3D FABLAB Einführunsworkshop

Transkript

1 3D FABLAB Einführunsworkshop

2 Geschichte des 3D Drucks Chuck W. Hull (* 12. Mai 1939 // US-amerikanischer Erfinder und Ingenieur) 1984 Weltweit erster 3D Drucker und die STL-Schnittstelle für Stereolitographie. Gründer und Vizepräsident des Unternehmens 3D-Systems.

3 3D Druck-Verfahren Überblick 3D Druckverfahren 1) Selektives Laserschmelzen (Metalle) SLM 2) Selektives Lasersintern (Polymere, Kermaik und Metalle) SLS 3) Elektronenstrahlschmelzen (Metalle) 4) Stereolithografie (flüssige Kunstharze) 5) Digital Light Processing (flüssige Kunstharze) 6) Polyjet-Modeling (Kunststoffe und teilweise Kunstharze) 7) Fused Deposition Modeling (Kunststoffe und teilweise Kunstharze) Anwendungsgebiete: - Kunst und Design - Architektur - Modellbau - Maschinenbau - Automobilbau - Bauverfahren (Contour Crafting)

4 3D Drucker Hardware Filament(e) PLA Thermische Eigenschaften Mechanisch-physikalische Eigenschaften Bei Polylactid, kurz PLA (vom englischen Wort polylactic acid ), handelt es sich um einen biologisch abbaubaren Kunststoff (Biopolymer), welcher aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke oder Zuckerrohr hergestellt wird. Chemisch gesehen gehört PLA der Gruppe der Polyester an und besteht aus vielen aneinandergereihten Milchsäuremonomeren. Hergestellt werden Polylactide (Mz.) über katalytische Ringöffnungspolymerisation von Lactidmolekülen oder über Veresterung von Milchsäuremonomeren. Typische PLA- Erzeugnisse sind Verpackungsmaterialien, Folien, Dosen, Schalen oder Becher. ABS Bei Acrylnitril-Butadien-Styrol, kurz ABS genannt, handelt es sich um einen amorphen Thermoplasten, der sich durch hohe Festigkeitswerte, gute Medienbeständigkeit, hohe Härte und gute Kratzfestigkeit auszeichnet. Aufgebaut ist ABS aus drei verschiedenen Monomeren: Acrylnitril, (1,3-)Butadien und Styrol. Folglich zählt ABS zu den Terpolymeren. Der 1946 erstmals hergestellte Kunststoff besitzt in seiner natürlichen Färbung gelblichen Charakter. Typische ABS-Erzeugnisse sind z. B. Lego -Bausteine. Filament Eigenschaften Schmelzindex MVI (im Schnitt) [cm³/10min] Erweichungstemperatur [ C] Schmelztemperatur [ C] ABS PLA 9,71 0, Eigenschaften Bruchfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] Kerbschlagzähigkeit [kj/m²] Witterungsbeständigkeit Toxizität ABS PLA ~ 70 ~ 60 ~ 2300 ~ gutm reizend äßig nicht reizend UV- Beständigkeit mittel hoch PLA VS ABS mittel hoch Die Schmelztemperaturen für PLA-Filamente liegen bei rund C (Tabelle) und somit deutlich unterhalb der Schmelztemperaturen von ABS mit etwa C. Die Verarbeitungstemperatur der Filamente sollte deutlich höher gewählt werden als deren Schmelztemperatur. So sind für PLA Düsentemperaturen von C sinnvoll. Für ABS sind Düsentemperaturen von C geeignet, die Heizbetttemperatur sollte hier zwischen 100 und 125 C liegen. Bei PLA sollte eine Heizbetttemperatur von C gewählt werden. Die exakten Temperaturen sind vom verwendeten Filament und der Druckerdüse abhängig. Die Temperatur des Heizbetts muss hierbei stets unterhalb der Erweichungstemperatur des Filaments liegen, da sich das Bauteil ansonsten plastisch verformt. Bei PLA wird ein beheiztes Bett nicht zwingend benötigt, bei ABS hingegen ist es ein unverzichtbarer Bestandteil. Eine Nachbehandlung der Teile durch fräsen, bohren, drehen, beschichten, etc. ist bei ABS aufgrund der guten Schlagzähigkeits-Eigenschaften besser möglich als bei PLA. Schwellwert (Strangaufweitung) Warp - Effekt Flammbarkeit Nachbehandlungs- Möglichkeiten Reibungswiderstand groß groß brennbar gut gering mittel gering nicht brennbar mittel mittel PLA besitzt sehr gute mechanisch-physikalische Eigenschaften. Und sofern keine speziellen Anforderungen an das zu druckende Bauteil gestellt werden, wie z. B. extrem hohe Festigkeitswerte oder hohe Witterungsbeständigkeit für einen Außeneinsatz, hat sich PLA als zuverlässiges und gut druckbares Material bewährt. Im Allgemeinen ist PLA etwas härter und spröder (höherer E-Modul) als ABS, verbunden mit einer höheren Oberflächenhärte. ABS ist weicher, leichter plastisch verformbar und besser nachbearbeitbar. Diese Festigkeits- Unterschiede sind jedoch minimal. Weitere Eigenschaften beider Filament-Materialien sind folgenden Tabellen zu entnehmen. Quelle: 3Druck.com

