Inhaltsverzeichnis. Widmung... V. Vorwort... VII. Über den Autor... IX. Danksagung... XI

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1 Inhaltsverzeichnis Widmung V Vorwort VII Über den Autor IX Danksagung XI 1 Einordnung und Begriffsbestimmung Systematik der Fertigungsverfahren Systematik der Additiven Fertigungsverfahren Begriffsbestimmungen Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren Einteilung der Additiven Fertigungsverfahren Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Rapid Manufacturing Direct Manufacturing Rapid Manufacturing Direct Tooling (Rapid Tooling Prototype Tooling) Nicht-additive Verfahren Indirect Prototyping und Indirect Tooling Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing? Begriffsvielfalt Wie schnell ist Rapid? Integration der Additiven Fertigungstechnik in den Produktentstehungsprozess Additive Verfahren in der Produktentwicklung Additive Verfahren für die stückzahl-unabhängige Produktion Additive Verfahren für die individualisierte Produktion Maschinen für die Additive Fertigung Fabber, Personal 3D-Drucker/Personal 3D Printer

2 XIV Inhaltsverzeichnis Fabber Personal 3D-Drucker/Personal 3D Printer Professional 3D-Drucker/Professional 3D Printer Production 3D-Drucker/Production 3D Printer oder Produktionsmaschinen Industrial 3D-Drucker Maschinenklassen und Bauteileigenschaften Merkmale der Additiven Fertigungsverfahren Verfahrensgrundlagen Erzeugung der mathematischen Schichtinformation Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz Datenfluss und Schnittstellen Modellierung dreidimensionaler Körper mittels 3D-CAD CAD-Modelltypen Anforderungen an CAD-Systeme Modellierung dreidimensionaler Körper aus Messwerten Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten STL-Format Fehler im STL-File CLI-/SLC-Format PLY- und VRML-Format AMF-Format Physikalische Prinzipien zur Erzeugung der Schicht Generieren aus der flüssigen Phase Photopolymerisation Stereolithographie (SL) Grundlagen der Polymerisation Laserinduzierte Polymerisation Vorteile der Stereolithographie Nachteile der Stereolithographie Generieren aus der festen Phase Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten Sintern (Lasersintern, LS), Schmelzen Materialien für das Sintern und Schmelzen Vor- und Nachteile des Sinterns und Schmelzens Proprietäre oder handelsübliche Pulver? Ausschneiden aus Folien und Fügen Layer Laminate Manufacturing (LLM) Vor- und Nachteile der Schichtverfahren (LLM)

3 Inhaltsverzeichnis XV Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase Fused Layer Modeling (FLM) Extrudierende und ballistische Verfahren Vor- und Nachteile der FLM-Verfahren Verkleben von Granulaten mit Bindern 3D Printing (3DP) Pulver-Binder-Verfahren Vor- und Nachteile von Pulver-Binder-Verfahren Generieren aus der Gasphase Aerosoldruckverfahren Vor- und Nachteile von Aerosoldruckverfahren Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) Sonstige Verfahren Sonolumineszenz Elektroviskosität Elemente zur Erzeugung der physischen Schicht Bewegungselemente Plotter Scanner Parallelroboter (Delta Roboter) Generierende und konturierende Elemente Laser Druckköpfe Extruder Schneidmesser Fräser Schichterzeugendes Element Klassifizierung der additiven Fertigungsverfahren Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der additiven Fertigungsverfahren Werkstoffe Bauteileigenschaften Details Genauigkeiten Oberflächengüte Entwicklungspotenzial Kontinuierliche 3D-Modellierung Additive Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing Polymerisation Stereolithographie (SL) Maschinenspezifische Grundlagen

