3D-Druck Grundlagen, Technik und Möglichkeiten

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1 3D-Druck Grundlagen, Technik und Möglichkeiten 1

2 Agenda Vorstellung Fogra 1. 3D-Druck: Zwischen Phantasie und Realität 2. 3D-Technik - Aufnahme, Aufbereitung und Ausgabe 3. Datenaufbereitung 3D Vorstufe 4. Druck 3D Druck 5. Weiterverarbeitung 3D Weiterverarbeitung 6. Auswahlkriterien & Technikvergleich 7. Ausblick 2

3 Vorstellung Fogra Mission Förderung der Drucktechnik in Forschung, Entwicklung und Anwendung Nutzbarmachung der Ergebnisse für die Druckindustrie Forschung und Entwicklung Beratung, Prüfungen und Gutachten Tätigkeitsfelder Fogra- Dienstleistungen Gremienarbeit und Standardisierung Wissenstransfer und Weiterbildung 3

4 Organisation der Fogra 3D-Druck? 4

5 Handlungsgruppe Forschung, Entwicklung und Technik (FET), Von der Phantasie zur Realität 5

6 1. 3D-Druck = Additive Verfahren Die Formgebung erfolgt nicht durch Materialabtrag (Schneiden, Drehen, Bohren, Fräsen etc), sondern ausschließlich durch Materialauftrag von formlosem Stoff durch Schaffung des Zusammenhalts Herstellung der Bauteile erfolgt unmittelbar auf der Basis von 3-D-CAD-Daten Erzeugen Sie diese Lampe ohne "3D-Druck"... Der Aufbau der Bauteile erfolgt schichtweise Die Bauteilherstellung erfolgt ohne formgebende Werkzeuge (aufwändig im Spritzgussverfahren) Strukturen möglich, die nur generativ erzeugbar sind ("Hinterschneidungen") 6

7 1. Defintionen Rapid Prototyping (RP) umfasst alle Verfahren, die im weiteren Sinne der Anschauung und dem Prototypenbau, also der Herstellung eines Modells dienen. Die RP-Verfahren beschränken sich somit nicht nur auf die generativen Verfahren. Rapid Tooling (RT) umfasst alle RP-Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Vorserien für Werkzeuge und Formen. Rapid Manufacturing (RM) umfasst alle Prozessschritte und Verfahren zur Planung und Herstellung von Produkten mit Seriencharakter. Damit bezeichnen diese Begriffe nicht spezielle Fertigungsverfahren, sondern verstehen sich vielmehr als Strategien oder Prozessfolgen, die unterschiedliche Ziele verfolgen. Quelle: Elsner; 3D-Drucktechnologie Grundlagen zur Herstellung polymerer Bauteile mit gradierten Werkstoffeigenschaften. Dissertation,

8 1. Branchen und Anwendungsgebiete Branchen: Modellbau Maschinenbau Automobilindustrie Architektur Flugzeugindustrie Raumfahrtindustrie Landschaftsplanung Kunst und Design Gesundheitswesen Verbraucherprodukte Druckindustrie? u.v.m Anwendungsgebiete: Konzeptmodelle Funktionale Prototypen Präsentationsmittel Anschauungsmuster Ersatzteile oder Kleinserien u.v.m. "Bei Betrachtung der Gesamtkosten während einer Produktentwicklung wird deutlich, dass nach Abschluss der Konzeptphase erst ca. 5 % der Gesamtkosten angefallen sind, jedoch bereits ca. 75% der Gesamtkosten determiniert sind."* *: GEBHARDT, A.: Rapid Prototyping, 2. Auflage. München/Wien,

9 2. Übersicht zur 3D-Technik Technologie fördert 3D-Angebot Markt fordert 3D-Technik 3D- Anwendung Aufnahme Aufbereitung Ausgabe (und Interaktion) 9

10 Handlungsgruppe Forschung, Entwicklung und Technik (FET), Aufnahme der Daten Akquisition 2 Möglichkeiten: Vermessung vorhandener Objekte Messung von Lage und Größe realer Objekte Hilfsmittel: optische Kameras (2D- oder 3D-basiert) 3D-Laserscanner taktil arbeitende Messsysteme. (Manuelle) Modellierung (Computer Aided Design - CAD) Modellierung Software und herkömmlichen oder speziellen Interaktionsgeräten (3D-Maus, Stifte, ) Geometrische Strukturen (Werkzeuge) Freiformkonstruktion (Design, Kunst) 10

11 2.1 Erzeugung von 3D-Inhalten 3D Studio Max 3D aus 2D Quelle: Marktperspektiven von 3D in industriellen Anwendungen 11