5 Entstehung eines 3D Drucks From file to factory IDEE/SKIZZE 3D Modelling STL export Cura G-Code 3D Drucker 3D Objekt Analog/Digital Digitales Modell Digital Digital Digital Digital --> Analog Analog Objekt 3D Scan --> Software --> Digitales Modell Mesh repair software zb Netfabb Basic G0 F3600 X Y3.109 Z0.250 ;TYPE:SKIRT G1 F1200 X Y2.023 E G1 X Y1.139 E G1 X Y0.282 E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E G1 X Y E Ein 3D-Druckgerät verhält sich wie ein Industrieroboter und führt konkrete Befehle eines Computers aus. Bevor ein Gegenstand bzw ein Objekt gedruckt werden kann, muss es vorher entworfen werden. Meist geschieht dies durch die Hilfe einer digitalen Software, wie zb. Programme zur Erstellung animierter Modelle oder CAD-Programmen. Die Software erstellt eine Blaupause für das Objekt, das gedruckt werden soll, und unterteilt es dann in Schichten bzw Querschnitte, die während dem Druckvorgang übereinander gelegt werden können (siehe Abb. 1 Läufer)

6 Die STL Schnittstelle (Surface Tesselation Language) Definition: Bei der STL Schnittstelle (= Surface Tesselation Language oder Standard Triangulation Language ; entspricht im Deutschen etwa der Beschreibung der Oberfläche durch Dreiecke), handelt es sich um eine Standardschnittstelle vieler CAD Systeme. Das ASCII-Format: Aufbau jeder STL-Datei in ASCII-Code solid name facet normal n1 n2 n3 outer loop vertex p1x p1y p1z vertex p2x p2y p2z vertex p3x p3y p3z endloop endfacet endsolid name Dateiname steht für ein Dreieck und wird entsprechend der Anzahl wiederholt. p1 Flächennormale solid name facet normal n1 n2 n3 outer loop vertex p1x p1y p1z vertex p2x p2y p2z vertex p3x p3y p3z endloop endfacet endsolid name n i gibt den Normalvektor des Dreiecks an. p1 bis p3 die x-, y- und z-koordinate des Dreiecks. p3 p2 BINÄR-Format: Dreiecksfacette mit Eckpunkten und Flächennormale

7 Software//CAD Programme Liste häufig verwendeter CAD Programme: Programme für die Vorbereitung eines 3D Drucks AutoCAD Autodesk 123D Autodesk 3ds Max Autodesk Maya Blender CATIA Cinema 4D Houdini LightWave 3D Modo Pro/ENGINEER Rhinoceros 3D Sketchup SolidWorks Vectorworks ZBrush Freeware Freeware Trialware Freeware Cura - Ultimaker Netfabb

8 Die STL Schnittstelle (Surface Tesselation Language) Detailausschnitt Polysurface Detailausschnitt Mesh Dreiecks- und Vierecksnetze Polysurface NURBS Non Uniform Rational B-Splines Mesh Polygonnetz Sobald ein 3D Objekt als STL-file gespeichert bzw exportiert wird, wird es in ein MESH umgewandelt (Dreicks- und Vierecksnetzt). Siehe Detailausschnitt Mesh-Läufer. Des weiteren wird in vielen Software Programmen die Export-Option ASCII oder BINÄR Format abgefragt. Die 2 Speicher-Formate unterscheiden sich hauptsächlich in der resultierenden Datengröße des Files da die Geometrie, genauer gesagt die Anzahl der Eckpunkte und Flächennormalen anderst gerechnet wird. Bei einem Netz werden die meisten Eckpunkte aneinanderliegender Dreicksfassetten doppelt oder dreifach gerechnet (ASCII Format), was zu größeren Datenmengen führt. Im Gegensatz dazu verringert bzw vereinfacht das BINÄR Format diese Rechnung der Geometrie, was meist zu kleineren Datengrößen von files führt.

9 Druckbeispiel Läufer mm Schichten bei einer Layerhöhe von 0,1mm 0,1mm X 800 = 80mm = 8cm Objekthöhe 0

10 Problemstellen beim FDM Objektpositionierung: Die Orientierung des zu druckenden Objekts ist mitunter ein entscheidender Faktor, wie die spätere Oberfläche des Drucks aussieht. Doch noch wesentlich wichtiger ist es, dass man durch die Positionierung des Objekts einiges am Druckprozess beeinflussen kann. Ein einfaches Beispiel dafür wäre ein Bogen (siehe Abbildung 1). Grundsätzlich würde es mehrere Lagen geben, in denen man das Objekt drucken könnte. Mit dem Hintergrundwissen, dass diese 3D Drucker das Schmelzschicht-verfahren verwenden, wird nach einiger Überlegung klar, welche der möglichen Positionierungen die sinnvollste (=höchste haptische Druckqualität) ist. Abb.: 1.1 Abb.: 1.2 Abb.: 1.3 Reultierende Kontur: Beispielbilder Resultat:

11 Problemstellen beim FDM Überhänge und Neigungen: Z X

12 Support structure support structure

13 Anwendungsbeispiele

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21 3D Druck - Gründe Kundenservice Andere Kostenreduktion Prototyping Verbesserte Lieferkettenlogistik Supply chain sourcing Effizienzsteigerung Individualisierte Produkte Produktentwicklung Neue Einnahmequellen Erweiterte Produktpalette Innovation Quelle: Gartner (November 2014)

22 3D Druck - Tendenzen Ford ~ $ Einsparungen / Monat für Automotivteile in Testserien Verkaufszahlen von 3D Druckern verdoppeln sich jährlich (laut Gartner Institut) 2015: : Prognose Qualität, Geschwindigkeit und Effizienz steigen kontinuierlich

23 3D Druck - Vorteile in der Produktion Nachfrageorientierte Produktion kaum Lagerkosten kaum Transportkosten schnelle Änderungen am Produkt keine Formkosten: Vorteile bei Kleinserien & Prototypen schnelle Produktentwicklung Additive Fertigung erlaubt Anfertigung von sehr komplexen Bauteilen individualisierte Produkte keine Rüstzeit für unterschiedliche Geometrien Maschinenersatzteile selbst herstellbar