Andreas Gebhardt. 3D-Drucken. Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM)

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1 Andreas Gebhardt 3D-Drucken Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM)

2 Inhalt Vorwort V Danksagung VII Über den Autor IX 1 Grundbegriffe, Definitionen und Anwendungen Grundbegriffe und Definitionen Generative Fertigungsverfahren Schichtbauverfahren Prinzip der Schichtbauverfahren Anwendungen Direkte Prozesse Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Rapid Tooling Anwendungsebenen Indirekte Prozesse Indirect Prototyping Indirect Tooling Indirect Manufacturing Maschinenklassen für Additive Manufacturing Fabricator und Andere Generische Bezeichnungen für AM-Maschinen Schlussfolgerungen Fragen Schichtbauverfahren Direkte Schichtbauverfahren Polymerisation Laser-Stereolithografie (LS) Polymerdruckverfahren und Thermojet-Drucken (Polymerjetting) Digital Light Processing/Lampen-Masken-Verfahren Mikro-Stereolithografie Sintern und Schmelzen Lasersintern Selektives Lasersintern (LS SLS) Laserschmelzen Selektives Laserschmelzen (SLM) Elektronenstrahl-Schmelzen

3 XII Inhalt Extrusion Fused Layer Modeling Pulver-Binder-Verfahren Dreidimensionales Drucken (Drop on Powder Process) Three Dimensional Printing Z-Corporation Three Dimensional Printing Prometal Three Dimensional Printing Voxeljet Layer Laminate Manufacturing (LLM) Layer Laminate Manufacturing, Laminated Object Manufacturing (LOM) Layer Laminate Manufacturing, Paper Lamination, MCOR Layer Laminate Manufacturing, Laminate Printer LLM Maschinen für Metallteile Andere Prozesse: Aerosolprinting und Bioplotter Aerosolprinting Bioplotter Maschinen für Additive Herstell ungsver fah ren Fabricatoren, Printer und Drucker Secondary Rapid Prototyping Processes Schlussfolgerungen und Ausblick Fragen Anwendungen Datenfluss und Prozessketten Allgemeine AM-Prozesskette Prozesskette und Datenfluss für Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing STL- und AMF-Datenstruktur, Fehler und Fehlerbehebung Anwendungen des AM Automobilindustrie und Zulieferer Automobilkomponenten: Interieur Automobilkomponenten: Exterieur Luftfahrtindustrie Konsumgüter Spielzeugindustrie Kunst und Kunstgeschichte Gießerei und Gießtechnik Sandguss Wachsausschmelzverfahren Formenbau für Kunststoff Spritzgießen und Metall Feingießen (Rapid Tooling) Medizintechnik Architektur und Landschaftsgestaltung Verschiedene Anwendungen Mathematische Funktionen und 3D-Grafiken D-Dekorationsobjekte und Ornamente Aerodynamische und Freiformobjekte

4 Inhalt XIII 3.3 Schlussfolgerungen Fragen Additive Manufacturing, Konstruktion und Strategien Potenziale additiver Herstellungsverfahren Potenziale und Perspektiven Komplexe Geometrien Integrierte Geometrie Integrierte Funktionalität Multi-Material-Bauteile und Gradientenmaterialien Neue AM basierte Strategien Personalisierte Fertigung (Customization) Customized Mass Production Individualisierte Massenfertigung Einzelstücke und Kleinserienproduktion Individualisierung Personalisierung Personal Fabrication persönliche Produktion Self customization Distributed Customized Production Verteilte individualisierte Produktion Coproduktion Schlussfolgerungen Fragen Materialien, Entwurf und Qualitätsaspekte für additive Herstellungsverfahren Materialien für additive Herstellungsverfahren Anisotrope Eigenschaften Isotrope Grundmaterialien Kunststoffe Metalle Keramische Materialien Kompositwerkstoffe Individuell zugeschnittene (graded) Werkstoffe und Kompositwerkstoffe Konstruktions- und Entwurfsrichtlinien für AM Toleranzen Vom digitalen Entwurf zum Objekt Designfreiheit Relative Passgenauigkeit Flexible Bauteile, Gelenke, Clips Lage und Positionierung der Bauteile im Bauraum Bohrungen (Löcher), Spalte, Stifte und Wände AM-Eigenschaften, Auswahl, Bauorganisation Schlussfolgerungen Fragen Glossar: Begriffe und Abkürzungen Literatur Index

