Hochschule Bremen Fakultät Natur und Technik Abteilung Maschinenbau

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1 Hochschule Bremen Fakultät Natur und Technik Abteilung Maschinenbau Design Guidelines for Rapid Prototyping Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien für ein fertigungsgerechtes Gestalten anhand des Fused Deposition Modeling Master Thesis zur Erlangung des Grades Master of Engineering M.Eng. vorgelegt von Diplom-Ingenieur Robert Schäfer September 2008

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3 Eingereicht von: Robert Schäfer Neustadtswall Bremen Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Dirk Hennigs Hochschule Bremen Neustadtswall Bremen Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Günther Gravel Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Berliner Tor Hamburg

4 Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die durch ihre persönliche und fachliche Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dirk Hennigs, dem Leiter des Labors für Strukturmechanik und Konstruktion an der Hochschule Bremen, danke ich für die Aufgabenstellung und die Betreuung dieser Arbeit und Herrn Prof. Dr.-Ing. Günther Gravel, dem wissenschaftlichen Leiter des Labors für Produktionstechnik an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg für die Übernahme des Korreferates. Herrn Peter Wedemeyer, Herrn Thomas Witte und Herrn Bernd Schnäker, Mitarbeiter des Labors für Strukturmechanik und Konstruktion der Hochschule Bremen, danke ich für die fachliche Unterstützung und für das gute Arbeitsklima. Darüber hinaus bedanke ich mich bei meiner Familie und allen, die mich bei der Erstellung meiner Arbeit unterstützt haben.

5 Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich, Robert Schäfer, die Master Thesis selbständig verfasst und nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Bremen, den (Robert Schäfer)

6 Vorwort Das vorliegende Dokument entstand im eitraum von Juni bis September 2008 an der Hochschule Bremen im Labor für Strukturmechanik und Konstruktion und ist Bestandteil der Master Thesis im Studiengang Computer Based Mechanical Engineering. Das Thema der vorliegenden Arbeit wurde von Prof. Dr.-Ing. Dirk Hennigs, Hochschule Bremen, gestellt. Robert Schäfer vi

7 Kurzfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Ermitteln und Darstellen von Konstruktionsregeln für eine fertigungsgerechte Gestaltung von Rapid-Prototyping-Bauteilen, die mittels Fused Deposition Modeling hergestellt werden. Die Vorgehensweisen eines methodisch-systematischen Entwickelns von Produkten anhand aktueller VDI-Richtlinien (VDI Verein Deutscher Ingenieure) sollen dazu beitragen, das Potenzial von Rapid-Prototyping-Verfahren während der Produktentwicklung besser auszunutzen, da durch diese Verfahren die Möglichkeit besteht, die bisherigen Einschränkungen in den geometrischen Freiheiten teilweise aufzuheben. Bauteile, die mit Rapid Prototyping gefertigt werden, können unter Berücksichtigung verfahrenstechnischer Besonderheiten in ihrer Geometrie optimal und individuell an die geforderten Funktionen angepasst werden. Anhand des Fused Deposition Modeling werden die Randbedingungen für den Einsatz und verfahrensbedingte Besonderheiten herausgearbeitet. Dabei werden prozess- und materialspezifische Eigenschaften berücksichtigt, um Gestaltungsregeln für den Fertigungsprozess ableiten zu können. Abstract The aim of this work is to identify and to illustrate design guidelines for manufacturing for Rapid Prototyping Components, which are manufactured by Fused Deposition Modeling. The approaches of a methodical and systematic developing of products by means of VDI Guidelines (VDI The Association of German Engineers) should serve to use the potential of Rapid Prototyping Technology during the product development, because by these procedures the possibility exists to lift the present restrictions in the geometrical freedoms partially. Components, which are made by Rapid Prototyping Technology, can be optimally and individually adapted in their geometry to the demanded functions under accounting manufacturing conditions. With the help of the Fused Deposition Modeling the constraints on the application and specific procedure conditions are worked out. Besides, material properties and process properties are considered to be able to derive design guidelines for manufacturing. vii

8 Inhalt Vorwort... vi Kurzfassung...vii Abstract...vii 1. Einleitung Aufgabenstellung und ielsetzung Stand der Technik Rapid Technology Verfahrensgrundlagen Rapid Prototyping in der Produktentwicklung Einsatz von Modellen und Prototypen Einsatzfeld von Rapid-Prototyping-Anlagen Fused Deposition Modeling Verfahrensablauf Anlagentechnik Werkstoff Aktueller Stand der fertigungsgerechten Gestaltung von Rapid-Prototyping-Bauteilen Aufgaben und Tätigkeiten der Produktentwicklung Entwicklungs- und Konstruktionsprozess Grundlagen bei der Erstellung von Konstruktionskatalogen Grundlagen des Gestaltens Gestaltung des Konstruktionskataloges für Fused Deposition Modeling Checkliste für grundlegende Gestaltungsmerkmale Informationsbeschaffung Grundlegende Gestaltungsmerkmale Gesichtspunkte für Kataloggestaltung viii

9 8. Gestaltungsrichtlinie für Rapid Prototyping Grundlagen der Gestaltungsrichtlinie Hauptteile der Gestaltungsrichtlinie usammenfassung Ausblick Anhang Konstruktionsregeln für Rapid Tooling gerechte Gestaltung Konstruktionsregeln zum generieren von Baugruppen Details zu Ansprechpartnern beteiligter Einrichtungen Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis ix

