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

Bachelorarbeit 2014 112 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1.Einleitung
1.1 Begriffsabgrenzung
1.2 Vorstellung des Labors Energieökologie
1.3 Ziel der Arbeit
1.4 Gang der Untersuchung

2 Eigenschaften der generativen Fertigungsverfahren
2.1 Komplexität der Geometrien
2.2 Komplexität der Bauelemente
2.3 Werkzeuge
2.4 Baugeschwindigkeit
2.5 Genauigkeit
2.6 Programmierung
2.7 Individualisierungen
2.8 Folgerungen

3 Ablauf des generativen Fertigungsprozesses
3.1 3D-Daten-Aufbereitung
3.1.1 3D-CAD-Modellerstellung
3.1.2 STL-Datei-Erstellung
3.2 Generative Fertigung
3.2.1 Datenübertragung und Rüsten der Maschine
3.2.2 Fertigung der Bauteile
3.2.3 Maschine abrüsten und Bauteil von Bauplattform entfernen
3.3 Nachbearbeitung

4 Wichtigste generative Fertigungsverfahren
4.1 Fused Layer Modeling (Fused Deposition Modeling)
4.1.1 Prozessbeschreibung
4.1.2 Vorteile
4.1.3 Nachteile
4.2 3D Printing (Pulver-Binder-Verfahren)
4.2.1 Prozessbeschreibung
4.2.2 Vorteile
4.2.3 Nachteile
4.3 Selektives Lasersintern
4.3.1 Prozessbeschreibung
4.3.2 Vorteile
4.3.3 Nachteile
4.4 Stereolithographie
4.4.1 Prozessbeschreibung
4.4.2 Vorteile
4.4.3 Nachteile
4.5 Multi-Jet Modeling (Poly-Jet Modeling)
4.5.1 Prozessbeschreibung
4.5.2 Vorteile
4.5.3 Nachteile
4.6 Weitere generative Fertigungsverfahren
4.6.1 Color Jet Printing
4.6.2 Laminated Object Manufacturing
4.6.3 Selektives Laserschmelzen
4.6.4 Elektronenstrahlschmelzen

5 Wichtigste Hersteller generativer Anlagen
5.1 3D Systems
5.1.1 Profil
5.1.2 Modellpalette
5.1.3 Einschätzung
5.2 Stratasys
5.2.1 Profil
5.2.2 Modellpalette
5.2.3 Einschätzung
5.3 Voxeljet
5.3.1 Profil
5.3.2 Modellpalette
5.3.3 Einschätzung
5.4 EOS
5.4.1 Profil
5.4.2 Modellpalette
5.4.3 Einschätzung

6 Eingrenzung der Auswahl einer generativen Anlage
6.1 Stratasys Objet Eden350
6.1.1 Allgemeine Eigenschaften
6.1.2 Druckbare Werkstoffe
6.2 3D Systems ProJet 3510 HDPlus
6.2.1 Allgemeine Eigenschaften
6.2.2 Druckbare Werkstoffe

7 Eigenschaften der Test-Bauteile
7.1 Drehbarer Becher
7.2 Bewegliche Endloskette
7.3 Filigrane Felge
7.4 Kreis-Gitter
7.5 Quadrate-Gitter
7.6 Rauten-Gitter
7.7 Spalten-Gitter

8 Vergleich der beiden generativen Anlagen anhand der Test-Bauteile
8.1 Materialeigenschaften
8.1.1 Stratasys Objet Eden350
8.1.2 3D Systems ProJet 3510 HDPlus
8.2 Materialverbrauch
8.3 Materialkosten
8.4 Druckzeit
8.5 Benötigte Nacharbeit
8.6 Detail-Auflösung

9 Auswahl einer generativen Anlage

10 Zusammenfassung und Ausblick

11. Quellenverzeichnis

12 Anhang
12.1 Export ins STL-Format in Autodesk Inventor 2014
12.2 Umwandlung eines farbigen CAD-Modells ins VRML-Format in Autodesk 3ds Max 2014
12.3 Erstellung der Schichtinformation in der Slicing-Software Netfabb Basic
12.4 Materialpreise Stratasys Objet Eden350
12.5 Materialpreise 3D Systems ProJet 3510 HDPlus

Ehrenwörtliche Erklärung

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 Forschungs- und 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.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2-1 Funktionsprinzip der Stereolithographie (Quelle: [12])

Abbildung 3-1 Workflow der generativen Fertigung (Quelle: [2])

Abbildung 3-2 Annäherung eines Torus mittels Dreiecksoberflächen (Quelle: [50])

Abbildung 3-3 Prinzipbedingte Stufung bei schichtorientierten Verfahren am Beispiel einer Bohrung: a) in der Schichtebene; b) senkrecht zur Schichtebene (Quelle: [3])

Abbildung 4-1 Einteilung generativer Fertigungsverfahren (Quelle: [4])