5 1 Grundbegriffe, Definitionen und Anwendungen Kapitel 1 enthält einen kurzen Überblick über die Technologie der Generativen Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) und das ihr zugrunde liegende Prinzip der Schichtbauverfahren einschließlich der wesentlichen Definitionen sowie ihre Anwendungen. Im Rahmen dieses Buches wird das Thema aus der Sicht des Anwenders betrachtet und industrielle Anwendungen der Generativen Fertigungsverfahren vorgestellt. Rapid Prototyping Solid Imaging Concept Modeling Functional Prototyping Prototype Tooling Direct Tooling Rapid Tooling Prototyping Generative Fertigungsverfahren Manufacturing Anwendung Technologie Alle Begriffe werden durch den stufenweisen Aufbau der AM-Anwendungsebenen als Übersichtsschema verknüpft, welches die Definitionen und Abhängigkeiten der verschiedenen Anwendungen zusammenfasst. Im weiteren Verlauf werden diese in Form von typischen Anwendungsbeispielen verdeutlicht. Das vollständige Übersichtsschema der AM-Anwendungsebenen ist in Bild 1.1 dargestellt (siehe auch Abschnitt Rapid Tooling ). Indirect Prototyping Indirect Tooling Rapid Manufacturing Direct Manufacturing Generative Verfahren Indirect Manufacturing Nicht-generative Verfahren Bild 1.1 Generative Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM), Übersichtsschema: Definition der Technologie- und Anwendungsebenen

6 2 1 Grundbegriffe, Definitionen und Anwendungen 1.1 Grundbegriffe und Definitionen Generative Fertigungsverfahren Schichtbauverfahren Ein Generatives Fertigungsverfahren (AM) ist ein automatisierter Prozess zur Herstellung maßstäblicher dreidimensionaler physischer Objekte unmittelbar aus einem 3D-CAD-Datensatz. Er basiert auf dem Schichtbauprinzip und benötigt keine bauteilabhängigen Werkzeuge. Ursprünglich wurde dieses Verfahren als Rapid Prototyping bezeichnet, wie es auch heute noch häufig genannt wird. Zusammen mit den Subtraktiven Fertigungsverfahren, wie Fräsen oder Drehen und den Formativen Fertigungsverfahren, wie Gießen oder Schmieden, stellen Generative Fertigungsverfahren die dritte Säule der gesamten Fertigungstechnologie dar/bur93/. Als die ersten Ansätze für Generative Fertigungsverfahren 1987 auf den Markt kamen, wurden diese Rapid Prototyping oder Generative Herstellung genannt. Beide Begriffe sind noch in Gebrauch und in den folgenden Jahren wurden viele abweichende Namen präsentiert und häufig weitere hinzugefügt (z. B. Desktop Manufacturing, Freeform Manufacturing, usw.). Obwohl jede der Bezeichnungen aus dem besonderen Blickwinkel der Erfinder als perfekt betrachtet wird, rufen viele von ihnen Verwirrung hervor. Dies ist oft einer der Gründe, warum besonders Neulinge in diesem Industriezweig sich manchmal auf dem Gebiet der Generativen Fertigungsverfahren verloren vorkommen. Um einen kurzen Überblick zu erhalten, wird eine kleine Auswahl häufig benutzter Bezeichnungen einer Gruppe von Schlüsselbegriffen zugeordnet. Häufig benutzte Begriffe beinhalten Schlüsselbegriffe wie: additiv Generative Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) Schichtbauverfahren (Additive Layer Manufacturing, ALM) Direkte Generative Fertigung (Additive Digital Manufacturing, DM) Schicht (layer) Schichtbauverfahren (Layer Based Manufacturing) Schichtorientierte Fertigungsverfahren (Layer Oriented Manufacturing) Schichtbauverfahren (Layer Manufacturing) schnell (rapid) Schnelle Generative Fertigungsverfahren (Rapid Technology) Generative Herstellung von Modellen und Prototypen (Rapid Prototyping) Generative Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen (Rapid Tooling) Generative Herstellung von Produkten (Rapid Manufacturing) digital Direkte generative Herstellung von Produkten (Digital Fabrication) Generative Herstellung von Konzeptmodellen zur Visualisierung (Digital Mock-Up) direkt (direct) Direkte generative Herstellung von Produkten (Direct Manufacturing) Direkte generative Herstellung von Werkzeugen, Werkzeugeinsätzen, Lehren, Formen (Direkt Tooling) 3D Generatives Herstellungsverfahren 3D-Drucken (3D Printing) Generatives Herstellungsverfahren 3D-Modellherstellung (3D Modeling)