10 Einleitung 1. Einleitung Der in den zurückliegenden Jahren propagierte und eingeschlagene Weg, die Entwicklung neuer Produkte stärker als bisher an den Anforderungen der Kunden auszurichten, erfordert neue Verfahren. Erfolgreiche Produktentwicklung bedeutet, ein Produkt bei höchster Qualität und niedrigsten Kosten in kürzester eit so zu entwickeln, dass es schnell, sicher und preiswert gefertigt werden kann. Nur so können früh Marktanteile eines Produktes gewährleistet werden. Trotz des zunehmenden Einsatzes von virtuellen Produktenwicklungstools besteht ein hoher Bedarf an realen Modellen. Die Lösung war die Entwicklung eines Verfahrens zur generativen Herstellung von Modellen und Prototypen aus 3D-CAD-Daten, bei dem das schnelle Generieren von physischen Bauteilen im Fokus steht, um schnell und zuverlässig Aussagen zu einzelnen Eigenschaften eines späteren Produktes erzielen zu können. In der Praxis etablierte sich dabei das Rapid Prototyping als eine Methode, die grundsätzlich eine Verkürzung der Produktentwicklungsprozesse ermöglicht. Ausgehend von der Tatsache, dass der Kundenwunsch und das Kundenverhalten die Anforderungen an ein Produkt definieren, ergeben sich somit neben den individuellen Markt- und Kundenanforderungen neue Bedingungen für die Produktentwicklung. Technischer Fortschritt in Form von neuen Materialien, Entwicklungs- und Fertigungsmethoden hat eine starke Auswirkung auf die optimale Gestaltung eines Produktes. Bauteile bzw. Modelle, die mit Rapid Prototyping gefertigt werden, können unter Berücksichtigung verfahrenstechnischer Besonderheiten, also in ihrer Geometrie, optimal und individuell an die geforderten Funktionen angepasst werden. Anforderungen an Produkte auf der Grundlage des Fertigungsverfahrens haben somit einen großen Einfluss auf eine optimale Konstruktion. Rapid Prototyping ist somit zu einem entscheidenden Faktor in der Entwicklung neuer Produkte geworden. Um die neuen Freiräume, die Rapid Prototyping bietet, umsetzten zu können, ist daher ein Umdenken in der fertigungsgerechten Konstruktion notwendig. Konstrukteure müssen bereits bei der Entwicklung eines neuen Produktes auch an die Möglichkeiten der Fertigung denken sowie speziell an die gestalterischen Möglichkeiten, die die vorhandenen bzw. zur Verfügung stehenden generativen Verfahren bieten. Die aus der konventionellen Fertigung stammenden Grenzen der Herstellbarkeit sind nicht bzw. nur teilweise relevant. Fertigungsgerechte Konstruktion und Gestaltung bedeutet eine Minimierung von Fertigungszeit und Fertigungskosten sowie das Anstreben von fertigungsrelevanten Qualitätsmerkmalen bei gleichzeitiger Erfüllung aller geforderten Funktionsmerkmale des Produktes, bzw. Modells. Die existierenden Regeln sind nur für eine fertigungsgerechte Konstruktion auf klassische, also spanende, umformende und urformende Technologien ausgerichtet, d. h., es werden nur die Fragen der Geometriegestaltung beispielsweise beim Fräsen, Drehen, Gießen oder Bohren berücksichtigt. Bis heute fehlt eine umfassende und ausführliche Aufbereitung von Regeln für ein optimales Gestalten von Rapid-Prototyping-Bauteilen. Durch die Entwicklung am Markt gewinnt der Einfluss von Vorschriften und Normen etc. weiterhin stark an Bedeutung. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich daher auf die Untersuchung der wechselseitigen Einflüsse der Modellerstellung anhand des Verfahrens Fused Deposition Modeling, 10

11 Einleitung um eine anwenderbezogene Gestaltungsrichtlinie speziell für Maschinen der Dimension Baureihe zu entwerfen. Durch die unterschiedlichen Freiheiten bei der Fertigung von Bauteilen zwischen den verschiedenen Baureihen kann eine erfolgreiche Gestaltungsrichtlinie nur durch die Spezialisierung auf einen bestimmten Typ erfolgen. Dazu wird das zuvor genannte Verfahren anhand der Dimension Baureihe besonders vertieft untersucht. Vor dem Hintergrund verfahrensspezifischer Besonderheiten wird am Beispiel des Verfahrens die Notwendigkeit zur vorausschauenden Planung des Verfahrenseinsatzes gezeigt. Die gewonnenen technologischen Erkenntnisse und die daraus abgeleiteten Regeln sind ein Beitrag zur Beherrschung und Optimierung des Verfahrens. Sie zeigen allgemeingültige Bedingungen sowie verfahrensspezifische Besonderheiten, um die Faktoren Kosten, eit und Qualität effizienter zu gestalten. 11

12 Aufgabenstellung und ielsetzung 2. Aufgabenstellung und ielsetzung Gegenstand dieser Arbeit ist das Ermitteln und Darstellen von Konstruktionsregeln für eine fertigungsgerechte Gestaltung von Bauteilen, die mit dem Generativen Fertigungsverfahren 3D-Printing hergestellt werden sollen. Hierbei handelt es sich um ein Rapid-Prototyping-Verfahren der Firma Stratasys das nach dem Extrusionsverfahren (auch als Fused Layer Modeling bezeichnet, Kurzform: FLM) arbeitet. Es basiert auf dem von der Firma Stratasys entwickelten Fused Deposition Modeling (Kurzform: FDM). Verwendet wird der 3D-Printer Dimension SST 768 im Labor für Strukturmechanik und Konstruktion an der Hochschule Bremen. Die vorgestellten Vorgehensweisen und Untersuchungen sollen dazu beitragen, das Potenzial von Rapid-Prototyping-Verfahren während der Produktentwicklung besser auszunutzen und eine Einbindung von Rapid-Prototyping-Prozessen in die Arbeitsschritte während der Produktentwicklung zu unterstützen. Am Beispiel des 3D-Printing soll veranschaulicht werden, dass durch die Berücksichtigung verschiedener Bedingungen während der Konstruktion eine effektivere Prototypenbereitstellung erfolgen kann. Hierdurch soll unter anderem der Einsatz der Anlage im Rahmen der studentischen Ausbildung verbessert werden. urzeit sind die Studenten vollständig auf das Fachwissen der Labormitarbeiter angewiesen. Stehen diese nicht zur Verfügung, dann steht auch das benötigte Fachwissen für eine effektive Prototypenbereitstellung nicht zur Verfügung. iel ist es daher, basierend auf den ermittelten Daten eine anwenderbezogene Konstruktionsrichtlinie für ein fertigungsgerechtes Gestalten von Fused-Deposition-Modeling-Bauteilen für den 3D-Printer Dimension in Form eines Konstruktionskataloges zu entwerfen. Die Daten sollen so aufbereitet werden, dass ein Nachschlagewerk entsteht, welches es ermöglicht, binnen kürzester eit einen Überblick über verfahrenstechnische Besonderheiten, die es bei der Konstruktion bzw. bei der Fertigung zu berücksichtigen gilt, zu bekommen. Dadurch gelingt es, dem Auftraggeber und Anwender praxiserprobte Hinweise und Empfehlungen zu geben, die Kommunikation zwischen Kunden und Lieferant zu verbessern und zu einer reibungsfreien Abwicklung beizutragen. Das Nachschlagewerk soll so angelegt sein, dass es den gängigen Richtlinien und Katalogen entspricht und somit keiner weiteren Einarbeitung bedarf. Um die zuvor genannten iele zu erreichen ist ein strukturiertes Vorgehen sinnvoll (Abbildung 1), welches planbar und nachprüfbar ist. 12

