktionsmodelle, tw. sogar Endprodukte); ( Direct Tooling / Direct Manufacturing) nicht versintertes Pulver kann zurückgewonnen und erneut versintert werden (ca. 50%); einstufiges Verfahren (d.h. Nachvernetzung ist nicht notwendig); Keine Stützen notwendig (nicht versintertes Pulver wirkt stützend).

53 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 53 Nachteile des selektiven LASER-Sinterns Modellgenauigkeit hängt von der Größe der Pulverteilchen ab (und ist geringer als bei der Polymerisation) Modelle neigen zum Wachsen (durch Wärmeleitung) geometrische Ungenauigkeit interne Hohlräume sind schwieriger zu reinigen als bei der Stereolithographie; um die Oxidation des Materials beim Sintervorgang zu vermeiden, wird unter Inertgas-Atmosphäre (Stickstoff) gearbeitet Anlagen werden komplexer

54 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 54 gesamtes Pulverbett muss bis in die Nähe der Schmelztemperatur vorgeheizt werden; Aufheiz- und Abkühlvorgänge sind sehr zeitintensiv.

55 Fazit Die dem Laser-Sinter-Prozess zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Vorgänge erfordern einen hohen lokalen Temperatureintrag und zu grobe Sinterpartikel. Der hohe Temperatureintrag führt beim umfangreichen Laser-Schichtaufbau zu Wärmeabfuhr- bzw. Eigenspannungs- und Verzugsproblemen (Curl), die sich nachteilig auf die Maßgenauigkeit auswirken. Der Hauptnachteil der Laser-Sinterverfahren ist aber die Partikelgröße: Wird Pulver mit kleineren Partikeln als 50 m verwendet, verdampfen diese beim Sintern durch den erforderlichen Energieeintrag, verschmelzen unkontrolliert oder ihre Eigenschaften verschlechtern sich gravierend. WS 2012/13 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 55

56 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 56 Oberflächengüte Bei Pulvergrößen von 50 m sind bei SLS theoretisch Oberflächendefekte mit einer Mindesttiefe von ca. 25 m zu erwarten, was bei regelmäßiger Anordnung einem R z -Wert von 25 m entspricht. In der SLS-Praxis liegen diese Werte jedoch in der Größenordnung von R z > 50 m.

57 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Ausschneiden aus Folien und Fügen Layer Laminate Manufacturing (LLM) Einfachste Methode für dreidimensionale Modelle: in zweidimensional konturierte Schichten zerlegen müssen sehr dünn sein für detaillierte Modelle Schichten auszuschneiden anschließend zu einem dreidimensionalen Modell zusammenfügen Schichten müssen exakt zueinander positioniert sein Kein rein additives Verfahren

58 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 58 Verbesserung der Methode: Verfahren, bei denen jede Schicht zunächst auf die vorhergehende aufgeklebt und erst anschließend konturiert wird. Konturierung: Messer, Heißdrähte oder Laser

59 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 59 Vorteile der Schichtverfahren (LLM) vorteilhaft für die Generierung massiver Modellteile und großer Modelle keine aufwendige Schraffur großer Flächen arbeiten schnell und maschinentechnisch wenig aufwendig; weitgehend materialunabhängig; bei Papier: Preise gering und Entsorgung unproblematisch; Konturierung der x/y-berandung in z-richtung ist grundsätzlich möglich (durch Fräser);

60 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 60 theoretisch unbeschränkte Werkstoffpalette bei Einsatz von Laser, da alle heute bekannten Materialien schneidbar sind. Bild 4.10: Erreichbare Schneidgeschwindigkeit beim Hochgeschwindigkeitsschneiden mit Laser-Strahlung

61 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 61 Nachteile der Schichtverfahren (LLM) deutlich unterschiedliche mechanisch-technologische Eigenschaften in Schichtrichtung und quer zur Schichtrichtung; nicht benötigte Modellteile, wie innen liegende Ausschnitte müssen manuell entfernt werden oder verbleiben im Modell; Flache Schrägen sind nur schwer zu realisieren; Realisierung nur fester z-abstände aufgrund vorgegebener Materialdicke; nicht verwendetes Material ist Abfall; Papiermodelle müssen imprägniert werden; Aufwand für die Nacharbeit ist sehr hoch.