12 3D aus 2D. 12

13 2.2 Aufbereitung von 3D-Inhalten Überführung von einer Speicherform in eine andere (z.b. Geometrie-Erzeugung aus Punktwolken, Flächenrückführung) Bereinigung, Reduzierung und Vereinfachung von Modellen (z.b. von großen CAD-Modellen für die Verwendung in echtzeitfähigen 3D- Viewern). Zusammenführung von 3D- Modellen mit Informationen zum Know-how-Schutz (Watermarking u.ä.) Quelle: Marktperspektiven von 3D in industriellen Anwendungen 13

14 2.3 Ausgabe: 3D-Visualisierung oder 3D-Druck 3D Visualisierung Erzeugung einer räumlichen Wahrnehmung für einen Menschen Die räumliche Wahrnehmung des Menschen beruht darauf, dass durch den Abstand der Augen zwei unterschiedliche ebene Bilder vom Gehirn auf der Netzhaut zu einem Bild mit räumlicher Tiefe zusammengesetzt werden. Perspektivische Darstellung (in einem 2D-Bild) 3D-Bilder bzw. stereoskopische Darstellung (Anaglyphen, Autostereoskopie, etc) 14

15 2.3 Ausgabe: 3D-Druck 3D Druck Erzeugung realer 3D-Modelle mit Materialdruckern oder anderer additiver Verfahren Virtuelle Ausgabe Augmented Reality Virtual Reality 3D-Display 3D Maus etc Materielle Ausgabe Stereolithographie (SLA) Lasersintern (SLS) Fused Deposition Modelling (FDM) 3D-Farbdruck (3DP) Selective Deposition Lamination (SDL) Multi Jet Modeling (MJM) 15

16 3. 3D-Druckvorstufe: Datenaufbereitung Was wird kommuniziert? Volumenmodelle (Netz) in Form von Dreiecken/Vierecken mit Ausrichtung (Normale) Optional: Farb- und Texturinformationen, Beschriftungen etc Wie wird kommuniziert? Computer Aided Design (CAD) Programme erzeugen solche Modelle Formate: STL, WRL (VRML), PLY, 3DS, ZPR, OBJ, DXF, STP, IGS, Model, ASC, etc 16

17 3. 3D-Druckvorstufe: Produktionsschritte Erzeugung von 3D Modellen. Export in Standardformat (STL). 3D-Programme: 3D Studio Max, MicroStation, 3DStudio Viz, Mimics, Alias Pro/ENGINEER, AutoCAD, Raindrop GeoMagic, Bentley Triforma, RapidForm, Blender RasMol, CATIA, Revit, COS MOS, Rhinoceros, Form Z, SketchUp, Inventor Solid Edge, LightWave 3D, SolidWorks, Magics e-rp, UGS NX, Maya, VectorWorks, Netfabb etc Netfabb 17

18 3D-Druck: 3D Formate Wichtigstes Format: STL Strandart Transformation Language oder Stereolithography Definition von Dreiecken und der Ausrichtung (keine Dicke) keine bauteilspezifischen Eigenschaften (Kennwerte, Textur etc.) Farbinformation nur über Erweiterung (z.b. VRML, OBJ, U3D PDF) 18

19 3. 3D-Druckvorstufe: Dateianforderungen "Wasserdichtheit", bedeutet vollständig (3D-Flächenobjekt definiert als Dreiecks- oder Vierecknetz) Keine offenen Stellen oder Kanten (Objekt muss mit "Stoff" befüllbar sein) Teilkörper müssen vollständig geschlossen sein hohe Polygonenanzahl (glatte Oberfläche) DPI Verfahrensabhängige Kriterien wie z.b: min. Wandstärke ( Haarlinie) Farbdefinition Separation (je nach "Farbumfang") Preflight & FixUps Build Setup Part Alignment Collision detection Slicing Machine Output Part Inspection Automatic Part Placement Repair Automation etc 19

20 3. 3D-Druckvorstufe: Gründe für Preflight Gut Weniger Gut Quelle: 20

21 3. 3D-Druckvorstufe: Produktionsschritte Erstellung von verfahrensabhängigen Schnittebenen bzw. Querschnitte (ca. 0.1 mm) Slicen Parameter sind Druckerspezifisch Ergebnis: G-Code Bsp. für RepRap Drucker Quelle: 21

22 3. 3D-Druckvorstufe: Produktionsschritte 3D Drucker baut das Modell Schicht für Schicht Vorbereitung (Kalibrierung) Druck Weiterverarbeitung (Infiltration) Bsp. für FDM- Drucker FDM: Fused Deposition Modeling 22

23 3. 3D-Druckvorstufe: "Ausschießen" Positionierung der Objekte im Bauraum Minimierung der Produktionszeit Minimierung Materialverbrauch Minimierung Stützkonstruktion... 23