4 XVI Inhaltsverzeichnis Laser-Stereolithographie Digital Light Processing (DLP) PolyJet und Multi-Jet Modeling (MJM) und Paste Polymerization Continuous Liquid Interface Production (CLIP) Übersicht: Polymerisation Stereolithographie Stereo Lithography Apparatus (SLA) 3D Systems STEREOS EOS GmbH Stereolithographie Fockele & Schwarze (F&S) Mikrostereolithographie microtec Solid Ground Curing Cubital Digital Light Processing EnvisionTEC Polymerdrucken Stratasys/Objet Multi-Jet-Modeling (MJM) ProJet 3D Systems Digital Wax Film Transfer Imaging 3D Systems Sonstige Polymerisationsverfahren Paste Polymerization 3D Systems/OptoForm Sintern/Selektives Sintern Schmelzen im Pulverbett Maschinenspezifische Grundlagen Übersicht: Sintern Schmelzen Lasersintern 3D Systems Laser Sintering, SLS 3D Systems Direct Metal Printing DMP-3D Systems Lasersintern EOS GmbH Laserschmelzen ReaLizer GmbH Laserschmelzen SLM Solutions GmbH Laserschmelzen Renishaw LTD LaserCusing ConceptLaser GmbH Laser Metal Fusion (LMF) TRUMPF Elektronenstrahlsintern ARCAM Selective Mask Sintering (SMS) Sintermask Lasersintern Phenix Beschichten Schmelzen mit der Pulverdüse Verfahrensprinzip Pulverdüsenkonzepte Prozessüberwachung und -regelung Laser Engineered Net Shaping (LENS) OPTOMEC Laser Metal Deposition (LMD), TRUMPF Schicht-Laminat-Verfahren Layer Laminate Manufacturing (LLM) Übersicht: Schicht-Laminat-Verfahren

5 Inhaltsverzeichnis XVII Maschinenspezifische Grundlagen Laminated Object Manufacturing (LOM) Cubic Technologies Rapid Prototyping System (RPS) Kinergy Selective Adhesive and Hot Press Process (SAHP) Kira Layer Milling Process (LMP) Zimmermann Stratoconception rp2i Selective Deposition Lamination (SDL) Mcor Plastic Sheet Lamination Solido Sonstige Schicht-Laminat-Verfahren Bauteile aus Metalllamellen Laminated Metal Prototyping Extrusionsverfahren Fused Layer Modeling (FLM) Übersicht: Extrusionsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) Stratasys Wachsprinter Solidscape Multi-Jet-Modeling (MJM) ThermoJet 3D Systems ARBURG Kunststoff-Freiformen (AF) ARBURG GmbH Three Dimensional Printing (3DP) Übersicht: 3D Printing D Printer 3D Systems/Z-Corporation Metall und Formsand Printer ExOne Metall-Linie: Direct Metal Printer Formsand-Linie: Direct Core and Mold Making Machine Direct Shell Production Casting (DSPC) Soligen D-Drucksystem Voxeljet Maskless Masoscale Material Deposition (M3D) OPTOMEC Hybridverfahren Laserauftragsschweißen und Fräsen Controlled Metal Build Up (CMB) Röders Laminieren und Ultraschallschweißen Ultrasonic Consolidation Fabrisonic/Solidica Metallpulverauftragsverfahren (MPA) Hermle Hybrid (Additive and Substractive manufacturing) DGM-MORI Extrudieren und Fräsen Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Cincinnati Zusammenfassende Betrachtung der Additiven Fertigungsverfahren Charakteristische Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren Genauigkeit Oberflächen Benchmark-Tests und User-Parts

6 XVIII Inhaltsverzeichnis 3.9 Entwicklungsziele Folgeprozesse Zielwerkstoff Kunststoff Zielwerkstoff Metall Rapid Prototyping Einordnung und Begriffsbestimmung Eigenschaften von Prototypen Charakteristika des Rapid Prototyping Strategische Aspekte beim Einsatz von Prototypen Produktentwicklungsschritte Time to market Frontloading Digitales Produktmodell Die Grenzen der physischen Modellierung Kommunikation und Motivation Operative Aspekte beim Einsatz von Prototypen Rapid Prototyping als Werkzeug zur schnellen Produktentwicklung Modelle Modellklassen Modellklassen und Additive Verfahren Zuordnung von Modellklassen und Modelleigenschaften zu den Familien der Additiven Fertigungsverfahren Anwendung des Rapid Prototyping in der industriellen Produktentwicklung Beispiel: Pumpengehäuse Beispiel: Büroleuchte Beispiel: Einbauleuchtenfassung Beispiel: Modellbaggerarm Beispiel: LCD-Projektor Beispiel: Kapillarboden für Blumentöpfe Beispiel: Gehäuse einer Kaffeemaschine Beispiel: Ansaugkrümmer eines Vierzylindermotors Beispiel: Cocktailbecher Beispiel: Spiegeldreieck Beispiel: Cabrioverdeck Rapid Prototyping Modelle zur Visualisierung von 3D-Daten Rapid Prototyping in der Medizin Charakteristika medizinischer Modelle Große Datenmengen

