Stereolithographie - das bekannteste Verfahren des Rapid Prototyping

Inhaltsverzeichnis

1. Einführende Betrachtung
1.1 Aktueller Anlaß
1.2 Abgrenzung
1.3 Gang der Untersuchung

2. Rapid Prototyping
2.1 Einleitung
2.2 Prozeßkette
2.3 Übersicht Verfahren
3. Stereolithographie
3.1 Historie
3.2 Verfahrensprinzip
3.3 Verfahren/Anlagen
3.3.1 SLA
3.3.2 STEREOS
3.3.3 Stereolithographie
3.3.4 Solid Ground Curling
3.3.5 Mikrostereolithographie
3.4 Einsatzbereiche
3.5 Entwicklungstendenzen

Abbildungs-/Literatur-/Quellenverzeichnis

1. Einführende Betrachtung

1.1 Aktueller Anlaß

Diese Seminararbeit befasst sich mit dem Thema „Rapid Prototyping“, dessen Definition, Anwendung und Möglichkeiten. Erstellt wird diese Arbeit im Rahmen des Kurses „Fertigungstechnik“ des 9. Semesters im Verbundstudiengang Technische Betriebswirtschaft an der Fachhochschule Münster.

Im Zuge der Globalisierung hat sich der Konkurrenzdruck für deutsche Firmen verschärft und verlangt von Unternehmen die Fähigkeit Produkte schnell und trotzdem ausgereift auf den Markt zu bringen. Die Produktentwicklung muss dabei den Spagat zwischen Schnelligkeit und Qualität bewältigen und muss sich daher Modellen bedienen, die in kürzester Zeit die höchsten Entwicklungserkenntnisse hervorbringen. Eines dieser Modelle oder Verfahren ist die Herstellung von physikalischen Prototypen mittels des „Rapid Prototypings“. Dieses Verfahren soll anhand der Definition, einer Verfahrensart und einem Ausblick dargestellt werden.

1.2 Abgrenzung

Unter Punkt 2 wird in der Prozesskette nicht auf alle Möglichkeiten der Datenübertragung eingegangen. Das gängigste Format(STL) wird genannt und kurz beschrieben, bzgl. Details wird auf die Literatur hingewiesen - siehe auch Literaturverzeichnis. Bei der Übersicht der Verfahren werden die beiden in der Folge näher betrachteten Verfahren eingeordnet. Alle weiteren Verfahren sind der Literatur zu entnehmen. Sowohl hier als auch im Folgenden wird auf die chemische Darstellung der Prozesse im Detail aus Zeit- und Platzgründen verzichtet.

Unter Punkt 3 wird bei der Darstellung der einzelnen Verfahren/Anlagen nicht auf die einzelnen Verfahren explizit eingegangen, sondern nur die Besonderheiten oder Unterschiede zu der allgemein vorher geschilderten Prozesskette der Stereolithographie hingewiesen.

1.3 Gang der Untersuchung

Nach dieser allgemeinen Einleitung wird unter Punkt 2 der Oberbegriff des Rapid Prototypings und dessen Anwendungsgebiete erläutert. Eine Einordnung des danach folgenden Verfahrens soll stattfinden. Im 3. Punkt der Arbeit wird das Verfahren Stereolithographie näher betrachtet. Das Verfahren soll erläutert, an Hand von Anlagen, Werkstoffen und Anwendungsgebieten klassifiziert und durch einen Ausblick schematisch dargestellt werden.

2. Rapid Prototyping

2.1 Einleitung

Unternehmen sind heutzutage stark abhängig von den Produkten und Produktinnovationen, die sie auf dem Markt dem Kunden anbieten. Die Erarbeitung von Innovationen (Forschung und Entwicklung) muß auf Grund von immer kürzeren Produktlebenszyklen beschleunigt und gleichzeitig die Kosten dieser Entwicklung gering gehalten werden. Dabei darf die Variantenvielfalt und Funktionalität der Produkte nicht abnehmen Diese schwierige Ausgangssituation erfordert Prozesse und Technologien, die schnell und gleichzeitig effizient arbeiten.

Um schon früh im Entwicklungsprozess möglichst ein Maximum an Informationen über das zukünftige Produkt zu erhalten, hat sich das Fertigungsverfahren des Rapid Prototypings entwickelt.

Bei diesem Verfahren werden Modelle von Bauteilen oder Bauteile selbst in kürzester Zeit in physikalische Form gebracht und können so auf Funktionalität und Schwachstellen untersucht werden. Das Bauteil wird dabei am Computer mittels 2D- oder 3D-CAD-Programmen entworfen und über eine spezielle Software in Schichten zerlegt. Diese Schichten-Daten werden an den Prototyper (die Maschine, die das Bauteil herstellt) übermittelt.