13 Aufgabenstellung und ielsetzung Vorstellung Stand der Technik im Kapitel 3 Fused Deposition Modeling Kapitel 4 Rapid Prototyping (FDM) Kapitel 5 Aktueller Stand der gerechten Gestaltung von Rapid-Prototyping- Bauteilen Produktentwicklung nach Ermittlung von VDI-Richtlinie 2221 ff: Kapitel 6 Gestaltungsmerkmalen Kapitel 7 Grundlagen Konstruktionskataloge und Kataloggestaltung und gerechte Gestaltung Kapitel 8 usammenfügen der Ergebnisse aus Kap. 6 und 7 zu einer Konstruktionsrichtlinie für fertigungsgerechtes Gestalten Abbildung 1: Schematische Darstellung der Vorgehensweise Das Vorgehen gliedert sich in sechs Teile: Im ersten Teil, Kapitel 3, wird zunächst auf den aktuellen Stand der Technik im Bereich Generativer Fertigungsverfahren eingegangen. Durch das systematische Vorgehen gelingt eine Einordnung der Generativen Fertigungsverfahren. Im zweiten Teil, Kapitel 4, wird auf das Fused Deposition Modeling als Generatives Fertigungsverfahren im Speziellen eingegangen. Im dritten Teil, Kapitel 5, wird der aktuelle Stand gerechter Gestaltung von Rapid- Prototyping-Bauteilen dargelegt und auf Defizite hin untersucht. Hieraus wird die Problemstellung abgeleitet. Im vierten Teil, Kapitel 6, wird das Vorgehen der Produktenwicklung nach der aktuellen VDI-Dachrichtlinie 2221 erläutert. Der Aufbau von Katalogen und die Grundlagen der gestalterischen Festlegung stehen hierbei klar im Vordergrund. Im fünften Teil, Kapitel 7, erfolgt die Untersuchung des Fertigungsverfahrens im Bezug auf Grenzen in der gerechten Gestaltung. Im sechsten Teil, Kapitel 8, erfolgt anhand der gesammelten Informationen aus den Kapiteln 6 und 7 die Erstellung der Konstruktionsrichtlinie für ein fertigungsgerechtes Gestalten von Fused-Deposition-Modeling-Bauteilen. Die angestrebte Gesamtlösung soll für das fertigungsgerechte Gestalten von Fused-Deposition- Modeling-Bauteilen, speziell für die Dimension Baureihe, Gültigkeit besitzen. Es wird nicht der Anspruch erhoben, eine vollständige Repräsentation der fertigungsgerechten Gestaltungskriterien anzubieten. Vielmehr wird durch die vorgestellten Kriterien eine bessere Einschätzung des Verfahrens erreicht. 13

14 Aufgabenstellung und ielsetzung Die Basis zur Erreichung der gesetzten iele bildet dabei eine umfassende Recherche zum Bereich Rapid Prototyping und Produktentwicklung mit dem Schwerpunkt der fertigungsgerechten Gestaltung. Für die Recherchen wurden dabei die Quellen in Tabelle 1 herangezogen. Auf die Bildungseinrichtungen wird im Kapitel 7 detaillierter eingegangen. Sie haben neben einer praktischen Erprobung direkt an der Anlage mit ihrer Unterstützung zur Ermittlung und Verifizierung der Gestaltungspunkte wesentlich beigetragen. Quellen Bibliotheken Staats- und Universitätsbibliothek Bremen Technische Informations- und Universitätsbibliothek Hannover Bildungseinrichtungen Berufsakademie Lörrach Fachhochschule Aachen Fachhochschule Augsburg Fachhochschule Bielefeld Fachhochschule Gelsenkirchen Fachhochschule Wedel Hochschule Bremen Hochschule Esslingen Hochschule Hamburg Hochschule Heilbronn Hochschule Merseburg Universität Duisburg-Essen Universität Kassel Datenbanken FI Technik (Fachinformation Technik und Management) Fachzeitschriften RTejournal Forschungseinrichtungen Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) Messen EMO 2007 Hannover Messe 2007 und 2008 Tagungen Euro-u Rapid, Tagungsunterlagen Rapid Prototyping - Fachtagung im Ammerland Rapid Prototyping - Fachtagung Lippe und Höxter Rapid Prototyping - Fachtagung HAW Hamburg Rapid Prototyping - Fachtagung HAW Hamburg 2008 Unternehmen/Vereine AlphaCam Fertigungssoftware GmbH WORKS EDV-Service GmbH Verein Deutscher Ingenieure Tabelle 1: Verwendete Quellen für die Recherche 14

15 Stand der Technik 3. Stand der Technik Die Begrifflichkeit des Rapid Prototyping hat sich so weit eingebürgert, dass sie zu einem feststehenden Begriff geworden ist. Allerdings gehen die damit verbundenen Technologien mittlerweile über die reine Prototypenherstellung hinaus [1] (siehe Kapitel 3.4). Eine aktuelle und ausführliche Übersicht zum Thema Generative Fertigungsverfahren findet sich in [7] und [28]. Aus diesem Grund wird an dieser Stelle auf eine ausführliche Darstellung verzichtet. Es soll lediglich ein kurzer Einblick in den aktuellen Stand der Technik gegeben werden, um die vorliegende Thematik einordnen und bewerten zu können. 3.1 Rapid Technology Als Pendant zum Begriff Generative Fertigungsverfahren wird mittlerweile auch die Bezeichnung Rapid Technology verwendet [7]. Die Definition des Begriffes Rapid Prototyping als Rapid Technology ist in der Literatur jedoch nicht eindeutig festgelegt. Eine ältere Definition basiert auf dem Grundgedanken, dass Rapid Prototyping auf der Reduzierung eines komplexen dreidimensionalen Fertigungsproblems auf eine große Anzahl einfacher zweidimensionaler Fertigungsschritte beruht [15]. Eine Angabe über die einzusetzenden Fertigungsverfahren wird hier nicht getroffen. Eine weitere Definition bezeichnet den Begriff Rapid Prototyping als die Lehre von den Generativen Fertigungsverfahren [4]. Bei Generativen Fertigungsverfahren erfolgt im Gegensatz zu den klassischen trennenden Fertigungsverfahren nach DIN 8050 ein gezielter Materialauftrag in definierter Größe, um eine Werkstückform hervorzurufen, und ist daher zu den urformenden Verfahren zu zählen [16], [18]. Allgemeingültiger wird Rapid Prototyping auch als die organisatorische und informationstechnische Verknüpfung aller Prozesse zur Herstellung physischer Prototypen bezeichnet [22]. Eine Einschränkung des Begriffs Rapid Prototyping auf bestimmte Arten von Fertigungsverfahren ist hier ausdrücklich aufgehoben. In dieser Arbeit wird an der Definition nach [4] festgehalten. u dem hier behandelten Rapid-Prototyping-Verfahren zählt ausschließlich die Technologie, bei denen physische, räumliche Modelle eines Formteiles durch additive Formgebungsprinzipien hergestellt werden. Das heißt, das zu erzeugende Bauteil wird nicht abtragend aus einem massiven Körper ausgearbeitet, sondern entsteht durch das Hinzufügen von Werkstoff. Die Fertigung erfolgt ohne die Verwendung von Formen und Werkzeugen. Die Idee einer Formgebung durch Materialauftrag ist nicht neu, sondern wurde in der Vergangenheit unter anderen Gesichtspunkten angewandt, z. B. Auftragsschweißen zur Reparatur von Wellen und Formen. Die Rapid Technology bezeichnet konsequenterweise die usammenfassung aller Methoden, Werkzeuge und Verfahrensketten, die im Kern eine generative Gestalterzeugung enthalten, und lässt sich in zwei übergeordnete Anwendungsbereiche einteilen (Abbildung 2). 15