7 Inhaltsverzeichnis XIX Nicht exakt definierte Modellabmessungen Mehrere Modelle Transparenz Sterilisierbarkeit Biokompatibilität Stützstrukturen Unverbundene Modellteile Anatomische Faksimiles Beispiel: Anatomisches Faksimile für eine Umstellungsosteotomie Rapid Prototyping in Design, Kunst und Architektur Modellbildung in Design und Kunst Beispiel Kunst: Computer-Skulptur Beispiel Design: Flaschenöffner Angewandte Kunst Bildhauerei und Plastiken Beispiel Archäologie: Büste der Königin Teje Modellbildung in der Architektur Beispiel Architektur: Deutscher Pavillon für die Expo Beispiel Architektur: Ground Zero Beispiel Architekturdenkmäler: Dokumentation von baugeschichtlich relevanten Gebäuden Rapid Prototyping zur Überprüfung von Rechenverfahren Spannungsoptische und thermoelastische Spannungsanalyse Spannungsoptische Spannungsanalyse Thermoelastische Spannungsanalyse (THESA) Beispiel: Spannungsoptische Spannungsanalyse an einem Kipphebel eines Lkw-Verbrennungsmotors Beispiel: Thermoelastische Spannungsanalyse zum Festigkeitsnachweis an einer Automobilfelge Ausblick Rapid Tooling Einordnung und Begriffsbestimmung Direkte und indirekte Verfahren Eigenschaften additiv gefertigter Werkzeuge Strategische Aspekte beim Einsatz Additiver Werkzeuge Schnelligkeit Umsetzung neuer technischer Konzepte

8 XX Inhaltsverzeichnis Konstruktive Eigenschaften additiv gefertigter Werkzeuge Prototypwerkzeuge Weiche gegossene Werkzeuge Harte gegossene Werkzeuge Harte direkt gefertigte Werkzeuge und Werkzeugeinsätze Bereitstellung der Daten Indirekte Rapid Tooling-Verfahren Abformverfahren und Folgeprozesse Eignung Additiver Verfahren zur Herstellung von Urmodellen für Folgeprozesse Indirekte Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für Kunststoffbauteile Abgießen in weiche Werkzeuge oder Formen Vakuumgießen Nylongießen Silikonabguss Photocasting Spincasting Abgießen in harte Werkzeuge Metallspritzen Gießharzwerkzeuge Maskenwerkzeuge, Polyurethangießen Niederdruckspritzgießen, Reaction Injection Molding (RIM) D Keltool Course4 Technology Andere Abformverfahren für harte Werkzeuge Ford Sprayform-Verfahren Rapid Solidification Process, RSP Indirekte Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen Der Feingussprozess mit additiven Prozessschritten Werkzeuge durch Feinguss von Rapid Prototyping Urmodellen Direkte Rapid Tooling-Verfahren Prototype Tooling Werkzeuge auf der Basis von Kunststoff 3D-Druckverfahren Ausgießen von 3D gedruckten Bauteilen D gedruckte Werkzeugeinsätze ACES Injection Molding, AIM D printed injection molding, 3D-IM Tiefziehen oder Thermoformen

9 Inhaltsverzeichnis XXI Herstellung von Kernen und Formen für den Metallguss Sandguss Druckguss Metallwerkzeuge auf der Basis von mehrstufigen additiven Prozessen Selektives Lasersintern von Metallen IMLS 3D Systems Paste Polymerization 3D Systems D Printing von Metallen ExOne GmbH Direct Tooling Werkzeuge auf der Basis von Metall 3D-Druckverfahren Mehrkomponenten-Metallpulver-Lasersintern Einkomponenten-Metallpulver-Verfahren Sintern und Generieren DirectTool EOS GmbH Laserschmelzen SLM-Solutions LaserCusing Concept Laser TruPrint und Direktes Laserformen TRUMPF Elektronenstrahlsintern ARCAM Lasersintern 3D Systems/Phenix Laser-Generieren mit Pulver und Draht Laser Engineered Net Shaping (LENS) OPTOMEC Laser Metal Deposition (LMD) Schicht-Laminat-Verfahren Metalllamellenwerkzeuge Laminated Metal Tooling Ultrasonic Consolidation Fabrisonic/Solidica Lamellenwerkzeug Weihbrecht Ausblick Direct Manufacturing Rapid Manufacturing Einordnung und Begriffsbestimmungen Begriffe Vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing Workflow für das Rapid Manufacturing Anforderungen an die direkte Fertigung Potenziale der additiven Fertigung von Endprodukten Erhöhte Konstruktionsfreiheit Erweiterte konstruktive und gestalterische Möglichkeiten Geometrie- und Funktionsintegration

