3D-Druck. Historie Technologie - Verfahren

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1 3D-Druck Prof. Dr. Haller Graf v. Montgelas, Promenadeplatz München Historie Technologie - Verfahren

2 Quelle: georgehart.com

3 Generative (oder additive) Fertigungsverfahren (landläufig 3D-Drucken ) Grundlage: Schichtaufbau-Prinzip (1983) Generierung einer Schicht (x-y Ebene) Verbinden dieser Schicht mit der vorhergehenden (in z-richtung) Pionier Charles Hull, 75 Gründer der Fa. 3D-Systems Begriffe

4 Generative Fertigungsverfahren Rapid Prototyping Herstellung von Prototypen und Formen Rapid Manufacturing/ Direct Manufacturing Herstellung von Teilen Rapid Tooling Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen Begriffe

5 Importieren von STL-Daten (Dreiecksfacetten) CAD- System Scanner CAD- Daten AutoCAD CATIA SolidWorks STL- Datei Modellerzeugung

6 Slicing Optimale Positionierung des zu fertigenden Teils auf der Maschine Skalierung des Teils (Vergrößern, Verkleinern) Sichtbarmachen von Hinterschneidungen und Überhängen Falls erforderlich, Stützkonstruktion erzeugen Optimale Ausnutzung der Bauplattfporm Erzeugung maschinenspezifischer Daten Open-Source- Programme: z.b. CURA Modellerzeugung

7 Prinzipien der Schichtzeugung 1.) Generieren aus der festen Phase An- oder Aufschmelzen und Verfestigen von Pulvern oder Granulaten (Sinter- und Schmelzverfahren) Ausschneiden oder Ausfräsen aus Folien, Bändern oder Platten (Schicht-Laminat-Verfahren) An- oder Aufschmelzen und Verfestigen von festen Materialien (Extrusionsverfahren) Verkleben von Granulaten oder Pulvern durch Binder (3D-Printing) Prinzipien

8 Prinzipien der Schichtzeugung 2.) Generieren aus der flüssigen Phase Verfestigung, z.b. durch Polymerisation flüssiger oder teigiger Materialien (laser- oder lampengestützte Stereolithograhie, Polymerdrucken) 3.) Generieren aus der Gasphase Physikalisches Abscheiden von Aerosolen Chemisches Abscheiden aus der Gasphase Prinzipien

9 Vernetzen von flüssigem Photopolymer (Epoxidharze) durch UV Belichtung per Laser. Erstes kommerziell verfügbares Verfahren (1986/1987). Stereolithographie

10 Zum Drucken komplexer Geometrien ist Träger- oder Stützmaterial erforderlich, z.b. bei - Hinterschnitten - Überhängen - Filigranen Strukturen - bei Bauteilen, die in der Luft hängen Stützmaterial muss nach dem Druckvorgang entfernt werden! Modellerzeugung

11 Stützmaterial verursacht Kosten durch zusätzlichen Materialverbrauch Zusätzliche und teilweise zeitintensive Nacharbeiten Probleme beim Lösen des Support-Materials Verminderte Oberflächenqualität durch bleibende Rückstände Erhöhte Druckdauer Modellerzeugung

12 Eigenschaften des Stereolithographie Verfahrens photoresistives Material Zugfestigkeit und E-Modul gering Frühere Materialien mit geringer Temperaturbeständigkeit und Kriechneigung, nicht so bei Epoxidharzen 2-stufiges Verfahren: zunächst 95%ige Vernetzung des Materials in der Anlage, dann völlige Aushärtung unter intensiver UV Behandlung. Stützstrukturen erforderlich. Bauteil und Stütze aus demselben Material. Aufbau großer Teile aus kleineren möglich. Stereolithographie

13 Selektives Lasersintern

14 Selectives Laser Sintern (SLS) Kunststoffpulver: niedrige Schmelzpunkte Metall-Polymer-Pulver: polymerumhülltes Metallpulver. 2-stufiger Prozess: Im Polymer befinden sich Metallteilchen: Durch Wärmezufuhr Austreiben des Polymers. Im nächsten Schritt Infiltrieren eines niedrig-schmelzenden Metalls. Sintern = Diffusion unter Druck, Temperatur und Zeit. -> SLS: nur Temperatur Metall-Metall-Pulver: anstelle des Polymers Verwendung eines niedrigschmelzenden Metallpulvers. Mechanische Eigenschaften begrenzt. Einkomponenten-Metallpulver: für Endprodukte Selektives Lasersintern

15 Neue technische Möglichkeiten 3D-Kühlkanäle 3D-Kühl-und Temperierkanäle Optimierte Werkzeuge Verbesserter Spritzgussprozess (genauere Teile, weniger Verzug, kürzere Zykluszeiten) Selektives Lasersintern

16 Teileherstellung ohne Werkzeug DirectPart Rapid Manufacturing ohne Werkzeug Rasche Verfügbarkeit Testen von Varianten /Quelle EOS/ Selektives Lasersintern

17 Schichtweise Verfestigung eines Pulverwerkstoffs durch Aufdruck eines flüssigen Binders. Prinzip: Tintenstrahldrucken. 3D-Drucken

18 Große Teile für Film, Architektur, Design oder Kunst Voxeljet

19 FDM-Technologie (Fused Deposition Modeling) Stratasys Schichtweiser Teileaufbau aus einem halbflüssig erhitzten Thermoplasten. Zwei Materialien: Modell- und Stützmaterial. Das Druckmaterial wird zum Druckkopf geführt, der sich entlang der X- und Y- Achsen bewegt. Extrusionsverfahren (Fused Layer Modeling, FLM) Einzeldüsen: FDM Mehrfachdüsen: Multi-Jet (3D-Systems) Nach Beendigung des Druckvorgangs muss das Stützmaterial mechanisch oder chemisch entfernt werden. Erfinder: Scott Crump, Gründer von Stratasys Fused Deposition Modeling

20 FABBSTER G Fa. SINTERMASK ULTIMAKER II Fa. ULTIMAKER REPLICATOR 2 Fa. MAKERBOT Beispiel FDM-Technologie

21 Aufdruck von flüssigem Photopolymer über Piezodruckkopf und Aushärtung durch UV- Belichtung. Polyjet-Modeling

22 Herstellung traditionell nicht herstellbarer Teile Variation der Materialeigenschaften über das Bauteil hinweg - hart-weich - lokal geänderte Zusammensetzungen - diskontinuierliche Verteilungen - farbige Bauteile Polyjet-Modeling

23 Prototyp von Ketten, funktionsfähig, Hergestellt mit Polyjet-Verfahren Funktionsfähiger Prototyp einer Sprinkleranlage, hergestellt mit FDM-Technologie, Stratasys Polyjet-Modeling

24 Laminated Layer Modelling (LLM) Ausschneiden der Kontur aus Folien (Papier, Kunststoff, ) mit Messer oder Laser. Verkleben dieser Schicht mit der vorherigen Schicht. Zur Erreichung einer hohen Genauigkeit sind geringe Foliendicken erforderlich. Am Ende des Bauprozesses Beseitigung der Folienreste vom Bauteil. Laminated Layer Modeling

25 Laminated Layer Modelling (LLM) Geeignet für massive Teile mit großem Formvolumen Geeignet für Tiefziehprozesse (Thermoforming) Hohe Druckfestigkeit Holzähnliche Strukturen Im Modell befindliches Material muss beseitigt werden. Laminated Layer Modeling

26 Laminated Layer Modeling

27 Lasersintern und Laserschmelzen Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von (Werk-)Stoffen. Dabei werden feinkörnige, keramische oder metallische Stoffe oft unter erhöhtem Druck erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt (Form) des Werkstückes erhalten bleibt. Das Prinzip des Lasersinterns beruht auf der Verfestigung durch lokales Versintern der Pulverpartikel; Beim Laserschmelzen werden die Pulverpartikel lokal aufgeschmolzen. Selektives Laserschmelzen

28 Das Selektive Laserschmelzen dient zur Herstellung von Bauteilen aus pulverförmigen Materialien (z.b. Metallpulver) eingesetzt. Die Bauteile werden schichtweise aufgebaut. Schichtenaufbau vergleichbar mit dem Stereolithographie-Verfahren. Bauplattform in z-richtung verschiebbar. Absenkung der Bauplattform. Auftragen des Metallpulvers. Belichtung mit Laserstrahl. Alternativ: Materialzufuhr über Düse Selektives Laserschmelzen

29 Laserbeschichten/ Laserauftragsschweißen Das Pulver wird direkt in ein vom Laser erzeugtes Schmelzbad eingebracht. Laserbeschichten

30 SLM (selective laser melting) SLM ist eines von mehreren Strahlschmelz-Verfahren, das zur Herstellung von metallischen Bauteilen erforscht und weiterentwickelt wurde. Sehr viele Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Turbinenschaufel: Hohlräume und/oder Gitterstrukturen in ein und demselben Verfahren herstellbar. Realisierung von Entwässerungsschlitzen, Beheizungsöffnungen und/oder sonstigen Löchern. Leichtere Montage von Triebwerken durch Baugruppen mit z.b. 6 Schaufeln Selektives Laserschmelzen

31 Herstellung von Mikrobauteilen Mikrostereolithographie Mikrosintern Mikrobauteile durch selektives Laserschmelzen Mikro-Verfahren

32 TU Wien Zwei-Photonen-Lithographie. Hochpräziser 3D-Drucker der TU Wien bricht Geschwindigkeitsrekorde Kritische Temperatur wird im Kreuzungszweier Laser-Strahlen erreicht. Die Nachbildung des Wiener Stephansdoms ist geometrisch etwas vereinfacht, aber unvorstellbar klein: Nur etwas über 50 µm misst das Modell. Zum Herstellen von winzigen maßgeschneiderten Strukturen (Bild: TU Wien) Mikro-Verfahren

33 Indirekte Verfahren

34 Selektives Maskensintern Kernidee: Während bei SLS die Laserquelle punktförmig wirkt, wird hier mit einem flächig wirkenden IR- Strahler eine Maske belichtet. -> damit Aufschmelzen einer ganzen Bauebene Selektives Masekensintern

35 Selektives Maskensintern Maske aus IR-absorbierendem Material wird auf eine Glasscheibe gedruckt. Anschließend werden mit einem Infrarot-Strahler alle nicht durch die Maske bedeckten Bereiche in der Schnittebene belichtet und aufgeschmolzen. Beseitigung des Restmaterials erforderlich. Selektives Maskensintern

36 Selektives Maskensintern Vorteile des Verfahrens: Durch die flächige Belichtung ist die Baugeschwindigkeit unabhängig von der Größe der Baufläche. Zum Vergleich beim SLS wird die Fläche linienförmig abgefahren. Bauprozess hängt hier von der Baufläche ab. Beim SLS-Verfahren wird mit monochromatischem Licht des CO2-Lasers gearbeitet. Hierbei muss der zu verarbeitende Kunststoff eine hohe Absorptionsfähigkeit im entsprechenden Wellenbereich haben. Durch die höhere Bandbreite des IR-Strahlers erweitert sich hier die Materialpalette. Selektives Maskensintern

37 Übersicht: Generative Verfahren Polymerisation (Laser-) Stereolithographie Polymerdrucken Sintern/Schmelzen Selektives Lasersintern Selektives Laserschmelzen Selectives Masken Sintern Elektronenstrahlschmelzen Schicht-Laminat-Verfahren Extrusionsverfahren 3D-Drucken SLA SLS SLM SMS EBM LLM FDM 3DP Verfahren

38 Rapid Manufacturing heißt Teileherstellung mit generativen Verfahren. Rapid Tooling oder Direct Tooling ist die Herstellung von Werkzeugen oder Werkzeugeinsätzen mit generativen Verfahren. Indirekte Verfahren sind dann gemeint, wenn ein direkt hergestelltes Urmodell in nachfolgenden, nicht-generativen Verfahrensschritten, abgeformt wird. Indirekte Verfahren werden deswegen auch gerne als Folgeverfahren oder Abformverfahren bezeichnet, auf Englisch auch als Indirect Tooling bezeichnet. Rapid Manufacturing

39 Nicht-Generative Fertigungsverfahren Abformprozesse, die selbst nicht generativ sind, aber auf generativ hergestellten Urformen basieren Silikonabguss Vakuumgießen Metallspritzen: Kst.-Teile mit metallischer Beschichtung Metallische Werkzeuge zum Spritzgießen Indirekte Verfahren

40 Abformverfahren zählen streng genommen nicht zu den generativen Verfahren, da im gleichen Zuge auch ohne generativ gefertigte Urmodelle Abformprozesse erfolgen können. Sie werden dennoch den indirekten Verfahren zugeteilt und finden dort aufgrund der Tatsache, dass generativ gefertigte Urmodelle Prozesse insgesamt schneller, hochwertiger und generell erst möglich machen können, Anwendung. Indirekte Verfahren

41 Harte Schale, komplexer Kern Beschichtung von Kunststoff-RP-Teilen mit metallischer Umhüllung Steigerung von Festigkeit und Elastizität Indirekte Verfahren

42 Contour Crafting Anwendungsbereich: Bauindustrie Ähnlich dem FDM werden einzelne Betonschichten nacheinander großformatig aufgetragen, wodurch unvergleichbar schnell z.b. Grundrisse zukünftiger Unterkünfte entstehen können. Trends Baubranche

43 Radiolaria ist eine dreidimensionale Struktur von Shiro Studio aus London. D-Shape ist weltweit der größte binderbasierte 3D-Plotter auf Basis von Sand oder mineralischem Staub mit einer Abmessung von bis zu 12 m. Die drei Kubikmeter große Struktur ist ein Modell für einen geplanten zehn Meter hohen Pavillon, der 2010 in Pontedera in Italien gebaut werden soll. Der Prototyp ist 3m groß und wird in einer Schichtstärke von jeweils fünf bis zehn Millimeter generiert D-Shape-Prozess

44 Herstellung traditionell nicht herstellbarer Teile Neues flexibles elasto-plastisches Druckmaterial Neue Materialien

45 Möglichkeiten für den Leichtbau Variation von Wandstärke und Füllungsgrad Materialeinsparung

46 Nylon-Fahrrad (EADS) Rahmen mittels 3D-Prototyping-Verfahren gefertigt. Stabilität einer Stahl-/Alukonstruktion Der Vorteil im Vergleich zu anderen Baustoffen liegt dabei im Gewicht, welches um 65% leichter ist als dieselbe Konstruktion aus Aluminium. Rohstoffsparsamere Herstellung Trends: Materialien

47 Studie: Könnte es sich rentieren, Haushaltsgegenstände selbst zu drucken, anstelle diese zu kaufen? Untersuchung von 20 Haushaltsgegenständen wie Duschköpfe, Smartphone-Cases und Küchenutensilien. Einkaufspreise wurden ermittelt und mit den eigenen Druckkosten verglichen. Produktkosten von rund 235 bis Kosten bei Eigenproduktion nur etwa 13. Anschaffungskosten eines (kostengünstigen) 3D-Druckers von rund 265 bis Je nach Drucker und der Anzahl der erzeugten Gegenstände könnte sich so ein 3D-Drucker zwischen einigen Monaten bis wenigen Jahren rentieren Materialien

48 Vision: Künftige Ersatzteillogistik Anwendungen: Kraftwerkstechnik, Flugzeugturbinen Nach Expertenschätzungen entfallen 10% der Betriebskosten bei Fluggesellschaften auf Lagerung und Just-in-Time-Lieferung. Drucken der Ersatzteile vor Ort ( Repair-ondemand ) Beim Laserstrahlschmelzen Einsatz mehrerer Druckköpfe zum schnellen Aufbau von Titan- Teilen. Materialien

49 Größere Abmessungen der Teile Idee: Drucken von Möbelstücken Trend: Große Abmessungen

50 TNO arbeitet derzeit an der Entwicklung von neuen Lebensmittel 3D- Druckern zur Ausstattung von Pflegeheimen. Idee: Drucken für Patienten mit Kau- und Schluckproblemen. Dabei sollen breiförmige Lebensmittel in einem Druckvorgang zu einem vollständigen Gericht verarbeitet werden. Trend: Drucken von Lebensmitteln

51 3D-Doodler Einfach den Stift vom Papier abheben und in der Luft zeichnen! Trends

52 swisspen Markteinführung ca. Oktober 2013 Objekte aus verschmolzenem PLA- oder ABS-Kunststoff. Der swisspen verarbeitet 1,75 Millimeter dickes Plastik-Filament in verschiedenen Farben, das im Inneren auf über 200 Grad erhitzt wird. Mit den geschmolzenen Strängen kann der Anwender dann wie mit einem normalen Stift malen. Trends

53 Geschäftsmodelle Dienstleistungen: Herstellung von Prototypen und Teilen Designobjekte Ersatzteil-Fertigung Nutzung neuartiger Herstellungsverfahren: Flexiblere Reaktion auf Kundenwünsche Neuartige Produkte: Neuartige Formen und Materialien Individualisierte Produkte, z.b. Hörgeräteschalen Trends

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