Generative Fertigungsverfahren

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1 Generative Fertigungsverfahren Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion Bearbeitet von Andreas Gebhardt 4., vollständig überarbeitete Auflage Buch. 672 S. Hardcover ISBN Format (B x L): 17,6 x 24,6 cm Gewicht: 1361 g Weitere Fachgebiete > Technik > Produktionstechnik > Werkzeugbau Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Andreas Gebhardt Generative Fertigungsverfahren Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion ISBN (Buch): ISBN (E-Book): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

3 Widmung...V Vorwort... VII Über den Autor... IX Danksagung... XI 1 Einordnung und Begriffsbestimmung Systematik der Fertigungsverfahren Systematik der Generativen Fertigungsverfahren Begriffsbestimmungen Eigenschaften der Generativen Fertigungsverfahren Einteilung der Generativen Fertigungsverfahren Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Rapid Manufacturing Direct Manufacturing Rapid Manufacturing Direct Tooling (Rapid Tooling Prototype Tooling) Nicht-Generative Verfahren Indirect Prototyping und Indirect Tooling Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing? Begriffsvielfalt Wie schnell ist Rapid? Integration der Generativen Fertigungstechnik in den Produktentstehungsprozess Generative Verfahren in der Produktentwicklung Generative Verfahren für die stückzahlen-unabhängige Produktion Generative Verfahren für die individualisierte Produktion Maschinen für die Generative Fertigung...17

4 XIV 2 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 CAD-Modelltypen Anforderungen an CAD-Systeme Modellierung dreidimensionaler Körper aus Messwerten Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten STL-Format Fehler im STL-File CLI-/SLC-Format PLY- und VRML-Format AMF-Format Physikalische Prinzipien zur Erzeugung der Schicht Generieren aus der flüssigen Phase Photopolymerisation Stereolithographie (SL) Grundlagen der Polymerisation Laserinduzierte Polymerisation Vorteile der Stereolithographie Nachteile der Stereolithographie Generieren aus der festen Phase Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten Sintern (Lasersintern, LS), Schmelzen Materialien für das Sintern und Schmelzen Vor- und Nachteile des Sinterns und Schmelzens Proprietäre oder handelsübliche Pulver? Ausschneiden aus Folien und Fügen Layer Laminate Manufacturing (LLM) Vor- und Nachteile der Schichtverfahren (LLM) Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase Fused Layer Modeling (FLM) Extrudierende und ballistische Verfahren Vor- und Nachteile der FLM-Verfahren Verkleben von Granulaten mit Bindern 3D Printing (3DP) Pulver Binder Verfahren Vor- und Nachteile von Pulver-Binder Verfahren Generieren aus der Gasphase Aerosoldruckverfahren...75

5 XV Vor- und Nachteile von Aerosoldruckverfahren Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) Sonstige Verfahren Sonolimineszenz Elektroviskosität Elemente zur Erzeugung der physischen Schicht Bewegungselemente Plotter Scanner Parallelroboter (Delta Roboter) Generierende und konturierende Elemente Laser Druckköpfe Extruder Schneidmesser Fräser Schichterzeugendes Element Klassifizierung der Generativen Fertigungsverfahren Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der Generativen Fertigungsverfahren Werkstoffe Bauteileigenschaften Details Genauigkeiten Oberflächengüte Entwicklungspotenzial Kontinuierliche 3D Modellierung Generative Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing Polymerisation Stereolithographie (SL) Maschinenspezifische Grundlagen Laser-Stereolithographie Digital Light Processing (DLP) Polyjet und Multi-Jet Modeling (MJM) und Paste Polymerization Übersicht: Polymerisation Stereolithographie Stereo Lithography Apparatus (SLA) 3D Systems STEREOS EOS Stereolithographie Fockele & Schwarze (F&S) Mikrostereolithographie microtec

6 XVI Solid Ground Curing Cubital Digital Light Processing Envisiontec Polymerdrucken Stratasys/Objet Multi-Jet-Modeling (MJM) ProJet 3D Systems Digital Wax 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 Laserschmelzen Realizer GmbH Laserschmelzen SLM-Solutions Laserschmelzen Renishaw LTD Laser Cusing Concept Laser Direktes Laserformen TRUMPF Elektronenstrahlsintern ARCAM Selective Mask Sintering (SMS) Sintermask Lasersintern Phenix Beschichten Schmelzen mit der Pulverdüse Verfahrensprinzip Pulverdüsenkonzepte Prozessüberwachung und -regelung Laser Engineered Net Shaping (LENS) Optomec Direct Metal Deposition (DMD) DM3D Technology, LLC (TRUMPF) 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 Layer Milling Process (LMP) Zimmermann Stratoconception rp2i Paper 3D Printing MCor Plastic Sheet Lamination Solido Sonstige Schicht-Laminat-Verfahren Bauteile aus Metalllamellen Laminated Metal Prototyping.247

