Generative Fertigungsverfahren Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Rapid Manufacturing

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1 Andreas Gebhardt Generative Fertigungsverfahren Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Rapid Manufacturing ISBN-10: ISBN-13: Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 Inhalt Vorwort... VII 1 Einordnung und Begriffsbestimmung Systematik der Fertigungsverfahren Systematik der Generativen Fertigungsverfahren Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Rapid Tooling Direct Tooling (Prototype Tooling) Rapid Manufacturing Direct Manufacturing Abgrenzungen Wie schnell ist Rapid? Zuordnung der generativen Fertigungstechnik zu den Phasen der Produktentstehung Merkmale der Generativen Fertigungsverfahren Verfahrensgrundlagen Erzeugung der mathematischen Schichtinformation Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz Datenfluss und Schnittstellen Modellierung dreidimensionaler Körper mittels 3D-CAD Modellierung dreidimensionaler Körper aus Messwerten Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten STL-Format CLI-/SLC-Format PLY- und VRML-Format Physikalische Prinzipien zur Erzeugung der Schicht Generieren aus der flüssigen Phase Photopolymerisation Stereolithographie (SL) Generieren aus der festen Phase Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten Sintern (Lasersintern, LS), Schmelzen Ausschneiden aus Folien und Fügen Layer Laminate Manufacturing (LLM) Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase Fused Layer Modeling (FLM) Verkleben von Granulaten mit Bindern 3D Printing (3DP) Generieren aus der Gasphase Aerosoldruckverfahren Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) Sonstige Verfahren... 58

3 X Inhalt 2.4 Elemente zur Erzeugung der physischen Schicht Bewegungselemente Generierende und konturierende Elemente Schichterzeugendes Element Klassifizierung der Generativen Fertigungsverfahren Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der Generativen Fertigungsverfahren Generative Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing Polymerisation Stereolithographie (SL) Maschinenspezifische Grundlagen Übersicht: Polymerisation Stereolithographie Stereo Lithography Apparatus (SLA-) 3D Systems STEREOS EOS Stereolithographie Fockele & Schwarze (F&S) Mikrostereolithographie microtec Solid Ground Curing Cubital Digital Light Processing Envisiontec Polymerdrucken Objet Multi-Jet-Modeling (MJM) InVision 3D Systems Digital Wax Next Factory Film Transfer Imaging 3D Systems Sonstige Polymerisationsverfahren Paste Polymerization OptoForm Sintern/Selektives Sintern Schmelzen im Pulverbett Maschinenspezifische Grundlagen Übersicht: Sintern Schmelzen Selektives Lasersintern 3D Systems Lasersintern EOS Laser Schmelzen MCP-HEK/Fockele & Schwarze Laser Cusing Concept Laser Direktes Laserformen TRUMPF Elektronenstrahlsintern ARCAM Selective Mask Sintering (SMS) Speed Part Lasersintern Phenix Beschichten Schmelzen mit der Pulverdüse Verfahrensprinzip Laser Engineered Net Shaping (LENS) Optomec Direct Metal Deposition (DMD) TRUMPF/POM Schicht-Laminat-Verfahren Layer Laminate Manufacturing (LLM) Übersicht: Schicht-Laminat-Verfahren Maschinenspezifische Grundlagen Laminated Object Manufacturing (LOM) Cubic Technologies Rapid Prototyping System (RPS) Kinergy Selective Adhesive and Hot Press Process (SAHP) Kira

4 Inhalt XI RapidPro Boxford Layer Milling Process (LMP) Zimmermann Stratoconception rp2i Stratified Object Manufacturing (SOM) ERATZ Plastic Sheet Lamination 3D Systems Sonstige Schicht-Laminat Verfahren Bauteile aus Metalllamellen Laminated Metal Prototyping Extrusionsverfahren Fused Layer Modeling (FLM) Übersicht: Extrusionsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) Stratasys Multiphase Jet Solidification (MJS) ITP D-Printer Dimension Stratasys Wachsprinter Solidscape Multi-Jet-Modeling (MJM) ThermoJet 3D Systems Three Dimensional Printing (3DP) Übersicht: 3D Printing D-Printer Z-Corporation Rapid Production Machine Tools Prometal Metall-Linie: Direct Metal Printer Formsand-Linie: Direct Core and Mold Making Machine Direct Shell Production Casting (DSPC) Soligen D-Druck-System Voxeljet Maskless Masoscale Material Deposition (M 3 D) Optomec Hybridverfahren Laserauftragsschweißen und Fräsen Controlled Metal Build Up (CMB) Röders Laminieren und Ultraschallschweißen Ultrasonic Consolidation Solidica Zusammenfassende Betrachtung der Rapid Prototyping Verfahren Charakteristische Eigenschaften der Generativen Fertigungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren Genauigkeit Oberflächen Benchmark-Tests und User-Parts Entwicklungsziele Folgeprozesse Zielwerkstoff Kunststoff Zielwerkstoff Metall Rapid Prototyping Einordnung und Begriffsbestimmung Eigenschaften von Prototypen Charakteristika des Rapid Prototyping Strategische Aspekte beim Einsatz von Prototypen Operative Aspekte beim Einsatz von Prototypen Rapid Prototyping als Werkzeug zur schnellen Produktentwicklung