16 Stand der Technik Technologie Rapid Technology Generative Fertigungsverfahren Anwendung Manufacturing Prototyping Concept Modeling Rapid Prototyping Functional Prototyping Rapid Tooling Rapid Manufacturing Fertigung von Konzeptmodellen Fertigung von Funktionsprototypen Generativer Werkzeugbau Generative Fertigung von Produkten Abbildung 2: Technologie der Generativen Fertigungsverfahren nach [7] Die Rapid Technology lässt sich allgemein in die Anwendung zur Herstellung von Prototypen und Modellen (Rapid Prototyping) und zur Fertigung von Produkten (Rapid Manufacturing) gliedern. Die generative Fertigung von Werkzeugen (Rapid Tooling) wird, je nach Fall, beiden Anwendung zugeschrieben. Das Rapid Prototyping lässt sich weiter in die Anwendungen zur Fertigung von Konzeptmodellen (Concept Modeling) und Funktionsprototypen (Functional Prototyping) unterteilen [7]. Als Anlehnung an das Verfahren werden die Anlagen auch als Prototyper bezeichnet. Weitere Details sind der Fachliteratur zu entnehmen. 3.2 Verfahrensgrundlagen iel der Generativen Fertigungsverfahren ist die direkte Umsetzung der 3D-CAD-Daten in ein physisches Bauteil. Alle relevanten Verfahren arbeiten nach dem Schichtprinzip, d. h., das mathematische Grundmodell wird digital in Schichten zerlegt, die dann physikalisch während des Bauprozesses in der Anlage erzeugt und Schicht für Schicht in der richtigen Reihenfolge aneinandergefügt werden. Es wird somit eine hohe Flexibilität in der Darstellbarkeit der Modellgeometrie über den Fertigungsprozess gewährleistet. Dadurch ist es auch möglich Innenstrukturen zu fertigen, die von außen nicht oder nur sehr schwer zugänglich sind. Abbildung 3 stellt eine allgemeingültige Prozesskette der generativen Fertigung dar. 16

17 Stand der Technik Geometriedaten Virtuelle Ebene Reale Ebene 3D-CAD Modell erzeugen Konstrukteur Digitales Modell CAD Software Auflösung Prozessparameter STL Datensatz erlegen in Schichten Frontend Software Maschinendaten Schichtdaten Datenaufbereitung Maschinendatensatz erstellen Frontend Software Maschinendatensatz Fertigung des Modells Prototyper Material Generiertes Modell Material Nachbereitung des Modells Folgeverfahren, Anwender Fertiges Modell Abbildung 3: Prinzip der generativen Fertigung Nachdem das 3D-CAD-Modell digital in Schichten zerlegt wurde, werden die für die Fertigung notwendigen Steuerungsdaten erzeugt und an den Prototyper übergeben. Anhand dieser Daten wird das Bauteil Schicht für Schicht von unten nach oben generiert. Abhängig vom eingesetzten Verfahren ist eine Nachbereitung des Bauteils erforderlich. Da die Modellgeometrie somit aus vielen einzelnen Schichten aufgebaut wird, handelt es sich eigentlich nicht um ein reines 3D-, sondern um ein 2½D-Verfahren. Die einzelnen Schichten weisen in der Fertigungsebene (Y-Ebene) eine hohe Genauigkeit auf, durch die beschriebene Vorgehensweise bilden sich in Aufbaurichtung (-Richtung) jedoch stufige Gebilde. Die Genauigkeit hängt in Aufbaurichtung somit stark mit der Schichtdicke zusammen und entspricht der Vorgabe umso mehr, je dünner die Schichten ausfallen. udem lassen sich die Datensätze in jeder beliebigen Orientierung im Bauraum der Anlage bauen. Generative Fertigungsverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Geometrie, sondern gleichzeitig auch die Stoffeigenschaften während des Herstellungsprozesses entstehen [7]. Grundvoraussetzung für die Generativen Fertigungsverfahren ist, dass eine geschlossene 3D-Geometrie vorliegt, die in ein STL-Format 1 umgerechnet werden kann. Alle heute auf dem Markt befindlichen Maschinen können mit dem gleichen (STL-)Datensatz angesteuert werden [7]. 1 STL Surface Tessellation Language Beschreibung des gesamten äußeren und inneren Flächenverbundes einer Geometrie durch kleine Dreiecke 17

18 Stand der Technik 3.3 Rapid Prototyping in der Produktentwicklung Die Produktentwicklung ist im Wesentlichen davon abhängig, schnell und in einer frühen Phase der Entwicklung die wesentlichen Produkteigenschaften hinreichend absichern zu können. Um diese iele zu erreichen, wenden Unternehmen vermehrt die Rapid Technology zur Unterstützung an. Ein Produktentwicklungsprozess ist somit durch die Anwendung einer Reihe von methodischen Werkzeugen gekennzeichnet. Das Rapid Prototyping ist in dieser Reihe zu einem methodischen Werkzeug geworden, das zur Entwicklung und Fertigung von Produkten herangezogen werden kann. Im Rahmen der Tendenz, die Entwicklung von Produkten zu beschleunigen und sie zu verbessern, um den Anforderungen des Marktes zu genügen, den beteiligten Partnern einen optischen und haptischen Eindruck zu verschaffen und die Realisierung zu erleichtern, haben sich in den vergangenen Jahren Veränderungen bei der Produktentwicklung eingestellt, die einem Produkt zu einem größeren Markterfolg verhelfen können [12]. Hierzu zählt neben den 3D-CAD-Systemen die Einführung des Rapid Prototyping. Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid-Prototyping-Verfahren bekannt und haben sich in dieser eit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt [6]. Mit dem wirtschaftlichen Nutzen der Verfahren konnte die geometrische Vielfalt und Komplexität der Teile weiter optimiert werden. Virtuelle Modelle ermöglichen es dem Konstrukteur, komplexe Sachverhalte besser zu verdeutlichen, Lösungen schneller zu finden und Fehler zu vermeiden. Es ermöglicht, das Bauteil bezüglich seiner Eigenschaften zu betrachten, es zu drehen, es zu wenden, einzufärben und auch zu manipulieren. Es ermöglicht aber nicht das Anfassen, Belasten, den Ein- oder Ausbauversuch oder sonstige Tests [6], [3], [12]. An dieser Stelle kommt die Rapid Prototyping Technology zum Einsatz. Mit dieser neuen Technik kann das Manko der Anschaulichkeit der Konstruktion behoben, eine Steigerung der Kommunikation zwischen den beteiligten Partnern und Abteilungen, eine Verkürzung der Entwicklungszeit und eine Vergrößerung der Formfreiheit und Teilekomplexität erreicht werden, da quasi über Nacht Ideen in ein körperliches Bauteile umgesetzt werden können [8], [12]. Modelle und Prototypen werden in diesem Rahmen als Hilfsmittel verstanden, die in unterschiedlichsten Bereichen der Produktentstehung angewandt werden. Sie unterstützen die menschliche Innovationskraft, liefern die Grundlagen für interdisziplinäre Diskussionen, fördern Entscheidungen bezüglich der Produktgestalt und Produktfunktionalität und sichern einen fehlerarmen Produktionsablauf. Die Vorteile physischer Bauteile zeigen sich überall dort, wo die Nähe zum realen Produkt gefragt ist. Daher sind physische Modelle für die Bewertung der Formgebung und des funktionalen Produktverhaltens sehr gut geeignet. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technology zur Fertigung erschlossen. Rapid Technology ist damit zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien geworden, ohne die in einem angemessenen eitraum eine Produktentwicklung nicht mehr zu bewältigen wäre [3], [6]. Flexibilität und Schnelligkeit zeichnen diese Technologie aus. Rapid Prototyping entspricht dem Kundenwunsch, möglichst seriennahe Bauteile, dem jeweiligen Produktentwicklungsschritt optimal angepasst, schnell und kostengünstig herzustellen [5]. 18