7 XVII Metalllamellenwerkzeug Weihbrecht Extrusionsverfahren Fused Layer Modeling (FLM) Übersicht: Extrusionsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) Stratasys Wachsprinter Solidscape Multi-Jet-Modeling (MJM) ThermoJet 3D Systems Three Dimensional Printing (3DP) Übersicht: 3D Printing D Printer 3D Systems/Z-Corporation Metall und Formsand Printer ExOne Metall-Linie: Direct Metal Printer Formsand-Linie: Direct Core and Mold Making Machine Direct Shell Production Casting (DSPC) Soligen D Drucksystem Voxeljet Maskless Masoscale Material Deposition (M3D) Optomec Hybridverfahren Laserauftragsschweißen und Fräsen Controlled Metal Build Up (CMB) Röders Laminieren und Ultraschallschweißen Ultrasonic Consolidation Fabrisonic/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 Produktentwicklungsschritte Time to market Frontloading Digitales Produktmodell

8 XVIII Die Grenzen der physischen Modellierung Kommunikation und Motivation Operative Aspekte beim Einsatz von Prototypen Rapid Prototyping als Werkzeug zur schnellen Produktentwicklung Modelle Modellklassen Modellklassen und Generative 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 3D Daten Rapid Prototyping in der Medizin Charakteristika medizinischer Modelle Große Datenmengen Nicht exakt definierte Modellabmessungen Mehrere Modelle Transparenz Sterilisierbarkeit Biokompatibilität Stützstrukturen Unverbundene Modellteile Anatomische Faksimiles Beispiel: Anatomisches Faksimile für eine Umstellungsosteotomie Rapid Prototyping in Design, Kunst und Architektur Modellbildung in Design und Kunst Beispiel Kunst: Computer-Skulptur

9 XIX 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: Ground Zero Beispiel Architekturdenkmäler: Dokumentation von baugeschichtlich relevanten Gebäuden Rapid Prototyping zur Überprüfung von Rechenverfahren Spannungsoptische und thermoelastische Spannungsanalyse Spannungsoptische Spannungsanalyse Thermoelastische Spannungsanalyse (THESA) Beispiel: Spannungsoptische Spannungsanalyse an einem Kipphebel eines Lkw-Verbrennungsmotors Beispiel: Thermoelastische Spannungsanalyse zum Festigkeitsnachweis an einer Automobilfelge Ausblick Rapid Tooling Einordnung und Begriffsbestimmung Direkte und indirekte Verfahren Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge Strategische Aspekte beim Einsatz Generativer Werkzeuge Schnelligkeit Umsetzung neuer technischer Konzepte Konstruktive Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge Prototypwerkzeuge Weiche gegossene Werkzeuge Harte gegossene Werkzeuge Harte direkt gefertigte Werkzeuge und Werkzeugeinsätze 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 Vakuumgießen

10 XX Nylongießen Silikonabguss Photocasting Spincasting Abgießen in harte Werkzeuge Metallspritzen Gießharzwerkzeuge Maskenwerkzeuge, Polyurethangießen Niederdruckspritzgießen, Reaction Injection Molding (RIM) D Keltool Course4 Technology Andere Abformverfahren für harte Werkzeuge Ford Sprayform Verfahren Rapid Solidification Process, RSP 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 Sandguss Druckguss Metallwerkzeuge auf der Basis von mehrstufigen generativen Prozessen Selektives Lasersintern von Metallen IMLS 3D Systems Paste Polymerization OptoForm D Printing von Metallen ExOne Direct Tooling Werkzeuge auf der Basis von Metall Rapid Prototyping Verfahren Mehrkomponenten-Metallpulver-Lasersintern Einkomponenten-Metallpulver-Verfahren Sintern und Generieren DirectTool EOS Laserschmelzen SLM-Solutions Laser Cusing Concept Laser Direktes Laserformen TRUMPF Elektronenstrahlsintern ARCAM

11 XXI Lasersintern Phenix Laser-Generieren mit Pulver und Draht Laser Engineered Net Shaping (LENS) Optomec Direct Metal Deposition (DMD) Schicht-Laminat-Verfahren Metalllamellenwerkzeuge Laminated Metal Tooling Ultrasonic Consolidation Fabrisonic/Solidica Lamellenwerkzeug Weihbrecht Ausblick Direct Manufacturing Rapid Manufacturing Einordnung und Begriffsbestimmungen Begriffe Vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing Workflow für das Rapid Manufacturing Anforderungen an die direkte Fertigung Potenziale der Generativen Fertigung von Endprodukten Erhöhte Konstruktionsfreiheit Erweiterte konstruktive und gestalterische Möglichkeiten Funktionsintegration 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

12 XXII 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 Dentaltechnik Schmuckindustrie Medizinische Geräte und Hilfsmittel, Medizintechnik Zahnspangen: Aligner Invisalign Hörgeräteschalen, Otoplastiken Technische Medizingeräte 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

13 XXIII 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 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 Contour Crafting D-Shape Prozess Selective Inhibition of Sintering (SIS) SIS-Polymer-Prozess SIS-Metall-Prozess

14 XXIV 10 Anhang Kritische Erfolgsfaktoren und Wettbewerbsstrategien Wirtschaftlichkeitsmodell nach Siegwart und Singer Technische Daten und Informationen Begriffe und Abkürzungen Literaturverzeichnis Index