7 1.1 Grundbegriffe und Definitionen Darüber hinaus gibt es alle möglichen (und sogar zunächst unvorstellbare) Kom binationen dieser Schlüsselbegriffe. Hinweis: Einige dieser Begriffe unterliegen dem Copyright-Schutz! Außerdem sind zusätzliche Begriffe in Gebrauch, die im Zusammenhang mit neuen und innovativen Herstellungsverfahren gebildet wurden, wie Desktop Manufacturing (Herstellung im Büro/auf dem Schreibtisch) On-Demand Manufacturing (Herstellung nach individueller Anforderung) Freeform Manufacturing (Herstellung von Bauteilen mit beliebigen Freiform flächen) Da Generative Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) eine verhältnismäßig junge Technologie ist, gab es über viele Jahre nahezu keine Bemühungen zur Standardisierung. Aufbauend auf einigen vorläufigen Formulierungen in Deutschland in den frühen 90er-Jahren wurde im Jahr 2007 die Richtlinie Rapid Proto typing /VDI 3404/ unter der Federführung des VDI, Verein Deutscher Ingenieure, erarbeitet. Diese wurde im Herbst 2008 veröffentlicht. Im Jahr 2009 begann die American Society of Mechanical Engineers (ASME) in Zusammenarbeit mit der American Society for Testing and Materials (ASTM) eine eigene Standardisierungsrichtlinie zu erarbeiten. Im Herbst 2009 gab das Komitee F42 für Generative Fertigungsverfahren (Unterkommitee F42.91 für Terminologie) F e1/F2792/, eine Standard Terminologie für Generative Fertigungsverfahren (Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies) heraus. Neben anderen Begriffsbestimmungen wurde der Begriff Generative Fertigungsverfahren (Additive Manu facturing) von diesem Komitee definiert. Da immer viel Zeit verstreicht, bis neu definierte Begriffe allgemein akzeptiert werden, ist nach wie vor eine große Vielfalt verschiedener Begriffe, vermehrt durch Markenbezeichnungen und von Herstellern propagierte Bezeichnungen, in Gebrauch; manchmal sogar in gegenseitiger Konkurrenz Prinzip der Schichtbauverfahren Der Begriff Additive Manufacturing, AM oder auch Generative Fertigungsverfahren, beinhaltet jeden denkbaren Prozess der Anordnung von Material zur Her stellung eines dreidimensionalen physischen Bauteils (part). Die technische Rea lisierung des AM gründet aber ausschließlich auf Schichten und wird deshalb als Schichtbautechnologie (layer-based technology oder layered technology) oder schichtenorientierte Technologie (layer-oriented technology) bezeichnet. Daher werden heute Begriffe wie Additive Manufacturing, Generative Herstellungsverfahren und Schichtbautechnologie (layer-based technology) gleichbedeutend angewendet. 3