10 XXII Inhaltsverzeichnis Neuartige Konstruktionselemente Herstellung traditionell nicht herstellbarer Produkte Variation von Massenprodukten Personalisierung von Massenprodukten Passive Personalisierung Hersteller Personalisierung Aktive Personalisierung Kunden Personalisierung Realisierung neuer Werkstoffe Realisierung neuer Fertigungsstrategien Entwurf neuer Arbeits- und Lebensformen Anforderungen an additive Verfahren für die Fertigung Anforderungen an die additive Herstellung eines Bauteils Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Anforderungen an die additive Serienfertigung mit heutigen Verfahren Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Zukünftige Anforderungen an die additive Serienfertigung Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Fertigungsanlagen zur Realisierung des Rapid Manufacturing Additive Fertigungsanlagen als Elemente einer Fertigungskette Industrielle Komplettfertigung Individuelle Komplettfertigung (Personal Fabrication) D-Drucker als Flexible AM-Systeme (FAMS) Vom Personal 3D-Drucker zum Flexiblen Additive Manufacturing System, FAMS Concept Laser, Factory of Tomorrow EOS M

11 Inhaltsverzeichnis XXIII Additive Industries (AI) MetalFAB Anwendungen des Direct Manufacturing Anwendungsfelder nach Werkstoffen Metallische Werkstoffe und Legierungen Hochleistungskeramiken Kunststoffe Neue Werkstoffe Anwendungsfelder nach Branchen Werkzeugbau Gießereiwesen Dentaltechnik Schmuckindustrie Medizinische Geräte und Hilfsmittel, Medizintechnik Zahnspangen: Aligner Invisalign Hörgeräteschalen, Otoplastiken Technische Medizingeräte Design und Kunst Automobilbau Perspektiven Sicherheitsvorschriften und Umweltschutz Gesetzliche Grundlagen für das Betreiben und das Herstellen von Generativen Fertigungsanlagen und den Umgang mit den zugehörigen Werkstoffen Baurecht Wasserrecht Gewerberecht Immissionsschutzrecht Abfallrecht Chemikalienrecht Sicherheitsdatenblätter REACH Anmerkungen zu Materialien für die Generative Fertigung Anmerkungen zur Benutzung von additiv gefertigten Bauteilen Aspekte zur Wirtschaftlichkeit Strategische Aspekte Strategische Aspekte für den Einsatz additiver Verfahren in der Produktentwicklung Qualitative Ansätze Quantitative Ansätze

12 XXIV Inhaltsverzeichnis 8.2 Operative Aspekte Auswahl geeigneter additiver Fertigungsverfahren Ermittlung der Kosten von Additiv-Manufacturing-Verfahren Variable Kosten Fixkosten Charakteristika additiver Fertigungsverfahren und ihre Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit Make or buy? Zukünftige Rapid Prototyping-Verfahren Mikrobauteile Mikrobauteile aus Metall und Keramik Mikrobauteile aus Metall und Keramik mittels Laserschmelzen Schmelzvorgang beim selektiven Laserschmelzen Mikrostrukturen aus Metallpulver Mikrostrukturen aus Keramikpulver Contour Crafting D-Shape-Prozess Selective Inhibition of Sintering (SIS) SIS-Polymer-Prozess SIS-Metall-Prozess Continuous Liquid Interface Production (CLIP) Carbon 3D Fazit, Trends und Ausblick Trends Ausblick Anhang Kritische Erfolgsfaktoren und Wettbewerbsstrategien Wirtschaftlichkeitsmodell nach Siegwart und Singer Technische Daten und Informationen CAD-Systeme und Software für die additive Fertigung Additive Fertigungsanlagen (Prototyper und Fabrikatoren) Werkstoffe für additive Prozesse und Gießharze Begriffe und Abkürzungen Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis