3D-Drucktechnologie Grundlagen zur Herstellung polymerer Bauteile mit gradierten Werkstoffeigenschaften

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1 3D-Drucktechnologie Grundlagen zur Herstellung polymerer Bauteile mit gradierten Werkstoffeigenschaften von Diplom-Ingenieur Philip Christian Elsner aus Spaichingen von der Fakultät V Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing.- genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Gutachter: Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Henning J. Meyer Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 24. Februar 2009 Berlin 2009 D83

2 Vorwort des Herausgebers Durch die stetig zunehmenden Forderungen eines hochdynamischen Marktes hinsichtlich der Integration vielfältiger Funktionalitäten in Bauteilen und Baugruppen wird die Produktionssowie die Fertigungstechnik immer wieder vor neue Herausforderungen gestellt. Dabei ist es häufig notwendig die bisher geltenden Grenzen zu überwinden sowie Synergieeffekte durch die zunehmend interdisziplinären Aufgabenstellungen konstruktiv zu nutzen. Die derzeitig verfügbaren Maschinensysteme für die kunststoffverarbeitende Industrie sind vorrangig für die Verarbeitung weniger Werkstoffe ausgelegt. Daher besteht nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen und nur mit erheblichem Kostenaufwand die Möglichkeit zur Herstellung von Bauteilen oder Baugruppen mit hoher Funktionsintegration. Hochkomplexe Formwerkzeuge wie beispielsweise für den 2K-Spritzguss sowie eine Vielzahl an Füge- und Montageprozessen dienen heute zur Realisierung multifunktionaler Baugruppen auf Basis von Einzelteilen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Daraus erwächst zunehmend die Notwendigkeit eine alternative Fertigungstechnologie zu entwickeln, welche die Umsetzung unterschiedlicher mechanischer Werkstoffeigenschaften in einem Bauteil und in einem Herstellungsprozess ermöglicht. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen bilden eine Grundlage zur Entwicklung einer neuartigen generativen Verfahrenstechnologie für den Aufbau von Kunststoffbauteilen mit gradierten Werkstoffeigenschaften. Dieses Verfahren basiert auf der in vielen Bereichen erfolgreich eingesetzten Piezodrucktechnologie und ermöglicht einen zeitlich und örtlich definierten Werkstoffauftrag in Form kleinster Tropfen. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Drop-on-Demand Drucktechnologien unter Nutzung kommerziell verfügbarer Polyurethane die gezielte Herstellung von Bauteilen mit gradierten Werkstoffeigenschaften ermöglichen. Damit konnten die Grundlagen für die künftige Herstellung von multifunktionalen Bauteilen in einem Fertigungsschritt gelegt werden. Berlin, Oktober 2009 Eckart Uhlmann

3 Vorwort des Autors Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin und am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK). Zunächst gilt mein besonderer Dank meinen Eltern, welche mich über die Jahre während meiner Ausbildung immer wohlwollend unterstützt haben. Weiterhin möchte ich meiner Frau Sarah und meinem Sohn Noah für das Vertrauen, die Geduld, die Freiräume und den ungebrochen Glauben an den Erfolg dieser Arbeit ganz herzlich danken. Mein besonderer Dank gilt dem Institutsleiter Herrn Professor Dr. h.c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann für seine wohlwollende Unterstützung und großzügige Förderung, mit denen er diese Arbeit begleitet hat. Herrn Professor Dr.-Ing. Michael Zäh, dem Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München, danke ich für die Übernahme des Korreferates und das der Arbeit entgegengebrachte Interesse. Mein Dank gilt auch Herrn Professor Dr.-Ing. Henning Meyer für die Übernahme des Vorsitzes im Promotionsausschuss. Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des IWF und des IPK danke für die sehr kollegiale und uneingeschränkte Unterstützung und stete Hilfsbereitschaft. Danken möchte ich insbesondere noch meinen ehemaligen Kollegen Herrn Dr.-Ing. Stefan Dreher, Herrn Dipl.- Ing. Quang-Ut Huyhn deren fachliche Unterstützung maßgeblich zum Erfolg dieses Projektes beigetragen haben. Mein Dank gilt auch meinen ehemaligen studentischen Mitarbeitern insbesondere Frau Zeynep Aksayan, Herrn Nicholas Hartmann, sowie Herrn Jan Mevis für das unermüdliche Engagement und der Geduld aus kleinsten Tropfen etwas Großes zu Generieren. Bergfelde, Oktober 2009 Philip Elsner

4 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 0 Formelzeichen und Abkürzungen...III 1 Einleitung Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Voraussetzungen für die Nutzung generativer Verfahren Verfahrensprinzipien der generativen Fertigungsverfahren Stereolithographie (SLA) Selektives Laser Sintern (SLS) Fused Deposition Modelling (FDM) Laminate Layer Manufacturing (LLM) Dimensional Printing (3DP) Ballistic Particle Manufacturing (BPM) und Multi Jet Modelling (MJM) Sonstige Verfahren Werkstoffvariabilität der generativen Fertigungsverfahren Aufgabenstellung und Vorgehensweise Tropfenerzeuger Entwicklung und Verfahren der Tropfenerzeugertechnologie Prinzipien der Tropfenerzeugung Continuous-Jet-Verfahren Drop-on-Demand-Verfahren Tropfenerzeuger mit thermischen Aktoren, das Bubbles-Jet-Prinzip Tropfenerzeuger mit piezoelektrischen Aktoren Piezoelektrischer Effekt Kristallstruktur und Curie-Temperatur der piezoelektrischen Werkstoffe Aufbau und Funktionsweise einer Piezoplanardüse Einsatzbereiche von piezobasierten Tropfenerzeugern Auswahl der Technologie - Zusammenfassung Werkstoffauswahl für die Realisierung von Eigenschaftsgradienten mittels piezobasierter Tropfenerzeuger Rahmenbedingungen und Grenzen für die Dosierung von Fluiden Viskosität Oberflächenspannung, Grenzflächen und Benetzung Anforderungen an die Fluide bezüglich der Dosierbarkeit Polymere Bildungsmechanismen der Polymere Einteilung der Polymere / Polymergruppen Temperaturverhalten von Polymeren... 54

5 Inhaltsverzeichnis II Auswahl geeigneter Werkstoffe für die Verarbeitung mittels piezobasierter Tropfenerzeuger Eigenschaften der ausgewählten Werkstoffgruppe - Polyurethane Chemie und Struktur der Polyurethane Eigenschaften der ausgewählten Werkstoffe Rahmenbedingungen zur Verarbeitung der Polyurethane Anordnung der Dosiersysteme Zusammenfassung der Ergebnisse zur Werkstoffauswahl Aufbau der Versuchsanlage und Messmethoden Videomikroskopie Entwicklung einer LED-Stroboskopie Ansteuerungssignal für den Piezowandler Aufbau zur Beobachtung des Tropfenaufschlags auf der Trägeroberfläche Düsenauswahl und Aufbau des Druckkopfes Positioniersystem Angewandte Messmethoden Dosierverhalten der ausgewählten Werkstoffe Tropfenbildung und Werkstoffaustrag Ansprechverhalten des Tropfenerzeugers Einfluss der Düsenprozessparameter auf den Werkstoffaustrag Einfluss der Düsenspannung Einfluss der Impulssymmetrie Einfluss der Impulsfrequenz Einfluss der Impulslänge Tropfengeschwindigkeit und Tropfenaufprall Voraussetzungen zur Realisierung von gradierten Bauteilen Mischungsverhältnisse der reaktiven Komponenten Ermittlung der realisierbaren Eigenschaften anhand von Vergleichskörpern Nachweis der Reaktion Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Probekörper Dosieren eines Mehrstoffsystems Auswahl eines Prozessparameters zur Variation der Werkstoffeigenschaften Erreichbare Mischungsverhältnisse und Dosierstrategie Einfluss der Austrittsgeschwindigkeit Zusammenfassung und Ausblick Literatur

6 Formelzeichen und Abkürzungen III Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen A Shorehärte a c kj/m² Kerbschlagzähigkeit nach Charpy a D,B mm Abstand Druckdüse zu Bauteil A MPolyol % Abdeckung A MpolyolG % Abdeckung der maximal möglichen Mischungen innerhalb der Mischgrenze a T mm Tropfenabstand b b µm Linienbreite C F Kapazität D % Deckung d F mm Filmdicke d T mm Tropfendurchmesser E kin kg. m²/s² Kinetische Energie E Oberflächen kg. m²/s² Oberflächenenergie E MPa Elastizitätsmodul f Hz Frequenz f i Hz Impulsfrequenz m NCO g Masse NCO m Polyisocyanat g Masse Polyisocyanat M Polyol Mischungsverhältnis der Polyolkomponenten M PolyolG Mischgrenze m Tr g Tropfenmasse NCO g/100g NCO-Gehalt OHZ mg KOH/g OH-Zahl p bar Druck R Ω Elektrischer Widerstand RT C Raumtemperatur r Tr mm Tropfenradius s A µm Aktorweg S i % Impulssymmetrie t µs Zeit

7 Formelzeichen und Abkürzungen IV T C Temperatur T D C Düsentemperatur t i µs Impulslänge T max C Maximale Temperatur t p µs Impulspause t s µs Impulsperiode T S C Schmelztemperatur T z C Zersetzungstemperatur U V Spannung U D V Düsenspannung v A mm/s Aktorgeschwindigkeit v Tr mm/s Tropfengeschwindigkeit v Tr,A mm/s Tropfenaustrittsgeschwindigkeit v f mm/s Vorschubgeschwindigkeit W e Weberzahl Griechische Formelzeichen α NCO Anzahl Mol NCO α OH Anzahl Mol OH ε % Dehnung γ mn/m Oberflächenspannung γ& 1/s Schergeschwindigkeit η mpa. s Viskosität Θ Randwinkel ρ g/ml Dichte σ MPa Spannung τ N/mm² Schubspannung

8 Formelzeichen und Abkürzungen V Abkürzungen 3D 3DP CAD CMB CSG DLP DMD DoD EBM FDM Gew.-% HPC HSC KZ L1100 L3300 LCVP LED LLM LMJ M20W MJM MJS NC PA PE PMMA POM PP PS PUR RM RP Dreidimensional 3D-Printing Computer Aided Design Controlled Metal Buildup Constructive Solid Geometry Digital Light Processing Direct Metal Deposition Drop-on-Demand Electron Beam Melting Fused Deposition Modelling Gewichtsprozent High Power Cutting High Speed Cutting Wert zur Ermittlung der Mischungsverhältnisse Lupranol Typ 1100, Produktname, Hersteller Elastogran Lupranol Typ 3300, Produktname, Hersteller Elastogran Laser Chemical Vapour Deposition Light Emitting Diode Layer Laminate Manufacturing Liquid Metal Jetting Lupranet Typ M20W, Produktname, Hersteller Elastogran Multi-Jet Modelling Multiphase Jet Solidification Numerical Control Polyamid Polyethylen Polymethylmetaacrylat Polyoximethylen Polypropylen Polystyrol Polyurethan Rapid Manufacturing Rapid Prototyping

9 Formelzeichen und Abkürzungen VI RT SLA SLM SLS SOHO SOM STL TGA UV Voxel Rapid Tooling Stereolithographie Selective Laser Melting Selektives Lasersintern Small office and home office Stratified Object Manufacturing Standard Transformation Language Thermogravimetrische Analyse Ultraviolett Volume Pixel

10 1 Einleitung Seite 1 1 Einleitung Die generativen Rapid-Prototyping-Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Vorserien- Bauteilen haben in den vergangenen Jahren einen erheblichen Aufschwung erfahren. In allen Phasen der Produktentstehung haben sich diese Verfahren in der Industrie bewährt. Der Einsatzbereich von generativ hergestellten Bauteilen und Baugruppen beschränkt sich jedoch bei den meisten Anwendungsfällen auf Prototypen und Anschauungsmodelle. Funktionale Prototypen können meist nur unter erheblichen Einschränkungen eingesetzt werden. Die verfahrensbedingten geringen Werkstoffspektren sowie die erreichbaren Bauteilgenauigkeiten führen dazu, dass im Vergleich zu den Forderungen der Industrie Restriktionen bezogen auf die physikalischen und chemischen Bauteileigenschaften akzeptiert werden müssen. Die Forderung insbesondere des Kunststoff verarbeitenden Sektors nach serienidentischen Prototypen sowie funktionalen Kleinserien wächst zunehmend. Es werden geringe Stückzahlen von Bauteilen benötigt, die in ihren Eigenschaften den späteren Spritzgießteilen entsprechen sollten. Häufig ist eine Serienidentität der Prototypen bereits in der Phase der Produktentwicklung gefordert. Dies ist jedoch aus fertigungstechnischer Sicht nicht erreichbar, es sei denn der Prototyp kann bereits unter den gleichen Rahmenbedingungen (das heißt mit gleichen Werkzeugen, Fertigungsverfahren, Prozessparametern, Werkstoffen usw.) wie die späteren Serienbauteile hergestellt werden. Die Weiterentwicklung der generativen Rapid-Prototyping-Verfahren für die Verarbeitung eines weitaus größeren Materialspektrums bei hoher Genauigkeit ist daher zwingend notwendig. Die meisten Entwicklungen auf dem Gebiet der generativen Fertigungsverfahren sind darauf fokussiert, die Werkstoffe einem bestehenden RP-Verfahren anzupassen. Damit wird von Anfang an das eigentliche Potenzial, das durch eine Flexibilisierung der Verfahren bezüglich der Werkstoffe nutzbar wäre, vernachlässigt. Der zukünftig noch stärkere Einsatz von Kunststoffen, vor allem in der Automobilindustrie, erfordert daher die Entwicklung einer einstufigen Verfahrenstechnologie, die bei hoher Genauigkeit anforderungsgerechte Kunststoffteile zu liefern vermag. Das Werkstoffspektrum, das mit den auf dem Markt erhältlichen Verfahren verarbeitbar ist, reicht von Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaften bis hin zu Metallen und Keramiken. Bei den polymerbasierten Systemen wie der Stereolithographie, dem Selektiven Lasersintern oder dem 3-D-Drucken wurden in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte be-

11 1 Einleitung Seite 2 züglich der Bauteilqualität sowie der Bauzeit erzielt und das Eigenschaftsspektrum der verarbeitbaren Werkstoffe konnte erweitert werden. Die je nach Technologie realisierbaren Werkstoffeigenschaften bleiben nach wie vor sehr eingeschränkt. Eine Variation der Materialien ist verfahrensbedingt innerhalb eines Bauprozesses kaum bzw. gar nicht möglich. Eine Werkstoffumstellung ist generell immer mit einem hohen Zeitaufwand verbunden. Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung einer 3-D-Drucktechnologie zur Umsetzung eines breiten Eigenschaftsspektrums bei der generativen Herstellung von Werkstücken. Der Fokus liegt auf der Entwicklung einer Technologie zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, die es ermöglicht, auch unterschiedliche Werkstoffeigenschaften während des Bauprozesses umzusetzen. Dieser neue Ansatz eröffnet der Prototypenherstellung sowie der Herstellung individualisierter Produkte völlig neue Möglichkeiten. Sowohl die Fertigung von mehreren Bauteilen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in einem Bauprozess als auch von Bauteilen mit lokal variierbaren Eigenschaften ist damit möglich. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht im Wegfall von Rüstzeiten wie beispielsweise bei einem Materialwechsel mit darauf folgender Reinigung von Vorratsbehältern, Werkstoffzuleitungen und Düsensystemen. Einen ganz entscheidenden Innovationsschritt bietet diese Technologie dahingehend, dass Bauteile entsprechend ihrer mechanischen Belastung nicht wie bisher dimensioniert werden müssen, sondern dass das mechanische Werkstoffverhalten gezielt eingestellt werden kann. Die Entwicklung dieser Technologie, die systematische Auswahl der Werkstoffe sowie der Nachweis der Reaktivität bis hin zu Konzepten für Druckstrategien werden in der vorliegenden Arbeit ausführlich beschrieben und erläutert. Die dargestellten Ergebnisse stellen lediglich die ersten Entwicklungsschritte für eine neue Fertigungstechnologie dar, die es ermöglicht, die Werkstoffeigenschaften während des Aufbauprozesses zu variieren und in nahezu beliebiger Ausprägung zu gradieren.

12 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 3 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Der zunehmende Wettbewerb auf den globalen Märkten und der steigende Druck, kundenindividualisierte Produkte in immer kürzeren Zeitabständen zur Verfügung zu stellen, hat notwendigerweise in den vergangenen Jahren zu einer erheblichen Verkürzung der Produktentwicklungszeiten geführt. Hinzu kommen neuerdings auch Aspekte der Umweltverträglichkeit, der Ressourcenschonung, des Produktdesigns. Diese Kriterien und der Preis spielen bei der Kaufentscheidung eine entscheidende Rolle. Die Unternehmensstrategien, die noch in den 80er-Jahren insbesondere Einsparungen bei den Produktionskosten vorsahen und damit noch erhebliche Verbesserungen erzielen konnten, haben heute ihre Relevanz verloren. Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass sich an keiner anderen Stelle so viel Geld einsparen lässt wie an der Minimierung der Time to Market [GEB00]. Bei Betrachtung der Gesamtkosten während einer Produktentwicklung wird deutlich, dass nach Abschluss der Konzeptphase erst ca. 5 % der Gesamtkosten angefallen sind, jedoch bereits ca. 75 % der Gesamtkosten determiniert sind. Dieser Zusammenhang verdeutlicht, dass es von immanenter Bedeutung ist, nicht nur möglichst früh, sondern auch verbindlich die richtigen Entscheidungen zu treffen. Daher spielt in dieser frühen Phase der Produktentwicklung die Fertigung von Anschauungsmodellen, Musterbauteilen und Prototypen eine wichtige Rolle. Die Herstellung von Prototypen mit konventionellen Modellbautechniken, die vorrangig auf manuellen Tätigkeiten basieren, ist häufig sehr zeit- und arbeitsintensiv. Die Umsetzung von Freiformgeometrien ist meist nur mit entsprechenden Werkzeugen oder Vorrichtungen möglich. Mit zunehmend komplexen Bauteilgeometrien und einer steigenden Zahl von Bauteilvarianten wächst somit die Notwendigkeit, Verfahren und Technologien zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, Bauteile in kürzester Zeit, unabhängig von deren Komplexität und mit serienidentischen bzw. mit serienähnlichen Werkstoffeigenschaften umzusetzen. Die technologischen Grundlagen für eine Generation von Fertigungsverfahren, die es ermöglichen sollte, direkt aus 3-D-CAD-Daten physische Bauteile in nahezu beliebiger Komplexität herzustellen, wurden bereits Anfang der 80er-Jahre geschaffen. Diese neuartigen Verfahren wurden nahezu zeitgleich in den USA, Japan und Frankreich unabhängig voneinander entwickelt, wobei unterschiedliche Wirkprinzipien eingesetzt wurden. In den Jahren 1986 und 1987 wurden bereits zwei unterschiedliche Verfahren kommerzialisiert, die auf der Verarbeitung von flüssigen und pulverförmigen Ausgangswerkstoffen basieren [JAC92, DEC86]. Diese Art

13 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 4 der Bauteilherstellung wurde aufgrund der vergleichsweise geringen Bauzeiten, der umsetzbaren Materialeigenschaften und der erreichbaren Genauigkeiten unter dem Namen Rapid Prototyping bekannt. Die Entwicklung unterschiedlicher Technologien führte auch zur Einführung einer Vielzahl an Bezeichnungen, darunter Solid Freeform Fabrication, Desktop Manufacturing, Layer Manufacturing, Fabbing oder neuerdings auch Additive Technologies [KRU91]. Diese Technologien wurden mittlerweile derart verbessert und erweitert, dass nicht nur die Technologien, sondern auch die Methoden des Rapid Prototyping als Werkzeug für die schnelle Produktentwicklung und Produktentstehung eingesetzt werden [GEB00]. Merkmale des Rapid Prototyping und der generativen Verfahren Unter dem Begriff Rapid Prototyping werden heute eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren und Technologien subsummiert, die nicht notwendigerweise dem ursprünglichen Verständnis dieser Bezeichnung entsprechen. Der Begriff Rapid Prototyping bezeichnet im engeren Sinne nicht eine spezielle Technologie, sondern versteht sich vielmehr als Überbegriff für alle diejenigen Verfahren, die schneller als konventionell die Herstellung von Bauteilen ermöglichen. Daher sind auch die Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsverfahren wie das High Speed Cutting (HSC) oder die Hochleistungsbearbeitungsverfahren wie das High Power Cutting (HPC) diesem Überbegriff zuzuordnen. Ebenso werden unter dem Begriff häufig Folgeverfahren wie das Silikonabformen oder der Vakuumguss verstanden. Im ursprünglichen Verständnis weisen die Rapid-Prototyping-Verfahren folgende Merkmale auf: Die Herstellung der Bauteile erfolgt unmittelbar auf der Basis von 3-D-CAD-Daten. Die Formgebung erfolgt nicht durch Materialabtrag, sondern ausschließlich durch Materialauftrag von formlosem Stoff durch Schaffung des Zusammenhaltes. Der Aufbau der Bauteile erfolgt schichtweise. Die Bauteilherstellung erfolgt ohne formgebende Werkzeuge. [NÖK97] Die Vorteile dieser Technologien sind sehr vielfältig. Einer der herausragenden Vorteile gegenüber den abtragenden Verfahren liegt in der nahezu restriktionsfreien Umsetzung hoher geometrischer Komplexitäten. Durch den sukzessiven Schichtaufbau der Bauteile spielen die Geometrie sowie die Orientierung der Bauteile während des Aufbauprozesses eine sehr untergeordnete Rolle. Ebenso können unterschiedliche Bauteilgeometrien bzw. unterschiedliche Bauteile innerhalb eines Bauprozesses umgesetzt werden. Als weitere Vorteile sind das Entfallen der bei konventionellen Verfahren notwendigen NC-Programmierung sowie die Erstel-

14 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 5 lung von Arbeitsvorgangsfolgen und Spannskizzen zu nennen. Dieser Vorteil kommt bei hochkomplexen Bauteilgeometrien besonders zum Tragen. Das Prinzip der Bauteilerzeugung ausgehend von einem 3-D-CAD-Datensatz ist in Bild 2.1 in seinen einzelnen Phasen schematisch dargestellt. Die Voraussetzung für die Nutzung von generativen Verfahren ist die Erstellung eines 3-D-CAD-Datensatzes. Aus diesem Volumen werden die jeweiligen Schichten mittels eines sogenannten Slice-Algorithmus in Abhängigkeit von den definierten Schichtdicken berechnet. Diese Schichtinformationen werden schließlich in einem generativen System sukzessive umgesetzt und zu einem Volumen aufgebaut. Die Zuweisung von fertigungstechnisch relevanten Informationen, wie zum Beispiel Prozesstemperaturen, Laserleistungen, Scanngeschwindigkeiten usw., erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Anlagensysteme erst auf dem Fertigungssystem. Durch die Herstellung der einzelnen Schichten werden jeweils nur zweidimensionale Geometrien umgesetzt, was die Datenaufbereitung zur Ermittlung der Verfahrwege erheblich vereinfacht. Durch diese Vorgehensweise wird der Aufwand zur Herstellung komplexer Geometrien wesentlich reduziert. Berechnen von Einzelquerschnitten Geometrieschnittstelle Zuweisung fertigungstechnologischer Daten rechnerinternes CAD-Modell Physische Umsetzung und Zusammensetzung der einzelnen Schichen reales Bauteil Bild 2.1: Prinzip der Bauteilerzeugung und Darstellung des Datenflusses bei generativen Verfahren [GEB00]. Die aufgeführten Merkmale dieser neuen Fertigungsverfahren erlauben eine eindeutige Abgrenzung von den konventionellen Fertigungsverfahren. Daher werden im weiteren Verlauf

15 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 6 dieser Arbeit diese neuen Verfahren als generative Verfahren bezeichnet. Prinzipiell lassen sich die generativen Verfahren in die Klassifizierung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 einordnen. Die Zuordnung erfolgt in die Hauptgruppe 1 der Urformverfahren. Diese umfassen diejenigen Verfahren, mit denen feste Körper aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes gefertigt werden. Entscheidend ist hierbei, dass die Stoffeigenschaften des Werkstückes bestimmbar in Erscheinung treten. Einige generative Verfahren lassen sich dennoch nicht dieser Gruppe zuordnen, da sie aus einer Kombination einzelner Fertigungsverfahren bestehen, die im Einzelnen anderen Hauptgruppen zuzuordnen sind. Dennoch wurden einige Versuche unternommen, diese neuen Verfahren einem Klassifizierungsschema zuzuordnen. Eine von Kruth 1991 vorgestellte und von vielen Autoren genutzte Klassifizierung ordnet die generativen Verfahren nach dem Aggregatzustand der Ausgangsmaterialien, wie in Bild 2.2 dargestellt ist. Werkstoffe Werkstoffe für für die die generativen generativen Verfahren Verfahren Fest Fest Flüssig Flüssig Gasförmig Gasförmig Draht Pulver Folie Aufschmelzen und Verfestigen Ein- oder Mehr- Komponentenpulver und Bindemittel Ein- oder Mehr- Komponenten- Pulver Ausschneiden und Kleben Ausschneiden und Polymerisieren Polymerisation Chem. Reaktion Fused Layer Modelling (FLM) 3D-Printing (3DP) Selective Laser Sintering (SLS) Layer Laminate Manufacturing (LLM) Solid Foil Polymerisation (SFP) LCVD (MPI-GÖ) Ballistic Particle Manufacturing (BPM) Multi-Jet Modelling (MJM) Wärme Thermal Polymerisation (TP) Licht zweier Frequenzen Beam Interference Solidification (BIS) Licht einer Frequenz Lampe Laserstrahl Holographie Solid Ground Stereolithography Holographic Curing (SL) Interference (SGC) Solidification (HIS) Bild 2.2: Klassifizierung der generativen Fertigungsverfahren nach dem Aggregatzustand der Ausgangsmaterialien (in Anlehnung an [KRU91]). Neben dem Begriff Rapid Prototyping haben sich heute noch weitere Begriffe im Sprachgebrauch etabliert, die im Grunde die konsequente Weitentwicklung der generativen Verfahren bezeichnen. Diese Begriffe werden wie folgt definiert:

16 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 7 Das Rapid Prototyping (RP) umfasst alle Verfahren, die im weiteren Sinne der Anschauung und dem Prototypenbau, also der Herstellung eines Modells dienen. Die RP-Verfahren beschränken sich somit nicht nur auf die generativen Verfahren. Das Rapid Tooling (RT) umfasst alle RP-Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Vorserien für Werkzeuge und Formen. Das Rapid Manufacturing (RM) umfasst alle Prozessschritte und Verfahren zur Planung und Herstellung von Produkten mit Seriencharakter. Damit bezeichnen diese Begriffe nicht spezielle Fertigungsverfahren, sondern verstehen sich vielmehr als Strategien oder Prozessfolgen, die unterschiedliche Ziele verfolgen. Mit dem Einsatz von generativen Verfahren in der Produktentwicklung werden drei Ziele verfolgt[rei94, MAC97]: 1. Reduzierung des Herstellungsaufwandes von körperlichen Modellen. 2. Unterstützung der Koordination und Kommunikation in komplexen, parallel ablaufenden Entwicklungsprojekten. 3. Unterstützung von Entscheidungen im Rahmen der Produktentwicklung. Modelle sind vereinfachte Abbilder der Realität. Sie unterschieden sich vom Original in der Regel dadurch, dass sie nur einige typische Merkmale des Originals aufweisen, wie zum Beispiel die geometrische Form [KRA99]. Sie dienen der Überprüfung der ursprünglichen Idee und der daraus abgeleiteten Konzepte in den unterschiedlichen Entwicklungsphasen. Da ein generativ gefertigtes Modell nicht alle Eigenschaften des Originals bzw. des späteren Serienteils abbildet, ist jede Modellart nur für die Überprüfung bestimmter Produktmerkmale geeignet. Folglich ist die Auswahl des generativen Verfahrens von dem zuvor zu spezifizierenden Einsatzzweck abhängig. 2.1 Voraussetzungen für die Nutzung generativer Verfahren Die generativen Verfahren bieten im Gegensatz zu den konventionellen Fertigungsverfahren die Möglichkeit, aus Geometriedaten direkt ein körperliches Modell zu realisieren. Die sonst übliche und bei komplexen Geometrien aufwändige NC-Programmierung entfällt hierbei vollständig. Davon, dass dreidimensionale Modelle ebenso einfach ausgedruckt werden können wie Textdokumente, sind diese Technologien noch ein Stück entfernt. Dennoch werden Systeme mit entsprechender Software angeboten, die mit einem minimalen technologischen Wis-

17 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 8 sen und Prozessverständnis ein solches Ausdrucken ermöglichen. Die Erstellung der für diese Verfahren notwendigen 3-D-Daten und die daraus resultierenden Probleme bei der Weiterverarbeitung sind durch ausgewählte Software reduzierbar, aber dennoch vorhanden und werden daher im folgenden Abschnitt ausführlicher dargestellt. a) Geometrie-Modellierung Die generativen Verfahren zur direkten Umsetzung von CAD-Modellen hielten erst Ende der 80er- und Anfang der 90er-Jahre Einzug in die industrielle Applikation. Die ersten Untersuchungen zum lokalen Sintern von Pulverwerkstoffen fanden bereits Anfang der 70er-Jahre in Deutschland statt [CIR72]. Eines der Hauptprobleme zu jener Zeit lag vielmehr auf Seiten der CAD-Systeme bzw. der verfügbaren Computertechnik. Die Entwicklung der ersten 3-D- CAD-Systeme begann bereits Eine Nutzung der generativen Verfahren erfolgte erst 1986 an der University of Texas, nachdem die Lasersinter-Technologie mit der entsprechenden Soft- und Hardware in Verbindung gebracht werden konnte [IPK01, DEC86]. Der Einsatz von generativen Fertigungsverfahren ist grundsätzlich erst möglich, wenn eine rechnergestützte, dreidimensionale Geometriebeschreibung vorliegt. Die rechnerinterne Darstellung kann als Drahtmodell, als Flächenmodell oder als Volumenmodell erfolgen (Bild 2.3). Die Drahtmodelle bilden dabei die einfachste Form der Darstellung. Der Körper wird über die Knotenpunkte und die jeweiligen Verbindungslinien beschrieben. Über die Zuordnung zweier Punkte erfolgt die Zuordnung einer Köperkante. Der Vorteil dieser Darstellungsart liegt in der einfachen und schnellen Darstellungsform. Je nach darzustellendem Körper ist aufgrund von möglichen Vieldeutigkeiten diese Rechnerdarstellung ungeeignet. Drahtmodelle beschreiben demnach keine echten räumlichen Körper, sondern vielmehr nur deren Kanten. Damit ist die Orientierung der Flächen, die das Köpervolumen einhüllen, nicht eindeutig beschreibbar. Hinzu kommt die Möglichkeit, unzulässige Kanten innerhalb des Körpers zu definieren.

18 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 9 Die Beschreibung des Modells über die das Volumen eingrenzenden Flächen ist somit besser geeignet. Dennoch ist es auch mit Flächenmodellierern nicht möglich, einen Körper eindeutig zu definieren. Die das Volumen umhüllenden Flächen sind ungerichtet und besitzen keine Dicke. Damit liegt auch keine eindeutige Information über die Volumengeometrie vor. Ein weiteres Problem besteht bezüglich der Geschlossenheit der zu beschreibenden Volumina. P1 K1 P2 P1 F V1 K2 V2 Pn Kn P2 F2 Pn Fn Drahtmodell Flächenmodell Volumenmodell Definition über: Punkte Verbindungslinien Definition über: Punkte Verbindungslinien eingeschlossene Flächen Definition über: a) Boundary-Representation Punkte Verbindungslinien eingeschlossene Flächen Begrenzungsflächen des Volumens b) Constructive Solid Geometry (CSG) Volumen (Primitive) Bild 2.3: Möglichkeiten der Rechnerdarstellung von dreidimensionalen Geometrien [GEU96]. Die Volumenmodellierer ermöglichen hingegen eine geometrisch eindeutige rechnerinterne Abbildung eines dreidimensionalen Körpers. Grundsätzlich kommen bei den Volumenmodellierern zwei unterschiedliche Techniken zur Erstellung einer Geometrie zum Einsatz, die an dieser Stelle nur benannt werden. Von Bedeutung sind derzeit der Aufbau von Volumen aus Primitiven (CSG Constructive Solid Geometry), die Boundary Representation und die Sweep-Technik. Die heute gängigen CAD-Systeme verfügen über eine Kombination derartiger Modellierverfahren und werden daher auch als Hybridsysteme bezeichnet. Die zweite Möglichkeit zur Darstellung eines Volumens bildet die Voxel-Methode. Dabei wird der Körper über eine Vielzahl von Elementarvolumina, sogenannte Voxel (Volume Pixel) approximiert [UHL06a]. Den Schnittstellen zur Kommunikation zwischen den Systemen kommt eine besondere Bedeutung zu, da die verschiedenen CAD-Systeme meist ein eigenes Format zur

19 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 10 Beschreibung der Volumina nutzen. Die derzeit wichtigen Formate für den Transfer von Geometriedaten sind die Initial Graphics Exchange Specification (IGES) und die Flächenschnittstellen der Deutschen Automobilindustrie VDA-FS. Beide Formate werden für den Austausch von Kurven und Flächen zwischen CAD-Systemen eingesetzt. Aufgrund der Schnittstellenproblematik hat sich vor allem auf dem Gebiet der generativen Verfahren die sogenannte STL-Schnittstelle (Strandart Transformation Language) durchgesetzt. Dieses Format beschreibt die Volumina durch eine triangulierte Oberflächenapproximation und ist damit gegenüber den Flächenschnittstellen IGES und VDA-FS ungenauer. b) Transformation der Daten in das STL-Format und Erzeugung der Schichtinformationen Nach der Erstellung der 3-D-CAD-Geometrien sind für die Umsetzung der Bauteile mittels generativer Verfahren weitere Schritte zur Datenaufbereitung notwendig. Bild 2.4 zeigt die notwendigen Schritte, um aus dem Volumenmodell die Fertigungsdaten zu erzeugen. Zunächst müssen die geometrischen Informationen aus den 3-D-CAD-Daten durch eine triangulierte Approximation der Oberfläche in einen STL-Datensatz ausgeschrieben werden. Die dabei anfallende Datenmenge nimmt mit der Komplexität der Modelle insbesondere bei gekrümmten Flächen überproportional zu [LÜD96]. Die entscheidende Größe für das Maß der Triangulation ist der Sehnenfehler, der den Abstand der Dreiecke zu der exakten Oberfläche der Geometrie beschreibt. 3-D-Geometrie Neutrale Daten Schichtdaten Maschinendaten Maschinenparametersätze Schnittstelle Überleitung in STL, SLG, HPGL Berechnung der Schnittebenen Erstellung eines rechnerinternen 3-D-CAD- Modells Verfahrensabhängige Umsetzung der Geometriedaten Reales Bauteil Hilfsgeometrie (Stützkonstruktion) CAD Software Anlagensoftware Bild 2.4: Datenfluss beim Einsatz generativer Verfahren [MAC97]

20 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 11 Das STL-Format beschreibt somit nur die Bauteilgeometrie über Dreiecke, die wiederum von drei Punkten aufgespannt werden und mit einem Normalenvektor versehen sind, dessen Richtung die Orientierung der Dreiecke angibt. Weitere bauteilspezifische Eigenschaften, wie zum Beispiel Werkstoffkennwerte oder weitere physikalische und chemische Eigenschaften, können in diesem Datenformat nicht abgelegt werden. Eine Erweiterung erlaubt die Zuordnung von Farbinformationen zu den einzelnen Dreiecken, was den Aufbau von oberflächlich kolorierten Bauteilen ermöglicht. Für den Aufbau der dreidimensionalen Geometrie aus Schichten gleicher Dicke werden aus den STL-Daten Einzelschichten berechnet. Nach der Festlegung der Schichtdicke erzeugt ein Algorithmus die für die Umsetzung notwendigen Polygondaten. Die Richtung des Normalenvektors der geschnittenen Dreiecke ermöglicht die eindeutige Bestimmung des Materialvolumens, das heißt ob es sich bei dem jeweiligen Polygon um eine Innen- oder eine Außenkontur handelt. Die Berechnung der Einzelschichten wird auch als Slicen bezeichnet. Diese Slice-Daten bilden schließlich die Informationen zur Steuerung der Maschinensysteme. Bei einigen generativen Verfahren ist es notwendig, nicht nur den gewünschten 3-D-CAD- Datensatz in ein physisches Modell umzusetzen, sondern auch eine sogenannte Hilfsgeometrie, häufig auch als Stützkonstruktion oder Support bezeichnet, mit aufzubauen. Die Notwendigkeit und die technologischen Hintergründe dieser Hilfsgeometrien sowie die verfahrenstechnischen Unterschiede zwischen den einzelnen generativen Fertigungsverfahren werden im folgenden Abschnitt ausführlich dargestellt. 2.2 Verfahrensprinzipien der generativen Fertigungsverfahren Seit Ende der 80er-Jahre wurde der traditionelle Modellbau durch Rapid-Prototyping- Verfahren ergänzt und teilweise ersetzt [MAC97]. Durch die sukzessive Umsetzung von 2-D- Geometrien und deren Überlagerung zu einem dreidimensionalen Bauteil lassen sich Modelle mit hochkomplexen Geometrien sowie Hinterschnitten einfach und schnell fertigen. Allgemein ist anzumerken, dass jegliche Geometrie, die in einem 3-D-CAD-Programm modellierbar ist, auch direkt hergestellt werden kann. Eine Ausnahme bilden Hohlkörper. Somit können hochkomplexe Geometrien realisiert werden, die bisher nur mit sehr hohem Aufwand bzw. gar nicht herstellbar waren. Als Beispiel sei an dieser Stelle die Herstellung von Formeinsätzen für den thermoplastischen Spritzguss aufgeführt, bei denen eine hochkomplexe, der Geometrie adaptierte Kühlung mit veränderlichen Querschnitten umgesetzt werden kann. Damit bieten die generativen Verfahren die Möglichkeit, Bauteile unabhängig von ihrer geo-

21 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 12 metrischen Ausprägung und in nahezu beliebiger Komplexität frei von fertigungstechnischen Restriktionen herzustellen. Die Zahl der generativen Verfahren bzw. der Verfahrensvarianten hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Einige wenige Verfahren sind heute bereits zu einem unverzichtbaren Bestandteil in der Industrie geworden, insbesondere in der Produktentwicklung. Zu diesen Verfahren gehören die Stereolithographie (SLA), das Selektive Lasersintern (SLS), das Fused Deposition Modelling (FDM), das Layer Laminate Manufacturing (LLM), das 3D-Printing (3DP) sowie das Multi-Jet Modelling (MJM). Sie sind derzeit am Weltmarkt auch die am weitesten verbreiteten Verfahren [WOH03]. In den folgenden Abschnitten werden diese Verfahren unter besonderer Berücksichtigung der verfügbaren und einsetzbaren Materialien beschrieben. Erörtert werden die technologischen Möglichkeiten, verschiedene Werkstoffe in einem Bauprozess verarbeiten zu können. Der besondere Fokus liegt dabei auf der Frage, welche der Verfahren gradierte Werkstoffeigenschaften ermöglichen Stereolithographie (SLA) Die Stereolithographie wurde 1982 von C. Hull erfunden und ist damit das älteste und das nach wie vor meistgenutzte generative Verfahren [WOH01]. Bereits 1987 wurde die erste Stereolithographiemaschine von der Firma 3D-Systems in den USA vorgestellt. Das Prinzip der stereolithographisch arbeitenden Verfahren beruht auf der schichtweisen Polymerisation und somit auf einer Verfestigung flüssiger Monomere durch Bestrahlung mit UV-Licht [GEB00]. Das Werkstück wird dabei auf einer in vertikaler Richtung absenkbaren Bauplattform in einem Behälter mit flüssigem Photopolymer schichtweise aufgebaut. Üblicherweise werden Schichtdicken zwischen 0,05 mm und 0,1 mm umgesetzt. Durch Belichtung des Monomers wird die Polymerisationsreaktion aktiviert, die aufgrund der Verfestigung und der Bewegungseinschränkung der freien Monomere zum Erliegen kommt. Daher ist dieser Prozess örtlich begrenzt. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Bauplattform abgesenkt und die Folgeschicht kann aufgebaut werden (Bild 2.5). Diese Beschichtungs- und Belichtungsschritte werden bis zur Fertigstellung des Bauteils wiederholt. Abschließend wird die Bauplattform aus dem Polymerbad herausgefahren, um die Bauteilentnahme zu erleichtern. Überhängende Bauteilelemente müssen bei der Stereolithographie durch einen sogenannten Support bzw. durch Stützkonstruktionen unterstützt werden, um ein Absinken bedingt durch eine Dichteänderung bei der Polymerisation oder ein Verschieben während der Absenkung zu vermeiden [GEU96]. Die Positionierung und vorrangig die Orientierung der Bauteile müssen

22 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 13 aufgrund der notwendigen Stützkonstruktion besondere Berücksichtigung finden. Nach Abschluss des Bauprozesses sind die Stützen im Post Processing manuell zu entfernen. Um den Polymerisationsprozess abzuschließen, werden die Bauteile in speziellen Nachbenetzungsöfen ausgehärtet und erreichen dann erst ihre endgültige Eigenschaft [GEB00]. Die einsetzbaren Werkstoffe beschränken sich auf Photopolymere mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Damit ist das Einsatzspektrum der stereolithographisch hergestellten Bauteile stark eingeschränkt. Die Verarbeitung mehrerer Werkstoffe in einem Bauprozess ist bei diesem Verfahren technologisch kaum realisierbar. Hierfür müssten örtlich die unterschiedlichen Werkstoffe aufgetragen werden können und dürften sich in dem Vorratsbehälter auch nicht mischen. Somit ist eine Realisierung von Eigenschaftsgradienten nicht möglich. UV-Laser Schieber Prototyp Spiegel (x-y-steuerung) Stützkonstruktion Tisch (z-steuerung) z y Füllhöhe des Photopoly- x Polymerisation der Schichtgeometrie Werkstoffauftrag Absenkung der Bauplattform Bild 2.5: Verfahrensprinzip der Stereolithographie (in Anlehnung an [GEB00]). Photopolymere finden nicht nur in laserbasierten Stereolithographieanlagen Anwendung, sondern auch beim Solid-Ground-Curing-Verfahren, beim 3-D-Druck-Verfahren und beim Digital-Light-Processing-Verfahren. Die Solid-Ground-Curing-Technologie nutzt zur Polymerisation eine Hochleistungs-UV-Lampe, die mittels einer zuvor hergestellten Maske den zu polymerisierenden Bereich in einer Belichtung bestrahlt. Damit ist die Bauzeit pro Schicht unabhängig von der jeweiligen Schichtgeometrie. Beim 3-D-Druck-Verfahren wird mit piezobasierten Dosierköpfen das Photopolymer tröpfchenweise aufgebracht und jede Schicht nach

23 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 14 dem Werkstoffauftrag mittels einer UV-Lampe bestrahlt. Durch die Parallelisierbarkeit der Druckdüsen werden bei diesem Verfahren hohe Bauraten bei geringen Schichtdicken erreicht. Die Firma Objet Geometries entwickelt und vertreibt dieses Verfahren. Die neue Generation dieser Drucker erreicht eine Aufbaurate von bis zu 20 mm Bauhöhe in einer Stunde bei Schichtdicken von 16 µm. Für dieses Verfahren sind lediglich zwei Werkstoffe sowie ein wasserlöslicher Supportwerkstoff verfügbar. Damit sind die realisierbaren Eigenschaften auch bei diesem Verfahren sehr eingeschränkt [WOH03] Selektives Lasersintern (SLS) Für das SLS-Verfahren, das seit 1992 kommerziell vertrieben wird, sind generell alle pulverförmigen Materialien einsetzbar, die sich mittels Laserstrahlung schmelzen lassen und nach dem Abkühlen erstarren [GEB96, NÖK97]. Das Materialspektrum reicht von Kunststoffen und Wachsen über Formsande und metallische Werkstoffe bis hin zu keramischen Materialien. Damit ist das Selektive Lasersintern bezogen auf die Werkstoffvielfalt das generative Verfahren mit dem derzeit größten Werkstoffspektrum. Die Hauptanwendung liegt nach wie vor in der Realisierung von thermoplastischen Bauteilen. Diese Werkstoffgruppe eignet sich aufgrund ihrer niedrigen Schmelz- und Erweichungstemperaturen besonders für dieses Verfahren. Bedingt durch die thermischen und mechanischen Eigenschaften wird vorrangig Polyamid verarbeitet. Dieser Werkstoff erreicht weitgehend die Eigenschaften der späteren aus dem gleichen Werkstoff konventionell gefertigten Serienbauteile. Beim Selektiven Lasersintern werden die Pulverpartikel örtlich durch einen Laserstrahl aufbzw. angeschmolzen, so dass sich die nebeneinanderliegenden Partikel zu einer Schicht verbinden. Analog wird eine weitere Schicht aufgetragen und durch selektives Aufschmelzen mit der vorherigen verbunden [GEB00]. In Bild 2.6 sind der schematische Aufbau einer Selektiven-Lasersinter-Anlage sowie der Zyklus eines Schichtaufbaus dargestellt. Das Auftragen der Schichten, bei dem das Pulver gleichzeitig leicht verdichtet wird, erfolgt durch den Beschichter, der durch die Vorratsbehälter mit Material versorgt wird. Der relativ niedrige Temperaturbereich und die geringe Wärmeleitfähigkeit, die vorteilhaft für die örtliche Begrenzung des Schmelzbades sind, begünstigen die Verwendung von thermoplastischen Werkstoffen [GEB00]. Der herausragende Vorteil besteht wie bei allen pulverbasierten Verfahren darin, dass das aufgebaute Werkstück immer vollständig von Pulver umgeben ist und daher keine zusätzliche Stützkonstruktion notwendig ist.

24 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 15 CO 2 -Laser Scanner Shutter Bauraum mit innerter Atmosphäre Heizsysteme Pulvertransportwalze Vorratsbehälter z-zustellung Verfestigung der Schichtgeometrie Werkstoffauftrag Absenkung der Bauplattform Bild 2.6: Verfahrensprinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) Sinterstation DTM 2000 Unter Einsatz ausgewählter Laserquellen, optimierter Belichtungsstrategien und Werkstoffe lassen sich mit dem Selektiven-Lasersinter-Verfahren ebenfalls metallische Bauteile aufbauen. Hierbei können generell zwei Strategien unterschieden werden: Das indirekte Selektive Lasersintern verarbeitet thermoplastisch umhülltes Stahlpulver [FÄH02]. Dabei wird während des Aufbauprozesses nur der Zusammenhalt über das Aufschmelzen der thermoplastischen Umhüllung erreicht. Bei diesem Prozess wird lediglich ein Grünling aufgebaut, vergleichbar mit der Prozesskette beim Pulverspritzguss [UHL00]. Um die gewünschten mechanischen Eigenschaften der Bauteile einzustellen, wird eine umfangreiche und zeitintensive Nachbehandlung in einem Ofenprozess notwendig. Das direkte Selektive Lasersintern verarbeitet hingegen spezielle metallische Legierungen ohne Zusatz von thermoplastischen Anteilen, so dass die Nachbehandlung der Bauteile erheblich reduziert werden kann. Neuere Entwicklungen zeigen, dass auch die direkte Verarbeitung von einkomponentigen Pulverwerkstoffen möglich ist [OVE03, REG04]. Die Verfahren werden dann unter den Namen Selective Laser Melting (SLM) oder Lasercusing kommerziell vertrieben.

25 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 16 Eine Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffe in einem Bauprozess ist wegen des Auftragmechanismus nicht realisierbar. Hierfür müsste ein selektives Pulverauftragverfahren entwickelt werden. Durch die Variation der Laserprozessparameter ist eine Variation der Porosität möglich, wobei diese Veränderungen nur für wenige Anwendungsfelder von Bedeutung sind. Eine weitere Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften im Sinne einer gezielten Umsetzung eines breiten Eigenschaftsspektrums ist auch bei diesem Verfahren kaum möglich Fused Deposition Modelling (FDM) Das Fused Deposition Modelling arbeitet nach dem Prinzip der Strangextrusion. Bei dieser Technologie kommen thermoplastische Werkstoffe zum Einsatz, die dem Extrusionskopf als Halbzeug zugeführt werden. Der Werkstoff wird mittels einer beheizten Düse oberhalb der Erstarrungstemperatur strangförmig ausgebracht. Ein Plottermechanismus legt das Material jeweils in einer Ebene ab. Die FDM-Systeme verfügen über zwei Extrusionsdüsen: eine für den Werkstückwerkstoff und eine für den Stützwerkstoff, der zusätzlich mit aufgebaut werden muss. Aufgrund der hohen Schmelzviskosität und der schnellen Erstarrung des Materials während der Auftragphase können überhängende Geometrien bis zu einem Winkel von 45 zur Senkrechten ohne Stützkonstruktion realisiert werden (Bild 2.7). Der Stützwerkstoff ist derzeit in zwei Ausprägungen verfügbar: als sprödhartes Material, das nach Fertigstellung manuell vom Bauteil entfernt werden muss, und als wasserlöslicher Werkstoff, der in einem temperierten Wasserbad ausgewaschen werden kann. x,y-zustellung Bauwerkstoff Stützwerkstoff Werkstofffördereinheit Grundplatte temperierte Extrusionsdüsen Werkstück z-zustellung Bild 2.7: Fused-Deposition-Modelling-Verfahren (FDM)

26 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 17 Als Werkstoffe kommen zum Beispiel Feingusswachse, Polyester, Polykarbonat und ABS zum Einsatz [GEB96]. Generell besteht die Möglichkeit, bei diesen Systemen während eines Bauprozesses die Werkstoffe zu wechseln. Damit können schichtweise unterschiedliche Werkstoffe bzw. Farben in einem Bauteil umgesetzt werden. Da dies mit einem großen Zeitaufwand verbunden ist und die Werkstoffe nicht lokal innerhalb einer Ebene variiert werden können, wird diese Möglichkeit in der Praxis nicht genutzt. Eine Erweiterung des Werkstoffspektrums würde mit einer entsprechenden Erhöhung der Anzahl an Extrusionsdüsen einhergehen. Dieser technische Mehraufwand ist weder technologisch vertretbar noch für die industrielle Praxis von Interesse Laminate Layer Manufacturing (LLM) Layer-Laminate-Manufacturing-Verfahren werden häufig auch als Laminated Object Manufacturing (LOM) bezeichnet. Im Gegensatz zu den bisher aufgeführten generativen Verfahren ist das LLM kein rein generatives, sondern vielmehr ein hybrides Verfahren. Der Aufbau der Schichten erfolgt durch das Verkleben von einzelnen Folienlagen unter Einfluss von Druck und Temperatur. In Bild 2.8 ist der schematische Aufbau einer LLM-Anlage mit den Grundkomponenten dargestellt. Der Klebstoff wird mit Hilfe einer Plotteinheit auf der vorangegangenen Schicht aufgetragen oder ist bereits auf dem Halbzeug aufgebracht. Mittels einer temperierten Andruckrolle werden die Schichten über den Klebstoff miteinander verbunden. Ein CO 2 -Laser trennt anschließend die zur jeweiligen Schicht berechnete Querschnittkontur. Das den Werkstückquerschnitt umgebende Material wird zusätzlich segmentiert. Dies ermöglicht nach der Fertigstellung des Werkstückes die Entformung durch das Herausbrechen der segmentierten Bereiche. Diese Bereiche dienen während des Werkstückaufbaus als Stützkonstruktion, die hier nicht gesondert aufgebaut werden muss [GEB96]. Als Folienwerkstoff kommt üblicherweise Papier zum Einsatz, das den Bauteilen einen holzähnlichen Charakter verleiht. Als Verfahrensvarianten sind an dieser Stelle diejenigen Verfahren zu erwähnen, die metallische Folien bzw. Metallplatten verarbeiten. Auf diesem Wege können schnell und kostengünstig zum Beispiel Tiefziehwerkzeuge hergestellt werden [GEU96, HIM02]. Die Variation der Werkstoffe innerhalb einer Schicht ist auch hier nicht realisierbar. Eine schichtweise Änderung der Werkstoffe wäre durchaus denkbar, ist wegen des hohen Aufwands für die Materialbevorratung und Handhabung jedoch nicht sinnvoll.

27 2 Stand der Technik generativer Fertigungsverfahren Seite 18 Einen weiteren interessanten Ansatz bietet das Stratified Object Manufacturing (SOM), das jedoch eher eine Fertigungsstrategie darstellt als eine eigenständige generative Technologie. Diese Strategie beruht darauf, die gewünschte Geometrie in hinterschnittfreie Bereiche mittels eines Algorithmus zu segmentieren. Diese einzelnen Geometrien können mit Hilfe konventioneller spanender Fertigungsverfahren umgesetzt werden. Die Teilgeometrien werden im Anschluss zum gesamten Bauteil zusammengefügt. Durch diese Fertigungsstrategie entfällt die Herstellung einer Stützgeometrie, und die Einzelteile können auf CNC-Maschinen in den typischen Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten gefertigt werden. Auch kann das Bauteil direkt im gewünschten Werkstoff umgesetzt werden. Nachteilig auf die mechanischen Bauteileigenschaften wirken sich die Fügestellen aus, da diese meist eine Schwachstelle im Bauteil darstellen. Jedoch lassen sich mit dieser Baustrategie eine Vielzahl von Werkstoffen verarbeiten und deutlich bessere Bauteileigenschaften erreichen als bei den übrigen generativen Verfahren. Insgesamt sind auch die Verfahrensvarianten der LLM-Technologie nicht geeignet, um ein breites Eigenschaftsspektrum innerhalb einer Bauebene bzw. eines Bauvorganges zu realisieren. Optik Laser Scanner ausgeschnittene Ebene laminierter Block Grundplatte beheizte Laminierrolle Folienmaterial Materialvorrat Bild 2.8: Verfahrensprinzip des Laminate Layer Manufacturing (LLM) Dimensional Printing (3DP) Das 3-Dimensional Printing wurde am Massachusetts Institute of Technology in den USA entwickelt. Seit 1994 wird es kommerziell angeboten. Das Verfahren ist ebenso wie das SLS ein pulverbasiertes Verfahren, das selektiv und schichtweise lokal Pulver verfestigt. Für die Generierung und Verfestigung einer Schicht wird anstelle eines Lasers ein Piezodruckwerk