5 XII Inhalt Modelle Modellklassen Modellklassen und generische Verfahren Zuordnung von Modellklassen und Modelleigenschaften zu den Familien der Generativen 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 3-D Daten Rapid Prototyping in der Medizin Charakteristika medizinischer Modelle 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: Wohnungsbauprojekt Beispiel Architektur: Groud Zero Rapid Prototyping zur Überprüfung von Rechenverfahren Spannungsoptische und thermoelastische Spannungsanalyse Beispiel: Spannungsoptische Spannungsanalyse an einem Kipphebel eines LKW-Verbrennungsmotors Beispiel: Thermoelastische Spannungsanalyse zum Festigkeitsnachweis an einer Automobilfelge Ausblick Rapid Tooling Einordnung und Begriffsbestimmung Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge Strategische Aspekte beim Einsatz Generativer Werkzeuge

6 Inhalt XIII Schnelligkeit Umsetzung neuer technischer Konzepte Konstruktive Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge Prototypwerkzeuge Bereitstellung der Daten Indirekte Rapid Tooling Verfahren Abformverfahren und Folgeprozesse Eignung generativer Verfahren zur Herstellung von Urmodellen für Folgeprozesse Indirekte Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für Kunststoffbauteile Abgießen in weiche Werkzeuge oder Formen Abgießen in harte Werkzeuge Andere Abformverfahren für harte Werkzeuge Indirekte Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen Der Feingussprozess mit generativen Prozessschritten Werkzeuge durch Feinguss von Rapid Prototyping Urmodellen Direkte Rapid Tooling Verfahren Prototype Tooling Werkzeuge auf der Basis von Kunststoff-Rapid-Prototyping-Modellen und -Verfahren ACES Injection Molding, AIM Tiefziehen oder Thermoformen Ausgießen von Rapid Prototyping Modellen Herstellung von Kernen und Formen für den Metallguss Metallwerkzeuge auf der Basis von mehrstufigen generativen Prozessen Selektives Lasersintern von Metallen IMLS 3D Systems Paste Polymerization OptoForm D Printing von Metallen Prometal Direct Tooling Werkzeuge auf der Basis von Metall Rapid Prototyping Verfahren Mehrkomponenten-Metallpulver-Lasersintern Einkomponenten-Metallpulver-Verfahren Sintern und Generieren Laser-Generieren mit Pulver und Draht Schicht-Laminat-Verfahren Metalllamellenwerkzeuge Laminated Metal Tooling Ausblick Direct Manufacturing Rapid Manufacturing Einordnung und Begriffsbestimmungen Begriffe Vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing Anforderungen an die direkte Fertigung Potenziale der generativen Fertigung von Endprodukten Erhöhte Konstruktionsfreiheit Erweiterte konstruktive und gestalterische Möglichkeiten Funktionsintegration

7 XIV Inhalt 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 generative Verfahren für die Fertigung Anforderungen an die generative Herstellung eines Bauteils Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Anforderungen an die generative Serienfertigung mit heutigen Verfahren Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Zukünftige Anforderungen an die generative Serienfertigung Prozess Materialien Organisation Konstruktion Qualitätssicherung Logistik Realisierung des Rapid Manufacturing Generative Fertigungsanlagen als Elemente einer Fertigungskette Generative Anlagen zur Komplettfertigung von Produkten Industrielle Komplettfertigung Individuelle Komplettfertigung (Personal Fabrication) Anwendungsbereiche Anwendungsfelder nach Werkstoffen Metallische Werkstoffe und Legierungen Hochleistungskeramiken Kunststoffe Neue Werkstoffe Anwendungsfelder nach Branchen Werkzeugbau Gießereiwesen

8 Inhalt XV Medizinische Geräte und Hilfsmittel, Medizintechnik Design und Kunst 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 generativ gefertigten Bauteilen Aspekte zur Wirtschaftlichkeit Strategische Aspekte Strategische Aspekte für den Einsatz generativer Verfahren in der Produktentwicklung Qualitative Ansätze Quantitative Ansätze Operative Aspekte Zur Auswahl geeigneter Generativer Fertigungsverfahren Zur Ermittlung der Kosten von Rapid Prototyping Verfahren Variable Kosten Fixkosten Charakteristika Generativer 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 Anhang Kritische Erfolgsfaktoren und Wettbewerbsstrategien Wirtschaftlichkeitsmodell nach Siegwart und Singer Technische Daten und Informationen Begriffe und Abkürzungen

9 XVI Inhalt Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis Über den Autor