3D Printing Technologie Verfahrensüberblick

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1 3D Printing Technologie Verfahrensüberblick FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Dr. Markus Hatzenbichler Engineering Technologies (TEC) Group Wiener Neustadt,

2 Persönlicher Hintergrund 2

3 Allgemeine Informationen Arbeitsgruppe Additive Manufacturing Technologies Prof. Jürgen Stampfl Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Technische Universität Wien Materialentwicklung Keramik Kunststoff Anlagenbau (3D-Drucker) Dentalindustrie, Hochtemperaturanwendungen, Zellkultivierung 3

4 Allgemeine Informationen Zahnbrücken 180x75x240mm Microprinter Kreuzkanalfilter (SiC) Stephansdom 4

5 Verfahrensüberblick 5

6 Begriffsdefinitionen Was versteht man unter 3D Printing? Schichtweiser Aufbau Keine Werkzeuge Hohe Komplexität möglich Konventionell nicht herstellbar Neue Denkweise in der Konstruktion Kürzere Produktentwicklungszyklen 6

7 Begriffsdefinitionen ASTM F a: Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies: A process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer. Gebräuchliche Begriffe: Rapid Prototyping 3D Drucken Solid Freeform Fabrication Additive Layer Manufacturing Generative/Additive Fertigung Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wie Drehen, Fräsen, etc. 7

8 Prozesskette bei additiver Fertigung Andreas Gebhardt 8

9 3D Scanning Generierung der CAD Daten Variante 1: Modellierung mit CAD Software Variante 2: 3D Scanning Beispiele: DS SolidWorks, DS Catia, AD Inventor, etc. Beispiele: MS Kinect, 3DS Sense, MB Digitizer, etc. 9

10 Dateiformat STL (Surface Tessellation Language) Format Beschreibung der Oberfläche durch Dreiecke Charakterisierung der Dreiecke durch Eckpunkte und Flächennormale Geometrische Werte für die Weiterverarbeitung (Positionieren und Slicen) benötigt Je mehr Dreiecke desto besser können speziell runde Oberflächen dargestellt werden Einfluss auf spätere Bauteilqualität 10

11 Additive Fertigungsverfahren Additive Fertigung Pulver Flüssigkeit Feststoff Metall Kunststoff Gips Kunststoff Kunststoff Laser Beam Melting Laser Beam Melting 3D Printing Stereolithography Fused Deposition Modeling Laser Powder Deposition Polyjet Printing Electron Beam Melting 11

12 Additive Fertigungsverfahren Laser Beam Melting Dünne Metallpulverschicht wird von einem Laser selektiv aufgeschmolzen Stützstrukturen für Stabilität und Wärmeableitung sind notwendig Schichtdicken liegen zwischen 20µm und 90µm (abhängig von Material und Anlage) 800x400x500mm max. Bauvolumen Single-, Dual- und Quad-Laser möglich 4-10µm (Ra) 350µm mind. Wandstärke 12

13 Additive Fertigungsverfahren Laser Powder Deposition Metallpulver wird koaxial zugeführt und von einem Laser aufgeschmolzen Stützstrukturen für Stabilität und Wärmeableitung sind notwendig Schichtdicken liegen zwischen 100µm und 1.000µm (abhängig von Material und Anlage) Bauvolumen hängt vom Verfahrweg der Achsen ab (typischerweise bis zu 1,5m) 12-25µm (Ra) 1000µm mind. Wandstärke 13

14 Additive Fertigungsverfahren Electron Beam Melting Dünne Metallpulverschicht wird von einem Elektronenstrahl selektiv aufgeschmolzen Stützstrukturen für Stabilität und Wärmeableitung sind notwendig 50µm Schichtdicke 350x350x380mm max. Bauvolumen 20-25µm (Ra) 100µm mind. Wandstärke 14

15 Additive Fertigungsverfahren 3D Printing Inkjet Druckköpfe applizeren einen flüssigen Kleber auf eine dünne Pulverschicht Keine Stützstrukturen notwendig, d.h. Verschachteln und Stapeln ist möglich 90µm Schichtdicke 4,0x2,0x1,0m max. Bauvolumen 20-25µm (Ra) 1000µm mind. Wandstärke 15

16 Additive Fertigungsverfahren Stereolithography Flüssiges Photopolymer wird durch einen Laser selektiv verfestigt (Radikalische Polymerisation) Stützstrukturen für Stabilität sind notwendig 20-50µm Schichtdicke 2,1x0,7x0,8m max. Bauvolumen < 5µm (Ra) 100µm mind. Wandstärke 16

17 Additive Fertigungsverfahren Digital Light Processing (DLP) based Stereolithography Technologie: Leuchtdioden strahlen auf rasterförmig angeordnete Mikrospiegel Mikrospiegel entspricht einem Pixel (Größe ca. 40µm, +/- 10 schwenkbar) Position 0 = Licht trifft auf Absorber Position 1 = Licht wird in Richtung Optik abgelenkt Vorteile: Maskenbelichtung (gesamte Schicht) Baugeschwindigkeit unabhängig von XY Hohe Präzision Nachteile: Bauteileigenspannungen 17

18 Additive Fertigungsverfahren Polyjet Printing Druckköpfe sprühen flüssige Photopolymere auf die Bauplattform und härtet diese mit UV Lampen aus Einsatz von mehreren Materialien möglich Stützstrukturen für Stabilität sind notwendig 20µm Schichtdicke 1,0x0,8x0,5m max. Bauvolumen < 8µm (Ra) 150µm mind. Wandstärke 18

19 Additive Fertigungsverfahren Fused Deposition Modeling Kunststoffdraht wird aufgeschmolzen und durch eine Düse extrudiert Stützstrukturen für Stabilität sind notwendig 178µm Schichtdicke 914x610x914mm max. Bauvolumen k.a. (Ra) 300µm mind. Wandstärke 19

20 Beispiele 20

21 Beispiele Fused Deposition Modeling Quelle: thingiverse.com Quelle: additiverse.com 21

22 Beispiele Polyjet Printing Quelle: solidsmack.com Quelle: solidsmack.com 22

23 Beispiele Stereolithography Quelle: 4dconcepts.de Quelle: protocam.com 23

24 Beispiele 3D Printing Quelle: supplychainalmanac.com Quelle: zcorpprinter.co.uk 24

25 Beispiele Electron Beam Melting Quelle: osti.gov Quelle: articles.sae.org 25

26 Beispiele Laser Powder Deposition Quelle: engineering.purdue.edu Quelle: uslasercorp.com 26

27 Beispiele Laser Beam Melting Quelle: FOTEC / Rejlek Quelle: FOTEC / TUW Racing 27

28 Zusammenfassung Was ist 3D-Druck und welche Vorteile bietet diese Technologie? Schichtweiser Aufbau Hoch komplexe Bauteile möglich Keine Werkzeuge notwendig Konventionell nicht herstellbar Welche Verfahren gibt es? Laser Beam Melting Fused Deposition Modeling Laser Powder Deposition 3D Printing Electron Beam Melting Klassische Potentiale von 3D-Druck? Polyjet Printing Stereolithography Gewichts- und Volumenreduktion (Topologieoptimierung) Monolithisches Design 28

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 23. September 2015 Markus Hatzenbichler FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Quelle: FOTEC / TUW Racing 29