24 4. Ausgabe: Prototypenkategorien Optische Prototypen Funktionsfähige Prototypen Quelle: Wolfe, Z-coporation, "PHYSISCHES UND DIGITALES PROTOTYPINGGEHÖREN ZUSAMMEN" /10/rapid-prototyping-fraunhofer-ilt.jpg 24

25 4. Ausgabe: Prototypenkategorien Optische Prototypen Design Formstudien, Haptik, Beurteilung der Passung (der Teile) Sicherheit, Ergonomie, Zuverlässigkeit Unterstützung bei Produktionstechnik (Konstruktion von Produktionsanlagen, Montagestraßen, Messgeräten schnelle und betriebswirtschaftliche Montage) Unterstützung in Marketing & Vertrieb (rasche Verfügbarkeit für Anzeigen und Werbekampagnen, Kundenreaktionen, Menschen interagieren mit Produkten) Prototypen von Schuhen der Timberland Company erstellt mit einem ZPrinter der Z Corporation. Prototypen für Verkaufsgespräche mit großen Einzelhandelsketten Quelle: Wolfe, Z-coporation, "PHYSISCHES UND DIGITALES PROTOTYPINGGEHÖREN ZUSAMMEN" 25

26 4. Ausgabe: Prototypenkategorien Funktionsfähige Prototypen Umfassen Form und Funktion des finalen Produkts Verwendung von Materialien, die ähnliche Eigenschaften des tatsächlichen Produkts aufweisen Struktur (innerer Aufbau, Gradienten) Oberfläche (Rauhigkeit, Textur und Farbe) Typische Materialien: Polymere (Kunststoffe) Metalle Keramiken 26

27 4.1 Stereolitografie (SLA) Ältestes Verfahren (1982) Kombination von industriellen Laser und Bad voll lichtaushärtendem Kunstharz (z.b. Epoxidharz) Plattform (Absenken ins Kunstharzbad) + Laserleitsystem. UV- Härtung (oft) keine Stützstrukturen Standardschichtstärke: 0,05-0,25 mm Verarbeitung mehrere Werkstoffe (fast) ausgeschlossen Anwendungen: Designmuster, Datenkontrollmodell, Urmodell folgende Lackierung + Oberflächenstrukturierungen möglich Laurensvanlieshout from nl [GFDL ( or CC-BY-SA-3.0 ( from Wikimedia Commons 27

28 4.1 Stereolitografie: Materialeigenschaften (Bsp) Quelle: 28

29 4.2 Selektives Lasersintern (SLS) Sintern: Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von (Werk-)Stoffen - Erhitzung von Stoffen (oft unter erhöhtem Druck) unterhalb der Schmelztemperatur Gestalt (Form) bleibt erhalten Laserstrahlen belichten die "Bildpunkte" Pulverförmige Materialien, die sich mittels Laserstrahlung schmelzen lassen und nach dem Abkühlen erstarren (Wachse, Kunststoffe (PA), Keramik) Schichtstärken: 0,001 bis 0,2 mm Schicht aufziehen mit Rakel oder Walze (Bauplattform senkt sich) Variante mit Metall (Schmelzen) Selektives Laserschmelzen (SLM) Firmen: EOS, 3D-Systems etc 29 By Materialgeeza (Own work) [CC-BY-SA-3.0 ( or GFDL ( via Wikimedia Commons

30 4.2 Selektives Lasersintern - Beispiele 30

31 4.3 FDM - Fused Deposition Modeling häufigstes Verfahren dt.: Schmelzschichtung Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoff- oder Wachsmaterials durch Erwärmung Materialauftrag durch Extrudieren (Heiz) Düse in Fertigungsebene frei verfahrbar (+ Lüfter) Schichtstärken: 0,025 bis 1,25 mm Stützkonstruktionen nötig Printrbot 31

32 4.3 FDM - Materialien Elastomere: ABS (Acrylonitrile butadiene styrene) PLA (Polylactic acid) Nylon PC (Polycarbonate) PVA (Polyvinly Alcohol) Stützstrukturen Laywood (Holz) F&E läuft auf Hochtouren... "Bastler-Szene": Einstiegsgeräte < 300 Open Source RepRap Replicator & Rapid Prototyping 32

33 4.4 3D Farbdruck (3DP) vom MIT entwickelt und exklusiv an ZCorporation lizensiert (Gips) selektive und schichtweise Verfestigung von Pulver Statt Laser drucken Tintenstrahl-Druckköpfe ein Bindemittel Mehrere Druckköpfe Farbe Druckauflösung: >= 300 dpi Rest des Pulvers ist weiter verwendbar Pulver bleibt eigenschaftsbestimmend Andere Materialien (Kunststoff, Sand) Firma Voxeljet (Friedberg bei Augsburg) Quelle: 33

34 4.4 3D Farbdruck - Beispiele Prototyping-3D-Drucker/homepage.html 34

35 4.4 Bsp: Aufbau eines Z-Printers A: Automatischer Luftfilter B: Bindemittelpatrone C: Baukammer D: Wagen/Schlitten E: Kompressor F: Schmutzfilter G: Steuercomputer H: Horizontaler Balken (Portal) I: Trichter (Enthält Pulver) J: Reservoir (leitet Bindemittel an Portal) K: Wartungsstation (Druckkopfreinigung) L: Unterdruckventil Quelle: Z-Coporation, White Paper,

36 4.5 Drucken mit Papier (SDL) "Paper 3DPrinting" seit Kleber (wasserbasiert) an den Stellen des Objekts aufbringen 2. Aufbringen des nächsten Blatts (Druck) 3. Schneiden des Umrisses Selective Deposition Lamination (SDL) Ähnlich aber nicht identisch mit LOM (Laminated Object Printing) Druck in Vollfarbe möglich (Papier vorher [im Umriss] bedrucken) Kein Stützmaterial Anbieter: mcor Technologies (Exklusivhändler in D: RGF) Quelle: uploads/2013/04/mcor-wp eu_low.pdf 36

37 4.5 Drucken mit Papier - Beispiele Mcor ISIS Vollfarben Quelle: uploads/2013/04/mcor-wp eu_low.pdf 37

38 4.6 MultiJet-Modeling (MJM) Polymer Jetting PolyJet (Firma Objet aus Israel, ab 2012 Stratasys) "3D UV-Druck" Inkjet Druckköpfe drucken Polymere Schicht für Schicht Typische Auflösung: 600 dpi Mehrere Druckköpfe (+ Kartuschen) Druck von Stützkonstruktionen / weiterer Materialien gleichzeitig Materialien: Polymere (ABS, etc) Grundfarben + Transparent 38

39 5. Weiterverarbeitung Stark Prozessabhängig: Stützstrukturen entfernen (eigenes oder separates Material) Nachbehandeln (Abtropfen lassen) Infilitrieren Polieren FDM, MJM SDL 39

40 5. Weiterverarbeitung Beispiel: FDM Polierung (Schmirgelpapier) Beispiel: 3D-Farbdruck Infiltrierung Prototyping-3D-Drucker/homepage.html 40

41 6. Auswahlkriterien & Technikvergleich 1. Schnelligkeit (Viele Modelle gleichzeitig erstellen) mm/stunde 2. Materialkosten (oft wichtiger als der Erwerb eines kostengünstigen Systems) 3. Farbsysteme (machen eine Kolorierung und Endbehandlung überflüssig). 4. Oberflächenbeschaffenheit (für Aufnahmen zu Werbezwecken sind möglicherweise Systeme mit feinem Oberflächenfinish erforderlich, bei denen die Erstellung jedoch länger dauern kann) 5. Materialbeschaffenheit (Zum Beurteilen einrastender Teile sind möglicherweise feste aber dennoch flexible Materialien erforderlich). 6. Eignung für Metallguss (Einige Technologien sind gut geeignet für die Herstellung von Mustern für den Metallguss, andere weniger) 7. Für physische Tests sind möglicherweise Materialien mit höherer Stabilität erforderlich 8. Umweltverträglichkeit (Geruchsentwicklung, Absaugung etc) 41

42 6. Was ist mit Farbe? Farbauswahldrucker Grundfarbendrucker Farbauswahldrucker Unterscheidung zwischen Außenfärbung und Vollfärbung 42

43 6. Vergleichsportale im Internet.. 43

44 6. Kategorisierung der Materialien nach dem Aggregatzustand der Ausgangsmaterialien Quelle: KRUTH, J. P.: Material Incress Manufacturing by Rapid Prototyping Techniques. CIRP Annals Volume 40/2/

45 6. Realisierung von Werkstoffeigenschaften *: GEBHARDT, A.: Rapid Prototyping, 2. Auflage. München/Wien,

46 7. Zusammenfassung & Ausblick 3D Druck technologisch sehr spannend & bietet Raum für Kreativität Geschäftsmodelle entwickeln sich noch Zweiteilung in Profi-Messen (z.b: RapidTech) und Szene-Treff (z.b. FabCon) Industrielle Revolution? Ja, aber nicht im Sinne von Gutenberg und Watt Diskussionspunkte: Verliert die Waschmaschine die Garantie, wenn ich ein Teil nach"drucke"? Vermeidung von Gefahrpotenzialen (Waffenproduktion) Schutz des geistigen Eigentums Weiterentwicklung von Materialvielfalt, Geschwindigkeit Fogra forscht im Bereich Materialechtheiten und -eigenschaften 46

47 Wie 3D Druck unsere Welt verändert 47