Hier wird das Bauteil durch Aufeinandersetzen und Verbinden einzelner Bauteilschichten zusammengefügt, bis das Bauteil komplett entsteht.¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Grafik 1: Technologie Rapid Prototyping

Im Gegensatz zu abtragenden Fertigungsverfahren, wo durch Fräsen oder Abtragen Teile eines Materials abgenommen werden und das Bauteil aus dem „Rest“ besteht, entsteht beim Rapid Prototyping in/aus einer Materialmenge ein Bauteil. Diese Art der Technologie wird auf Grund des additiven Charkters (hinzufügen und zusammenfügen einzelner Schichten) als generatives Fertigungsverfahren bezeichnet.²

Da dieses Verfahren schon früh in der Entwicklungsphase möglich ist, lassen sich so Entwicklungszeit und -kosten einsparen.

Rapid Prototyping ist als Technologie dabei der Oberbegriff für mehrere Anwendungsbereiche, die in Punkt 6 näher erläutert werden. Dazu gehören u.a. das Rapid Tooling und das Rapid Manufacturing.

2.2 Prozeßkette

Ausgangspunkt bei allen Rapid Prototyping Verfahren ist, wie oben bereits erwähnt, ein 3D-CAD-Volumenmodell. Dieses wird entweder direkt am Computer entwickelt oder entsteht aus 2D-Daten, die durch entsprechende Zusätze in 3D-Daten transformiert werden. Auch die Auswertung und Bearbeitung von Messdaten können in 3D-Daten gewandelt werden, so dass bereits gewonnen Daten aus anderen Versuchen oder Bereichen als Basis genommen werden können.

Diese 3D-Daten werden über die Schnittstelle STL an die prototypenherstellende Maschine übermittelt. STL steht für „Standard Transformation Language“ und stellt „faktisch einen Industriestandard dar“³. Dabei wird das Volumenmodell in ein Flächenmodell umgerechnet. Die Oberfläche des Bauteils wird durch Dreiecke trianguliert. Werden die Daten über eine andere Schnittstelle, z.B. IGES oder VDA-FS (ebenfalls CAD-Daten- Schnittstellen), übermittelt, müssen diese auch erst in das STL-Format konvertiert werden.⁴

Bei Verfahren mit flüssigen Werkstoffen müssen dem Modell noch Stützelemente hinzugefügt werden. Geschieht dies nicht, kann es passieren, das beim Aufbau der einzelnen Schichten das Modell in Schräglage gerät oder komplett kippt und ein weiterer Aufbau nicht mehr möglich ist. Das nun „fast“ vollständige Datenpaket wird als nächstes „geslict“, d.h. aus dem Volumenmodell werden Schichten „geschnitten“, die aufeinander gesetzt den Prototypen aufbaut. Mit den noch fehlenden Maschinendaten, bestehend u.a. aus Verfahrens- und Maschinenparametern, kann der Prototyper das Bauteil produzieren. Dabei wird von unten nach oben Schicht für Schicht aufeinander gesetzt und zusammengefügt, bis das Bauteil komplett entstanden ist.⁵

Je nach Verfahren ist eine Nachbearbeitung von Nöten. Bei der oben beschriebenen Möglichkeit der flüssigen Ausgangsstoffe ist z.B. die Stützkonstruktion zu entfernen. Eine Veredelung durch Farbe, Lacke oder Polieren des Bauteils ist möglich.

[...]

¹ ) Vgl. Gebhardt, Andreas, Rapid Prototyping, 2. Aufl., Hanser Verlag, München Wien 2000, S. 31ff, S.

² ) Vgl. Gebhardt, Andreas, Rapid Prototyping, 2. Aufl., Hanser Verlag, München Wien 2000, S. 26f 6

³ ) Gebhardt, Andreas, Rapid Prototyping, 2. Aufl., Hanser Verlag, München Wien 2000, S. 47

⁴ ) Vgl. Gebhardt, Andreas, Rapid Prototyping, 2. Aufl., Hanser Verlag, München Wien 2000, S. 47f, S. 82f

⁵ ) Vgl. Reinhardt / Milberg (Hrsg.), Rapid Prototyping Methoden für die reaktionsfähige Produktentwicklung,Seminarberichte Nr. 49, Utz Verlag, Augsburg 1999, S. 1-8f 7