Vergleich generativer Fertigungsverfahren zur Auswahl eines 3D-Druck- Systems für die Herstellung von kunststoffbasierten Prototypen

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1 Technik Robert Komorowsky Vergleich generativer Fertigungsverfahren zur Auswahl eines 3D-Druck- Systems für die Herstellung von kunststoffbasierten Prototypen Bachelorarbeit

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3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk sowie alle darin enthaltenen einzelnen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsschutz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlages. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, Auswertungen durch Datenbanken und für die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme. Alle Rechte, auch die des auszugsweisen Nachdrucks, der fotomechanischen Wiedergabe (einschließlich Mikrokopie) sowie der Auswertung durch Datenbanken oder ähnliche Einrichtungen, vorbehalten. Impressum: Copyright 2014 GRIN Verlag, Open Publishing GmbH ISBN: Dieses Buch bei GRIN:

4 Robert Komorowsky Vergleich generativer Fertigungsverfahren zur Auswahl eines 3D-Druck- Systems für die Herstellung von kunststoffbasierten Prototypen GRIN Verlag

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6 Vergleich generativer Fertigungsverfahren zum Zwecke der Auswahl eines 3D-Druck- Systems für die Herstellung von kunststoffbasierten Prototypen Bachelor Thesis von Robert Komorowsky 7. Fachsemester Wirtschaftsingenieurwesen, SPO Bachelor 2 Künzelsau, den 13. Juni 2014

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8 Zusammenfassung Die innovative Produktionstechnik namens 3D-Drucken, wissenschaftlich als generative Fertigungsverfahren bezeichnet, zählt zweifelsohne zu den wichtigsten Zukunftstechnologien. Der Studiengang Energieökologie (EOE) der Reinhold-Würth-Hochschule Künzelsau will sich der zahlreichen Vorteile dieses Verfahrens, wie etwa der erhöhten konstruktiven Freiheit der herstellbaren Geometrien, bedienen, um kunststoffbasierte, funktionelle Prototypen für kleine Komponenten, die bei der Mikroenergiegewinnung eine Rolle spielen, herzustellen. Der Fachbereich Mikrosystemtechnik hat sich daher dazu entschlossen, einen hochauflösenden 3D-Drucker für Forschungsund Entwicklungszwecke zu erwerben. Ziel dieser Bachelor Thesis ist es, einen Überblick über das Thema 3D-Drucken zu erstellen und auf diesem Wissen aufbauend ein 3D-Druck-System auszuwählen, welches den besonderen Anforderungen des Studiengangs EOE am besten entspricht. Dazu sollen in dieser Arbeit der allgemeine Ablauf der Herstellung eines Prototypens mittels 3D-Druck erklärt, die wichtigsten generativen Fertigungsverfahren und deren Hersteller gegenübergestellt sowie anhand dessen die für den Studiengang infrage kommenden Anlagen eingegrenzt werden. Im Anschluss daran sollen in CAD konstruierte Test-Bauteile beschrieben werden, welche auf diesen Anlagen bei einem 3D- Druck-Dienstleister hergestellt und in den EOE-Laboren auf ihre Detailgenauigkeit hin untersucht werden, sodass am Ende dieser Arbeit ein oder mehrere 3D-Drucker feststehen, welche dem Fachbereich Mikrosystemtechnik empfohlen werden können. Der Ablauf dieser Untersuchung kann als Modell für ähnliche Auswahlentscheidungen hinsichtlich der Beschaffung einer generativen Fertigungsanlage dienen. III

9 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung...III Abkürzungsverzeichnis... IX Abbildungsverzeichnis... XI Tabellenverzeichnis... XIII 1 Einleitung Begriffsabgrenzung Vorstellung des Labors Energieökologie Ziel der Arbeit Gang der Untersuchung Eigenschaften der generativen Fertigungsverfahren Komplexität der Geometrien Komplexität der Bauelemente Werkzeuge Baugeschwindigkeit Genauigkeit Programmierung Individualisierungen Folgerungen Ablauf des generativen Fertigungsprozesses D-Daten-Aufbereitung D-CAD-Modellerstellung Herkunft der 3D-Daten Konstruktionsrichtlinien für die 3D-Modellierung STL-Datei-Erstellung...17 IV

10 3.2 Generative Fertigung Datenübertragung und Rüsten der Maschine Slicing der STL-Datei Reparatur des CAD-Modells Bauprozessvorbereitung Positionierung, Orientierung und Skalierung im Bauraum Verwendeter Werkstoff und Farbe des Bauteils Erstellung von Stützstrukturen Schichthöhe Fülldichte Protokollierung von Prozessdaten Datenübertragung an die Maschine Rüsten der Maschine Bauprozess überwachen Fertigung der Bauteile Maschine abrüsten und Bauteil von Bauplattform entfernen Nachbearbeitung Wichtigste generative Fertigungsverfahren Fused Layer Modeling (Fused Deposition Modeling) Prozessbeschreibung Vorteile Nachteile D Printing (Pulver-Binder-Verfahren) Prozessbeschreibung Vorteile...36 V

11 4.2.3 Nachteile Selektives Lasersintern Prozessbeschreibung Vorteile Nachteile Stereolithographie Prozessbeschreibung Vorteile Nachteile Multi-Jet Modeling (Poly-Jet Modeling) Prozessbeschreibung Vorteile Nachteile Weitere generative Fertigungsverfahren Color Jet Printing Laminated Object Manufacturing Selektives Laserschmelzen Elektronenstrahlschmelzen Wichtigste Hersteller generativer Anlagen D Systems Profil Modellpalette Einschätzung Stratasys Profil...52 VI