19 Stand der Technik Der Einsatz von Rapid-Prototyping-Verfahren unterstützt die Verzahnung von parallel verlaufenden Arbeitsprozessen. Die Kombination von Rapid Prototyping und Simultaneous Engineering im Rahmen der Produktentwicklung erweist sich als sehr vorteilhaft [12]. Die schnelle Verfügbarkeit von Prototypen stellt ein modernes Hilfsmittel dar, welches Lern- und Entscheidungsprozesse erheblich beschleunigen und vorantreiben kann. usammenfassen lassen sich die Potenziale des Rapid Prototyping in der Produktentwicklung wie folgt: eit- und Kosteneinsparungen durch Prozessparallelisierung, Prozesssubstitution und geringeren Ressourcenverbrauch, schnellere Verfügbarkeit von Mustern und Prototypen sowie Fertigteilen, Wegfall von Vorrichtungen und formgebundenen Werkzeugen, kurzfristige Einzelstück- und Kleinserienherstellung, rasche Bereitstellung von Ersatzteilen und Unikaten, schnelle Realisierbarkeit von individuellen Kundenwünschen, wirksame Unterstützung von Marketing-Strategien und Kundenkommunikation, Machbarkeit hochkomplexer Produktstrukturen bei geringen Gestaltungsgrenzen, durchgängig digitale Produktbeschreibung und Produktherstellung, Senkung von Abstimmungsfehlern bei verteilter Produktentwicklung. 3.4 Einsatz von Modellen und Prototypen Ein effizientes Hilfsmittel, das die Produktentwicklung unterstützt, für eine bessere Kommunikation zwischen den Auftraggebern und den Auftragnehmern sorgt, einen Teil der Fehlermöglichkeiten bereits im frühen Entwicklungsstadium begrenzt, vermeidbare Kosten verhindert und die eit bis zur Markteinführung deutlich verkürzt, ist der Einsatz von Modellen in der Entwicklung, um den gewandelten Anforderungen an Produkte und damit an die Produktentwicklung durch neue Produktentwicklungsstrategien Rechnung zu tragen [4], [12]. Vor allem zu Beginn der Produktentwicklung kommt Modellen eine besondere Bedeutung zu, da in der Anfangsphase der Produktentstehung der größte Anteil der Produktionskosten festgelegt wird. In Abhängigkeit von der Strategie ist es nicht nur wichtig Modelle einzusetzen, sondern auch, zu entscheiden, wie diese Modelle auszusehen haben bzw. über welche Funktionen und Eigenschaften diese Modelle verfügen sollen. Für die Wahl des Fertigungsverfahrens mit ausschlaggebend ist hierbei der Einsatzzeitpunkt der Modelle in der Produktentwicklung. ur Beschreibung von Modellen haben sich in der Vergangenheit verschiedene Gruppen durchgesetzt. Eine einheitliche Sprachregelung der Begriffe Modelle und Prototypen wurde bis in die Mitte des Jahres 2007 nicht gefunden [9]. ur Beschreibung von Modellen hatten sich bis dahin zwei Gruppen etabliert. 19

20 Stand der Technik Der Verband der Deutschen Industrie Designer (VDID) hat die unterschiedlichen Modelltypen in sechs grundlegende allgemeingültige Klassen unterteilt (Tabelle 2) [4], [7], [11]. Modelltypen Beschreibung Proportionsmodell Überprüfung des ästhetischen Eindrucks im Anwendungsumfeld Ergonomiemodell Überprüfung der Ergonomie und Teilfunktionen Designmodell Überprüfung der Konstruktions- und Fertigungsmethoden, entspricht äußerlich dem (Serien-)Muster Funktionsmodell Überprüfung einer oder mehrerer Funktionalitäten Prototyp Überprüfung einer oder mehrerer Produkteigenschaften, Abweichung vom Serienverfahren Muster Überprüfung aller Produkteigenschaften, keine Abweichung vom Serienverfahren Tabelle 2: Modelldefinitionen nach VDID Die Unterschiede zwischen den einzelnen Modelltypen sind teilweise sehr gering, sodass nach einem Vorschlag der NC-Gesellschaft die Modelltypen in vier Modellarten zusammengefasst worden sind (Tabelle 3) [4]. Modelltypen Beschreibung Konzeptmodell Überprüfung des ästhetischen Eindruckes und Proportionen Geomeotrieprototypen Überprüfung der Ergonomie und Geometrie Funktionsprototypen Überprüfung einer oder mehrere Funktionalitäten Technische Prototypen Überprüfung des Bauteils in Versuch und Vorserie, Abweichung vom Serienverfahren Tabelle 3: Modelldefinition nach NC-Gesellschaft Bei den Modelldefinitionen nach VDID und NC-Gesellschaft ist jedoch zu beachten, dass der Begriff Prototyp nicht im Sinne der Generativen Fertigungsverfahren verwendet wird. VDID und NC-Gesellschaft bezeichnen Produktmodelle als Prototypen, die Serieneigenschaften aufweisen aber nicht mit dem Serienprodukt identisch sind. Dagegen wird bei den Generativen Fertigungsverfahren der Begriff Rapid Prototyping für die Herstellung von Modellen verwendet, die keine oder nur wenige Eigenschaften des späteren Produktes besitzen. Eine einheitliche Sprachregelung der Begriffe Modelle und Prototypen, speziell für die Generativen Fertigungsverfahren, ist auch in den im Dezember 2007 erschienenen Entwurf der VDI-Richtlinie 3404, Generative Fertigungsverfahren [28], aufgenommen worden (Tabelle 4) und deckt sich weitgehend mit der Nomenklatur der NC-Gesellschaft. Modelltypen Konzeptmodell Geometrieprototypen Funktionsprototypen Technische Prototypen Produkt Tabelle 4: Modelldefinitionen nach VDI 3404 Beschreibung Überprüfung des ästhetischen Eindruckes im Anwendungsumfeld Überprüfung der Geometrie Überprüfung einer oder mehrerer Funktionalitäten Überprüfung des Bauteils in Versuch und Vorserie, Abweichung vom Serienverfahren Kleinserie, Rapid Manufacturing, individuelle Produkte 20

21 Stand der Technik Die unterschiedlichen Modelldefinitionen lassen sich direkt der Gliederung der Generativen Fertigungsverfahren zuordnen. Als Bezugspunkt dienen die Produktentwicklungsschritte nach VDI 2221 [24]. Die usammenhänge zeigt die Abbildung 4. Produktentwicklung Planung Konzeption Entwicklung Ausarbeitung Konzeptmodell Ergonomiemodell Designmodell Funktionsmodell Prototyp Produktionsmittelfertigung Produktionsmittelentwicklung Muster Fertigung/ Produktion Gliederung Fertigungsverfahren Produktentwicklungsschritte nach VDI 2221 Modelltypen nach VDID Konzeptmodell Geometriemodell Funktionsprototyp Technischer Prototyp Modelltypen nach NCG Konzeptmodell Geometriemodell Funktionsprototyp Technischer Prototyp Produkt Modelltypen nach VDI 3404 Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Abbildung 4: uordnung der Modelldefinitionen zu der Gliederung der Fertigungsverfahren und den Produktentstehungsphasen nach VDI 2221 Die Abbildung verdeutlicht den Unterschied zwischen den Modelldefinitionen nach VDID und NC-G gegenüber der nach VDI Im Sinne der generativen Fertigung für (End-)Produkte verfügt nur die VDI-Richtlinie 3404 über eine Definition für Kleinserien oder individuelle Produkte. In Abhängigkeit von dem zu fertigenden Modell liegen die Prioritäten bei der fertigungsgerechten Gestaltung der Konstruktion jeweils unterschiedlich und müssen berücksichtigt werden. Die Gestaltung der Modelle ist dementsprechend abhängig vom Modelltyp und nicht für alle gleich. Für den Anwender ist es daher von großem Interesse, zu wissen, welche Generativen Fertigungsverfahren zur Herstellung welcher Art von Bauteilen besonders geeignet sind. Dies ist allgemeingültig kaum zu bewerkstelligen. Eine erste grobe uordnung gelingt aber, wenn man die Korrelation zwischen den generativen Anwendungen und den Phasen der Produktentstehung nach VDI 2221 herstellt (Abbildung 4). Der Produktentstehung ist das Rapid Prototyping und der Fertigung das Rapid Manufacturing zuzuordnen. In der Praxis sind die Übergänge zwischen den Modellvarianten fließend. 21

22 Stand der Technik 3.5 Einsatzfeld von Rapid-Prototyping-Anlagen Die verschiedenen Rapid-Prototyping-Systeme stellen differenzierte Anforderungen an den Nutzer sowohl bezüglich der entstehenden Kosten als auch des Aufwandes zur sicheren Beherrschung des Systems. Dementsprechend lassen sich Einsatzfelder definieren, für die bestimmte Systeme besonders geeignet sind. Aus der Sicht des Anwenders ist u. a. von wesentlichem Interesse, wo entsprechende Maschinen sinnvoll installierbar sind [11]. Der Einsatz von Rapid-Prototyping-Systemen als Drucker für dreidimensionale Objekte direkt im Büro erfordert spezielle Eigenschaften dieser Technologien. Dazu zählen u. a. die geringen Investitionskosten, der geringer Aufwand bei der Installation und Nutzung, die standardisierten Schnittstellen mit Rechnern, das einfache Handling und die geringen Nutzungskosten (Materialkosten und Maschinenstundensatz). Mit der Erfüllung dieser Anforderungen sind bestimmte Einschränkungen vor allem bezüglich der verwendbaren Werkstoffe und der erreichbaren Werkstückqualität verbunden, dies gilt es, im Betrieb zu berücksichtigen. In diesen Bereich fallen speziell die Rapid- Prototyping-Anlagen, die nach dem Fused Deposition Modeling arbeiten [11]. Der Einsatzschwerpunkt solcher Anlagen verlagert sich daher mehr in Richtung von Konstruktions- und Entwicklungsbüros. Die genannten Eigenschaften waren ausschlaggebend für die Wahl der Anlage an der Hochschule Bremen. Der Einsatz der mit diesen Systemen erzeugten Modelle ist sehr schnell möglich. Entsprechende Software gestattet den Betrieb dieser Systeme analog zu herkömmlichen Druckern. Weiterhin zeichnen sie sich durch eine sehr kompakte Bauform aus. Außerdem verursachen die Systeme nur eine sehr geringe Belastung der Umgebung durch Abgase, Wärme oder Lärm. Durch den Wegfall teuerer Systeme zur Realisierung der generativen Fertigung und die (nahezu) ausschließliche Nutzung von Wärmeenergie sind die verarbeitbaren Werkstoffe begrenzt. Der im Vergleich zu anderen Rapid-Prototyping-Anlagen technisch einfach gestaltete Aufwand verringert neben den Anschaffungs- auch die Unterhaltungskosten wesentlich. Ihre Belastbarkeit ist für die in der Produktentwicklung üblichen Untersuchungen nicht immer ausreichend. Es kann dementsprechend oft nur die Konstruktion des rechnerinternen Datenmodells durch physische Objekte, also des Konzeptes einer Entwicklung anhand dieser Prototypen erfolgen. Aufgrund dieser Systemeigenschaften sind auch die Bezeichnungen Office- bzw. Konzeptmodeler gebräuchlich [11]. Firmen, Forschungseinrichtung oder auch Bildungseinrichtungen, die bereits mit solchen Druckern im Büro arbeiten, haben einen entscheidenden Vorteil: Von der ersten Idee bis zum fertigen Bauteil wird im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung deutlich weniger eit benötigt. Die Anwender profitieren von sehr kurzen und schnellen Wegen und sind dabei nicht abhängig von externen Dienstleistern. Wiederum besteht die Möglichkeit, durch solche Officemodeler als externe oder interne Dienstleister zu fungieren. Besonders für Bildungseinrichtungen stellt dies neben der Nutzung für die Ausbildung eine interessante Alternative dar. Die Systeme benötigen weniger Platz und können in unmittelbarer Nähe zum Arbeitsplatz aufgestellt werden. Einem Kunden, intern wie extern, können somit nach kürzester eit Ideen extrem realitätsnah präsentiert werden [3]. 22

23 Fused Deposition Modeling 4. Fused Deposition Modeling Bei dem eingesetzten Generativen Fertigungsverfahren handelt es sich um ein Verfahren der Firma Stratasys das nach dem Extrusionsverfahren (auch als Fused Layer Modeling bezeichnet, Kurzform: FLM) arbeitet. Es basiert auf dem von der Firma Stratasys entwickelten Fused Deposition Modeling (Kurzform: FDM). Es wird intern auch als 3D-Printing bezeichnet und unter dem Label Dimension vermarktet. Mit extrudierenden Verfahren können relativ große Volumen in relativ kurzer eit aufgebracht werden. Dabei sind die entsprechenden Strukturen massiv. udem ist die technische Umsetzung relativ einfach. 4.1 Verfahrensablauf Grundlage für die Fertigung eines Produktes, bzw. Modells mit dem Fused Deposition Modeling sind 3D-Datensätze im STL-Format, die an eine spezielle Fertigungssoftware übergeben werden. Mittels dieser speziellen, zum System zugehörigen Fertigungssoftware wird das zu erstellende Modell für den Bauprozess vorbereitet. Es werden die Datensätze skaliert, ausgerichtet und automatisch in Scheiben einer definierten Dicke geschnitten. Weiterhin werden die Stützen berechnet sofern notwendig sowie die Fixierung der Bauteile auf der Bauplattform. Außerdem berechnet die Software den Verfahrweg der Materialdüsen und erzeugt die Daten für die Maschinensteuerung. Das Prinzip der Anlage (Abbildung 5) besteht darin, dass ein in Drahtform vorliegender Kunststoff dem Extrusionskopf zugeführt, verflüssigt und in präzisen, dünnen Schichten spurweise auf der Bauplattform bzw. die zuvor erzeugte Schicht in einem beheizten Bauraum durch eine Düse extrudiert wird. Antrieb Düsen Außenkontur Materialspuren Bauteil Stütze Fixierung Y Ebene Bauplattform Plattformträger Materialrollen -Richtung Abbildung 5: Schematische Darstellung des Fused Deposition Modeling Y Schraffur im Innenbereich Die notwendige Verbindung zwischen dem extrudierten, heißen Material und dem bereits fertiggestellten Teil des Bauteils erfolgt nur, wenn das Material aufgequetscht wird, das heißt, dass der in der Düse noch kreisrunde Querschnitt zu einer Ellipse wird. Durch das noch heiße Material wird 23

24 Fused Deposition Modeling die vorangegangene Materialschicht angeschmolzen und so eine Verbindung erzeugt. Durch die Wärmeübertragung an das teilfertige Modell bzw. an die Bauplattform und den Bauraum kühlt das Material ab und verfestigt sich zu einem Teil. Nachdem eine Lage fertiggestellt ist, wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt (-Richtung) und die nächste Materiallage aufgetragen. Es folgt ein sich wiederholender Prozess aus den Prozessschritten Material auftragen und Absenken der Bauplattform, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Die Fixierung und Abstützung der Bauteile auf der Bauplattform werden mit einem separaten, vom Modellmaterial unabhängigen Stützmaterial aufgebaut. Sobald die letzte Schicht aufgetragen ist, kann das Bauteil inklusive Bauplattform aus dem Bauraum entnommen werden. Nach der Entfernung der Stützen und der Fixierung sind die generierten Bauteile sofort verwendbar und müssen nicht weiter nachbehandelt werden. 4.2 Anlagentechnik Verwendet wird der 3D-Printer Dimension SST 768, der u. a. durch die Alphacam Fertigungssoftware GmbH vertrieben wird. SST steht dabei für Soluble Support Technology. Dies bedeutet, dass sich verbautes Stützmaterial mit Seifenlauge als Reinigungs- und Lösungsmittel in einer speziellen Reinigungsstation auswaschen lässt. Die Maschinenbezeichnung 768 entspricht dem Bauraumvolumen in Inch. Darin können je nach Bedarf mehrere Modelle nebeneinander gebaut werden. Der Kern der Anlage ist die Prozesskammer, die in Abbildung 6 dargestellt ist. Die Anlage zeichnet sich besonders durch ihre einfache Handhabung aus. Führungen und Antrieb für Bewegung des Extrusionskopfes in Y-Ebene Extrusionskopf mit Düsen Führungen und Antrieb für Bewegung des Plattformträgers in -Richtung Plattformträger Materialkassetten Arretierung für Bauplattform (Bauplattform nicht eingesetzt) Abbildung 6: Prozesskammer der Dimension SST 768 Vor dem Start ist es lediglich notwendig, eine leere Bauplattform auf dem Plattformträger zu arretieren und eventuell das Material zu wechseln. Der Betrieb und der Materialwechsel sind auf unproblematische Art und Weise möglich. Der verwendete Kunststoffdraht liegt aufgespult in handlichen Kassetten vor. Nach dem Einlegen in die Anlage fädelt sich der Draht automatisch ein und wird dem Extrusionskopf zugeführt. Dieser wird kontinuierlich elektrisch auf eine über dem 24

25 Fused Deposition Modeling Schmelzpunkt des Kunststoffs liegende Temperatur beheizt und ist über einen Riemenantrieb in der Fertigungsebene für die Spurablage frei verfahrbar. Um nachfolgenden Schichten aufzubringen, ist die Bauplattform in -Richtung verfahrbar. Die Anlage bedarf weder gefährlicher Materialien und Techniken noch Investitionen in Raumbelüftung und -klimatisierung. Sie ist speziell als Tischmodell konzipiert worden. Ohne Spezialisten beschäftigen zu müssen und durch ihre kompakte Bauart ist die Anlage daher ideal geeignet, um in einer Büroumgebung betrieben zu werden. Der Anwendungsbereich der Anlage liegt hauptsächlich bei Konzeptmodellen (siehe Kapitel 3.4). Im Rahmen der studentischen Ausbildung wird die Anlage auch für einfache Funktionsmodelle verwendet. Eine Übersicht über technische und allgemeine Daten zur verwendeten Anlage sind der Tabelle 5 zu entnehmen. Technische Daten und Informationen Maschinen-Bezeichnung/-Typ Dimension SST 768 Hersteller Stratasys Vertrieb in Deutschland Alphacam Fertigungssoftware GmbH, Works EDV-Service GmbH Breite/Tiefe/Höhe 0,69 m/0,91 m/1,04 m Gewicht 136 kg Elektrischer Anschluss 230 V/7 A Leistungsaufnahme 1,5 kw Art des konturierenden Elements Extruder Y-Konturgenerierung Riementrieb Y Bauraum max. Breite/Tiefe/Höhe 203 mm/203 mm/305 mm Schichtdicke 0,254 mm/0,3302 mm Spurbreite 0,506 mm Bauraumtemperatur ca. 70 C Druckkopftemperatur ca. 230 C Genauigkeit ± 0,3 mm in Fertigungsebene, ± 1 Schicht in Fertigungsrichtung Modellart Konzeptmodelle, Funktionsmodelle Baumodi Vollbaumodus (Solid), Leichtbaumodus (Sparse) Baumaterial ABS-P400 usätzliche Stützen ja Entfernung Stützen Automatisch, wasserlöslich Orientierung Im Bauraum beliebig Schnittstellenformat STL Einheit Datensatz mm, inch (skalierbar) EDV-System Workstation Betriebssystem Windows 2000/P/NT Software Catalyst E Tabelle 5: Technische Daten und Informationen zur Anlage Die größten Einschränkungen, die es zu berücksichtigen gilt, sind die beschriebene Spurbreite und Spurdicke. Konturen kleiner als diese Spurabmessungen können nicht dargestellt werden. Hieraus resultiert auch eine deutlich sichtbare Stufung geneigter Flächen mit entsprechend rauhen Oberflächen! 25

26 Fused Deposition Modeling 4.3 Werkstoff Als Standardmaterial steht der Kunststoff Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) zur Verfügung. Die Materialzufuhr erfolgt automatisch über zwei frei zugängige Materialkassetten mit je 950 cm³ Bauteil- und Stützmaterial in Drahtform. Das Modellmaterial wird nur für das Model verwendet, während das Stützmaterial für die Fixierung des Bauteils auf der Bauplattform und zur Abstützung von frei schwebenden Bauteilbereichen eingesetzt wird. Dieses unterscheidet sich bezüglich seiner Festigkeitseigenschaften und seiner Farbe vom Modellmaterial. Es geht mit dem Bauteil keine Verbindung ein. Dadurch lassen sich Modelle mit komplexer Geometrie, mit sich durchdringenden Strukturen oder auch beweglichen Innenteilen herstellen. Da eine Verbindung des fertigen Bauteils mit der Bauplattform nur über das spröde Stützmaterial besteht, können die Bauteile mit geringem Kraftaufwand von Hand von der Bauplattform entfernt werden. Restliches Stützmaterial kann in der zugehörigen Reinigungsstation aufgelöst werden. Bei dem Baumaterial handelt es sich um einen haltbaren Thermoplast in den Farben Weiss, Blau, Gelb, Stahlgrau, Rot oder Grün. Auch individuelle Farben sind lieferbar. Die Stoffeigenschaften sind der Tabelle 6 zu entnehmen. Bauteileigenschaften ASB P400 ugfestigkeit 23 N/mm² nach DIN EN ISO 527 Elastizitätsmodul 1823 N/mm2 nach DIN EN ISO 178 Dehnung 6,5 % nach DIN EN ISO 527 Spezifische Dichte 0,96 g/cm³ nach DIN Kugeldruckhärte 42,2 N/mm² nach DIN ISO 2093 ugfestigkeit nach 14-tägiger Alterung in Benzin Destilliertem Wasser Lösungsmittel 19 N/mm² 23 N/mm² 23 N/mm² nach DIN EN ISO 4892 nach DIN EN ISO 4892 nach DIN EN ISO 4892 Formbeständigkeit in der Wärme 85 C nach DIN Tabelle 6: Stoffeigenschaften Modellmaterial Es ist anzumerken, dass sich die mechanischen Eigenschaften des generierten Bauteils von denen des Ausgangsmaterials unterscheiden. Abhängig von der Belastungsrichtung und dem verwendeten Baumodus variiert die ugfestigkeit stark (siehe Kapitel 7.3). 26

27 Aktueller Stand der fertigungsgerechten Gestaltung von Rapid-Prototyping-Bauteilen 5. Aktueller Stand der fertigungsgerechten Gestaltung von Rapid-Prototyping-Bauteilen Um Modelle in den verschiedenen Phasen der Produktentwicklung einzusetzen und damit die Vorteile der neuen Techniken nutzen zu können, bedarf es eines breiten Wissens um die verschiedenen Rapid-Prototyping-Verfahren und deren Einsatzmöglichkeiten. Bei der generativen Fertigung physischer Bauteile setzen das Verfahrensprinzip und die verwendeten Materialien enge Grenzen hinsichtlich der geometrischen und stofflichen Eigenschaften. Erarbeitetes Wissen um diese Grenzen wird nicht nutzbringend angewandt, weil es für viele Anwender nicht oder nicht in geeigneter Form verfügbar ist. Diese Tatsache betrifft im besonderen Maße sowohl Konstrukteure als auch Anwender. Derzeit existieren nur vier verschiedene Quellen für dokumentierte Restriktionen: Gebhardt, A. [7]: Generative Fertigungsverfahren: Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing Carl Hanser Verlag, München, 3. Auflage 2007, ISBN , äh, M. F. [29]: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien: Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren Carl Hanser Verlag, München, 1. Auflage, 2006, ISBN , Trenke, D. [23]: Konstruktionsregeln für eine Rapid Tooling gerechte Gestaltung von Werkzeugen und Prototypen Mitteilung aus dem Institut für Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal, 2000 ISSN , Rüschenschmidt, M.; Hoppe, C. [21]: Spaltmaßuntersuchung für die montagelose Herstellung von beweglichen Baugruppen mit Hilfe des Rapid Prototyping Verfahrens Fused Deposition Modeling Nicht veröffentlichte Studienarbeit der Hochschule Bremen, In [7] erfolgt eine allgemeine, zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der Generativen Fertigungsverfahren auf der Basis grundlegender physikalischer Vorgänge. Diskutiert werden die begrenzenden Faktoren bezüglich der Hauptpunkte Werkstoffe, Bauteileigenschaften, Details, Genauigkeit, Oberflächengüte und Entwicklungspotenzial. Einbezogen werden die industriell wichtigsten generativen Verfahren. Es gleicht jedoch mehr einer Gegenüberstellung einzelner Verfahrenseigenschaften als eine Darstellung von Gestaltungsmerkmalen. In [29] erfolgt eine etwas strukturiertere Darstellung von Restriktionen und deren Konsequenzen für die Konstruktion von Bauteilen mit Rapid Technology, die in Tabelle 7 wiedergegeben wird. 27

28 Aktueller Stand der fertigungsgerechten Gestaltung von Rapid-Prototyping-Bauteilen Auch in diesem Fall handelt es sich lediglich um eine usammenfassung allgemeiner Restriktionen für Generativen Fertigungsverfahren. Anforderungen/Restriktionen Konsequenz für die Konstruktion Stufeneffekt (Oberflächenqualität) Spitzwinklige Ebenen zur Bauplattform vermeiden, Bohrungen und Rundungen immer in Baurichtung legen, Bauteillage im Bauraum beachten Schichtdicke (Oberflächenqualität) Hohe Oberflächenqualität nicht fordern, wo diese nicht notwendig ist Nacharbeit von Funktionsflächen ugänglichkeit ermöglichen, Anforderungen des Nacharbeitungsverfahrens beachten, Aufmaß einplanen, Fixpunkte zur Nacharbeit vorsehen Abgeschlossenen Hohlräume ugänglichkeit zum Entfernen des nicht verfestigten Materials in Hohlräumen gewährleisten Stützkonstruktion ugänglichkeit zum Entfernen der Stützkonstruktionen vorsehen, bei Pulver verarbeitenden Verfahren Position im Bauraum beachten und Überhänge vermeiden Infiltration bei weiprozessverfahren Nacharbeit des überschüssigen Materials nach der Infiltration ermöglichen Schwimmende Schichten Abstützung an Bauplattformen oder an bereits verfestigten Bauteilbereichen Verzug von großen horizontal liegenden Anordnung des Bauteils im Bauraum um ca. 4 Schichten gegenüber der Horizontalen wählen (Achtung: Treppenstufeneffekt wird größer, Verzug aberkleiner) Festigkeitswerte richtungsunabhängig (in Y- Späteren Kraftfluss des eingesetzten Bauteiles Ebene am höchsten) schon bei der Planung beachten Oberflächenqualität von Down Facing Areas Oberflächen mit hohen Qualitätsanforderungen (im Bauraum nach unten gerichtete Flächen) sollten nach oben orientiert gebaut werden schlechter Tabelle 7: Eigenschaften und Restriktionen von Rapid Technology und deren Konsequenzen für die Konstruktion von Bauteilen nach [29] In [23] erfolgt die bisher einzige umfangreichere Darstellung von Konstruktionsregel für eine generative Fertigung. Die Konstruktionsregeln wurden speziell für eine Rapid-Tooling-gerechte Gestaltung von Werkzeugen und Prototypen erstellt, die mit dem direkten Metall Lasersintern generiert werden. Beim diesem Verfahren werden zu einem Pulverbett dicht nebeneinandergepackte Metallkörner von typischerweise 50 bzw. 100 µm Durchmesser mithilfe eines Laserstrahls örtlich aufgeschmolzen, dann erstarren sie durch Abkühlung infolge von Wärmeleitung und verbinden sich zu einer festen Schicht. Durch Absenken dieser Schicht und erneutes Beschichten mit Pulver wird in Analogie zur ersten die zweite Schicht verfestigt und mit der ersten verbunden [4]. Die Konstruktionsregeln sind in Anhang 11.1 aufgeführt. Sie machen deutlich, dass für ein optimales Ergebnis ein umfangreiches Wissen über das einzusetzende Fertigungsverfahren notwendig ist. In [21] nicht veröffentlichte Studienarbeit der Hochschule Bremen erfolgt die Darstellung einer Konstruktionsrichtlinie zum Generieren von Baugruppen ohne spätere Montage. Die Einzelrichtlinie wurde speziell für das Verfahren Fused Deposition Modeling entwickelt. Die Konstruktionsregeln sind im Anhang 11.2 aufgeführt. 28

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