8 4 1 Grundbegriffe, Definitionen und Anwendungen Bedingt durch die gleichmäßige Dicke der Schichten, weisen alle mittels Schichttechnologie gefertigten Bauteile einen Treppenstufeneffekt entsprechend Bild 1.2 (rechts) auf. Bild 1.2 Prinzip der Schichtbauweise: Konturierte Schichten (links), 3D-Objekt erzeugt durch versetzte Schichten (rechts) (Quelle: HASBRO/MB Puzzle) Wenn zukünftig neue additive Technologien verfügbar sein sollten, wird es erfor derlich sein, diese in die gegenwärtige Struktur der AM -Begriffe einzuordnen. So wurde zum Beispiel ein Prozess genannt Ballistic Particle Manufacturing, BPM bereits in den frühen 1990er-Jahren eingeführt, verschwand aber bald darauf wieder. Der Prozess führte dem Bauteil Material aus allen Raumrichtungen zu, indem diskrete Volumina (Voxels) auf das entstehende Objekt mittels Freistrahl aufge tragen ( aufgeschossen ) wurden. Diese Technologie war zwar additiv, aber nicht schichtenbasiert. Additive Herstellungsverfahren (AM) Additive Herstellungsverfahren (AM) sind automatisierte und schichtweise wiederkehrende Prozesse, die auf dem Prinzip der Schichttechnologie aufbauen. Sie werden durch eine Prozesskette charakterisiert, die in Bild 1.3 dargestellt ist. Der Prozess beginnt mit einem (virtuellen) dreidimensionalen CAD-Datensatz, der das herzustellende Teil wiedergibt. In der Engineeringphase wird der Datensatz typischerweise mittels 3D-CAD Konstruktion (CAD), durch Scannen oder durch bildgebende Verfahren wie Computer-Tomografie (CT-Scanning) erzeugt. Unabhängig davon wie der 3D-Datensatz erzeugt wurde, wird er im ersten Schritt mittels Rechner und spezieller Software in Scheiben oder Schichten zerteilt. Als Ergebnis wird ein Satz konturierter virtueller Schichten gleichmäßiger Dicke ge wonnen.

9 1.1 Grundbegriffe und Definitionen Rechnerinternes CAD-Modell Rechnerinterne Schnittdarstellung Virtuelle Ebene. Erzeugung der mathematischen Schichtinformation Generative Fertigung Umsetzung der Einzelquerschnitte in physische Schichten + Zusammenführung der physischen Einzelschichten zum Bauteil Physisches Bauteil Reale oder physische Ebene Generierung des physischen Bauteils Bild 1.3 Additive Herstellungsverfahren (AM): Prozesskette Der Datensatz, bestehend aus den Konturdaten (x-y), der Schichtdicke (dz) und der Schichtennummer (oder Z-Koordinate) jeder Schicht wird einer Maschine übermittelt, die zwei grundsätzliche Prozessschritte je Schicht ausführt, um das Teil zu erzeugen. Im ersten Schritt wird jede Schicht gemäß der vorgegebenen Kontur und Schichtstärke hergestellt. Dies kann in unterschiedlicher Weise unter Anwendung ver schiedener physikalischer Grundlagen erfolgen. Die einfachste Methode ist, die Kontur aus einer Folie oder einer Platte (aus)zuschneiden. Im zweiten Schritt wird jede Schicht mit der vorhergehenden verbunden und bildet dann die oberste Lage des teilweise erzeugten Bauteils. Schicht um Schicht wächst so das physische Modell vom Boden bis zur Spitze (von unten nach oben), bis das Teil fertiggestellt ist. Diese grundsätzlichen Schritte, Prozesskette genannt, sind für alle etwas mehr als 200 verschiedenen, heute erhältlichen AM-Maschinen gleich. Die Maschinen unterscheiden sich lediglich in der Art der Erzeugung jeder einzelnen Schicht und in der Weise, wie benachbarte Schichten verbunden werden, um das Teil zu formen. Daher sind alle Maschinen, die später in Kapitel 2 Schichtbauverfahren erläutert werden, durch einige gemeinsame Eigenschaften gekennzeichnet. Sie verwenden alle einen 3D-Datensatz also ein dreidimensionales, virtuelles Objekt, das auch als Digitales Produktmodell bezeichnet wird. Die von ihnen gefertigten Bauteile entstehen alle unter Verwendung von Schichten gleicher Stärke, entsprechend der Querschnitte des Produktmodells. AM ist somit prinzipiell ein 2 ½D-Prozess. 5