62 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase - Fused Layer Modeling (FLM) Extrudierende Verfahren Aufschmelzen teigiger oder angeschmolzener Feststoffe (analog dem Auftragschweißen) Prinzip: Aufschmelzen drahtförmiger Materialien in einer beheizten Düse (Wachse und Kunststoffe) Materialzufuhr und -auftrag mittels einer Düse (3Dfähiges Verfahren)

63 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 63 Das aufgebrachte Volumen erstarrt durch Wärmeleitung in das Bauteil wurstartige" Schichtstrukturen (anisotrope Werkstoffeigenschaften) Materialquerschnitt limitiert den erzielbaren Detaillierungsgrad Für gute Verbindung der Schichten muss das Material aufgequetscht werden kreisrunde Materialquerschnitt wird elliptisch. Anfang und Ende des extrudierten Strang sind sichtbar. Verfahren benötigt Stützen, die an das Bauteil konstruiert und danach entfernt werden müssen.

64 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 64 Bild 4.11: Bindenähte beim Extrisisonsverfahren

65 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 65 Ballistische Verfahren (berührungsfrei) aufgeschmolzenes Material + piezo-elektrische Düse runde Tröpfchen werden auf Modell geschossen Problem: Verankerung der Teile ( Temperaturproblem) Verfahren ist 3D-fähig und keine Ansätze sind sichtbar höherer Detaillierungsgrad

66 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 66 Vorteile der extrudierenden Verfahren relativ große Volumenmengen in relativ kurzer Zeit aufbringen massive Strukturen keine Modellmaterialien, sondern Serienwerkstoffe unterschiedliche Materialien in einem Bauprozess möglich Material wird vollständig verwendet kein Abfall Maschinen können in Büroumgebung betrieben werden

67 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 67 Nachteile der extrudierenden Verfahren Strukturen, feiner als die Extrusionsbreite können nicht dargestellt werden Ansatz und Abschluss sichtbar Fädenbildung und Kondenswasserbildung möglich Düsen neigen zum Verstopfen

68 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Verkleben von Granulaten mit Bindern - 3D-Printing (3DP) Prinzip: 2D-Printverfahren von Tintenstrahldruckern Ausgangspunkt: aus Pulvern oder Granulaten bestehende Pulverschicht Pulverteilchen werden durch einen externen Binder miteinander verklebt, der definiert eingespritzt wird; das lose Pulver stützt das Bauteil;

69 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 69 Vorteile der 3D Printing-Verfahren Materialauswahl ist theoretisch unbegrenzt; Bei unterschiedlichen Bindern unterschiedliche mechanisch-technologische Eigenschaften Es besteht die Möglichkeit die Zusammensetzung der Pulverschicht von Schicht zu Schicht zu ändern Graded Materials (lokal unterschiedliche Eigenschaften)

70 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 70 Nachteile der 3D Printing-Verfahren zweistufiges Verfahren - im nachgeschalteten Prozess muss der Binder ausgetrieben und das Modell nachversintert bzw. infiltriert werden; Probleme bei der Skalierung (Schrumpf); Pulver-Binder-Kombinationen sind nicht vergleichbar mit den Konstruktionswerkstoffen; Relativ hohes Ausfallrisiko der Druckköpfe mit vielen Düsen (> 100); Druckköpfe sind teuer.

71 4.3.1 WS 2012/13 Aerosoldruckverfahren Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Generieren aus der Gasphase Prinzip: Von einem gasförmigen Ausgangsstoff werden Partikel auf ein Substrat abgeschieden. Physikalisches Abscheiden: in der flüssigen Phase einer Zweiphasenströmung werden Partikel gelöst, mit der Strömung transportiert und durch lokales Verdampfen der Flüssigkeit definiert abgeschieden. Chemisches Abscheiden: reaktionsfähige Gase werden durch externe Energiequellen zu lokalen Reaktionen angeregt und dadurch werden feste Stoffe definiert abgeschieden.

72 4.3.1 Aerosoldruckverfahren Aerosole (= in hochfeine Tröpfchen zerstäubte Trägerflüssigkeiten mit darin eingebrachten Feststoffen) Durchmesser-max.: 200 nm Transport erfolgt in einem Trägergas und über ein Düsensystem wird geometrisch definiert die Flüssigkeit auf ein Substrat aufgebracht. Große Materialvielfalt (auch lebende Zellen) Unterschiedliche Materialien können miteinander verbunden werden Gleichmäßige Zerstäubung muss aufwendig vorbereitet werden. WS 2012/13 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 72

73 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) Prinzip: zwei sich kreuzende LASER-Strahlen lokalisieren die LASER-Energie, und lösen eine chemische Reaktion in einem aluminium- und sauerstoffhaltigen Gas aus. Es entsteht Aluminiumoxyd. Feinste Strukturen (Mikrostrukturen) können ohne Stützkonstruktion hergestellt werden.

74 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 74 Verfahren befindet sich noch im Laborstadium und hebt sich in zwei wesentlichen Punkten von allen anderen Rapid Prototyping Verfahren ab: Es ist ein voll 3D-fähiges Verfahren. Es ist nicht nur ein Prototypenverfahren, sondern ein tatsächliches Produktionsverfahren für Mikrostrukturen, zu dem keine konventionellen Alternativen bestehen. Anwendungsgebiet: Mikrosystemtechnik und biomedizinischen Technik

75 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 75 Bild 4.12: Mikrostruktur nach dem LCVD-Verfahren

76 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Sonstige Verfahren Beam Interference Solidification (BIS) Polymerisation als Folge zweier sich im Polymerisationspunkt kreuzender Laserstrahlen. Thermal Polymerisation (TP) Polymerisation durch Wärme.

77 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 77 Holographic Interference Solidification (HIS) Photopolymerisation durch die Projektion holographischer Bilder in photosensitiven Materialien entlang vorgegebener Raumkurven. Solid Foil Polymerisation Kombination zwischen Folienverfahren und Polymerisationsverfahren.

78 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 78 Sonoluminiszens Effekt: Hohlräume in Flüssigkeiten, insbesondere Luftblasen in Wasser können Schallenergie so stark bündeln, dass sie ultrakurze Lichtblitze im UV-Bereich ausstrahlen. Lichtenergie kann eine Photopolymerisation einleiten Elektroviskosität Eigenschaft bestimmter Materialien, ihre Viskosität unter dem Einfluss starker elektromagnetischer Felder in weiten Grenzen zu verändern. ( Erstarren flüssiger Ausgangsstoffe)

79 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Klassifizierung generativer Fertigungsverfahren Bild 4.13: Klassifizierung von Rapid Prototyping Verfahren nach dem Aggregatzustand des Ausgangsmaterials

80 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Schichterzeugende Elemente der einzelnen Verfahren

81 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potentiale der Generativen Fertigungsverfahren Begrenzenden Faktoren: Materialien Modelleigenschaften Details Genauigkeiten Oberflächengüte allgemeines Entwicklungspotential

82 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 82 Materialien Stereolithographie: Photopolymer, d.h. auf Kunststoffe (evtl. mit Füllern) beschränkt. Sinterverfahren: Materialien müssen thermoplastisches Verhalten aufweisen, d.h. aufschmelzbar und danach verfestigbar sein mit Volumenkonstanz. Schichtverfahren: keine Materiallimitation Extrusions- und ballistische Verfahren: keine Materiallimitation; nur der Düsenwerkstoff darf nicht mit angeschmolzen werden. 3D-Printing-Verfahren: keine Materiallimitation

83 Modelleigenschaften Mechanische Belastbarkeit der erzeugten Modelle stellt eine begrenzende Größe dar. Details (Unterscheidung: Wandstärken und Wandstärken Hohlräumen) Polymerisationsverfahren: LASER-Strahldurchmesser Extrusions- und ballistischen Verfahren: Düsendurchmesser Sinterverfahren: Pulverdurchmesser. Schichtverfahren: LASER-Strahldurchmesser (<10 m) WS 2012/13 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 83

84 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 84 Hohlräume Polymerisationsverfahren: keine Limitation Extrusionsverfahren: in keiner Weise limitiert. Sinterverfahren: Pulverdurchmesser Schichtverfahren: feinste Wandstärken und interne Hohlräume können nicht mehr entformt werden.

85 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 85 Genauigkeiten in der Bauebene (x-y-ebene): Polymerisations- und Schichtverfahren: Scanner- Plottereinheit Sinterverfahren: Pulverdurchmesser Extrusionsverfahren: Düsendurchmesser in der z-ebene: Sinterverfahren: Pulverdurchmesser Polymerisationsverfahren: Benetzung Schichtverfahren: untere Folienstärke, ab welcher der Transport nicht mehr sicher erfolgt. Extrusionsverfahren: mangelnde Benetzbarkeit

86 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 86 Oberflächengüte Die Oberflächengüten werden im wesentlichen durch die gleichen Faktoren begrenzt wie die kontinuierliche z- Konturierung. Entwicklungspotential Polymerisationsverfahren: bezüglich Oberflächenqualität und Detaillierungsgrad größte Entwicklungspot. Sinterverfahren: realisierbaren Pulverdurchmesser und bei der Versinterung durch das Verhältnis Pulverdurchmesser zu LASER-Strahldurchmesser und LASER- Leistung limitiert. Schicht- und Extrusionsverfahren: anisotrope Modelleigenschaften; Extrusionsdüsendurchmesser

87 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 87 Kontinuierliche 3D-Modellgenerierung Alle heute industriell verfügbaren Systeme sind 2½D-Verfahren. Ansätze für 3D-Verfahren: Die zur Verfestigung notwendige Energie wird durch Überlagerung zweier oder mehrerer Teilstrahlen erzeugt und durch geeignete Steuerung dieser Teilstrahlen kann jeder Raumpunkt erreicht werden (Beam Interference). Das Material wird durch eine bewegliche und beheizte Düse an jeden beliebigen Raumpunkt transportiert, an dem es dann an einem Modell angelagert wird (durch Extruder oder ballistisch).

88 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite LASER-Prinzip und LASER für Rapid Prototyping LASER-Strahlung ist Licht. Der LASER ist ein Lichtverstärker. Dem LASER kommt in Rapid Prototyping Anlagen eine herausragende Stellung zu. Für alle LASER-gestützten Rapid Prototyping Verfahren sind folgende Vorteile ausschlaggebend:

89 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 89 Der LASER emittiert Licht einer ganz bestimmten festen Wellenlänge (geringe spektrale Breite, Einfarbigkeit). Der LASER ist auf extrem kleine Wirkdurchmesser (<1/10 mm) fokussierbar. Aufgrund seiner hohen Energiedichte ist der LASER in der Lage, alle bekannten Materialien zu erwärmen, zu schmelzen oder zu verdampfen. Der LASER-Strahl ist trägheitslos. Die erzielbaren Verfahrgeschwindigkeiten werden lediglich durch den verwendeten Mechanismus zum Verfahren (Scanner, Plotter) Iimitiert.

90 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 90 Das LASER-Licht kann für die in Rapid Prototyping Anlagen zur Diskussion stehenden Entfernungen als parallel angesehen werden, bzw. es kann die tatsächliche Strahldivergenz durch Korrekturmaßnahmen kompensiert werden (geringe Strahldivergenz). Der LASER-Strahl kann allein durch elektrische Größen gesteuert und kontrolliert werden. Er eignet sich deshalb besonders als Werkzeug in automatisierten Produktionsanlagen.

91 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 91 Energiedichte Die mit dem LASER erreichbaren Energiedichten liegen um Größenordnungen über denen gewöhnlicher Lichtquellen. In industriellen LASER-Anwendungen erreicht man Intensitäten von 10 7 (W/cm²). Für die Stereolithographie ist eine gewisse Energiedichte notwendig, um die für die Startreaktion erforderlichen Photonen zu bilden. Übliche Energiedichten liegen in einer Größenordnung von 30 W/cm².

92 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 92 Bild 4.14: Absorptionsvermögen unterschiedlicher Materialien als Funktion der Wellenlänge

93 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 93 Wechselwirkung LASER-Material Der optimale Wellenlängenbereich für LASER, die für das Rapid Prototyping eingesetzt werden sollen, liegt im Bereich von etwa 300 bis 350 nm.

94 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 94 LASER-Typen Abhängig von der Art des LASER-aktiven Mediums und der Bauart spricht man von Gas-LASER (Helium-Cadmium- (HeCd), Argon-lonen- (Ar), Kohlendioxid- (CO2)), Festkörper-LASER (Neodym-Yttrium- Aluminium-Granat- (Nd:YAG oder YAG)) und Excimer-LASER (Xenon-Fluorid (XeFl)

95 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 95 Im Gegensatz zu Gas-LASERn höherer Leistung für die Materialbearbeitung (im kw-bereich) werden für das Rapid Prototyping (< 100 mw bis ca. 60 W) völlig abgeschlossene (sealed) Konstruktionen ohne äußeren Gasaustausch verwendet. Sie sind zwar in der Handhabung problemlos, weisen aber eine reduzierte Lebensdauer von einigen 1000 Stunden auf und verlieren zudem über ihre Lebensdauer kontinuierlich an Leistung.

96 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 96 In kleinen Stereolithographieanlagen werden abgeschlossene (sealed) Helium-Cadmium-LASER mit mw Ausgangsleistung eingesetzt, die bei einer Wellenlänge von 325 nm emittieren. Größere Anlagen verwenden Argon-lonen-LASER bis etwa 400 mw, die vorzugsweise bei 351 nm emitieren.

97 Rapid Prototyping Kap. 4 Seite 97 Der größte Nachteil dieser LASER besteht darin, dass zum einem die Ausgangsleistung kontinuierlich bis auf einen für den Prozess als unteren Grenzwert zu betrachtenden Mindestwert sinkt, der zwischen 50% und 66% der Ausgangsleistung liegt und nach etwa 2000 Stunden den Austausch des LASER-Kopfes erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil liegt in dem relativ schlechten Wirkungsgrad, der nicht nur hohe Energiekosten verursacht, sondern bei größeren LASER-Leistungen auch externe Kühleinheiten erfordert.

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