Abbildung 4-2 Verfahrensschema Fused Layer Modeling (Quelle: [4])

Abbildung 4-3 Verfahrensschema 3D Printing (Quelle: [4])

Abbildung 4-4 Verfahrensschema Selektives Lasersintern (Quelle: [4])

Abbildung 4-5 Verfahrensschema Stereolithographie (Quelle: [4])

Abbildung 4-6 Verfahrensschema Multi-Jet Modeling (Quelle: [4])

Abbildung 4-7 farbiger Ring, gedruckt auf CJP-Anlage ProJet 660Pro von 3D Systems

Abbildung 6-1 Stratasys Objet Eden350 (Quelle: [52])

Abbildung 6-2 ProJet 3510 HDPlus (Quelle: [51])

Abbildung 7-1 CAD-Zeichnung (Halbschnitt) drehbarer Becher

Abbildung 7-2 Drehbarer Becher, gedruckt auf Objet Eden350

Abbildung 7-3 Drehbarer Becher, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 7-4 CAD-Zeichnung Endloskette

Abbildung 7-5 Endloskette, gedruckt auf Objet Eden350

Abbildung 7-6 Endloskette, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 7-7 CAD-Zeichnung Filigrane Felge

Abbildung 7-8 filigrane Felge, gedruckt auf Objet Eden350

Abbildung 7-9 filigrane Felge, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 7-10 CAD-Zeichnung Kreis-Gitter

Abbildung 7-11 Kreis-Gitter, gedruckt auf Objet Eden350

Abbildung 7-12 Kreis-Gitter, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 7-13 CAD-Zeichnung Quadrate-Gitter

Abbildung 7-14 Quadrate-Gitter, gedruckt auf Objet Eden350

Abbildung 7-15 Quadrate-Gitter, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 7-16 CAD-Zeichnung Rauten-Gitter

Abbildung 7-17 Rauten-Gitter, gedruckt auf Objet Eden350

Abbildung 7-18 Rauten-Gitter, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 7-19 CAD-Zeichnung Spalten-Gitter

Abbildung 7-20 Spalten-Gitter, gedruckt auf Objet Eden350

Abbildung 7-21 Spalten-Gitter, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 8-1 schematische Darstellung des Bauraums der ProJet 3510 HDPlus (links) und der Objet Eden350 (rechts), hervorzuheben sind die Druckkopf-Pfade, in die der Bauraum der Objet eingeteilt ist (Quelle: 4D Concepts)

Abbildung 8-2 Digitalmikroskop-Aufnahme Kreise-Gitter, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus, Solldurchmesser 200 μm

Abbildung 8-3 Digitalmikroskop-Aufnahme Kreise-Gitter, gedruckt auf Objet Eden350, Solldurchmesser 400 μm

Abbildung 8-4 Digitalmikroskop-Aufnahme Rauten-Gitter, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus, Soll-Seitenlänge 500 μm, Soll-Innenwinkel 90°

Abbildung 8-5 Digitalmikroskop-Aufnahme Rauten-Gitter, gedruckt auf Objet Eden350, Soll-Seitenlänge 500 μm, Soll-Innenwinkel 90°

Abbildung 8-6 Digitalmikroskop-Aufnahme Spalten-Gitter, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus, Soll-Spaltmaß 300 μm

Abbildung 8-7 Digitalmikroskop-Aufnahme Spalten-Gitter, gedruckt auf Objet Eden350, Soll-Spaltmaß 400 μm

Abbildung 8-8 Digitalmikroskop-Aufnahme "EOE"-Schriftzug drehbarer Becher, gedruckt auf ProJet 3510 HDPlus

Abbildung 8-9 Digitalmikroskop-Aufnahme "EOE"-Schriftzug drehbarer Becher, gedruckt auf Objet Eden350

Tabellenverzeichnis

Tabelle 8-1 Materialverbrauch Objet Eden350 und ProJet 3510 HDPlus (Quelle: 4D Concepts)

Tabelle 8-2 Materialkosten (netto) Objet Eden350 und ProJet 3510 HDPlus (Quelle: 4D Concepts)

Tabelle 8-3 Druckzeit Objet Eden350 und ProJet 3510 HDPlus (Quelle: 4D Concepts)

Tabelle 12-1 Objet-Verbrauchsmaterialien (Quelle: RTC Rapid Technologies)

Tabelle 12-2 ProJet-Verbrauchsmaterialien (Quelle: 4D Concepts)

1.Einleitung

Die generativen Fertigungsverfahren, auch unter den Begriffen Rapid Prototyping, Rapid-Technologien, 3D-Drucken oder auch additive Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) bekannt, ermöglichen die Herstellung von enorm leistungsfähigen High-Tech-Bauteilen Schicht für Schicht, wie z. B. Einspritzdüsen für den Antrieb der NASA-Trägerrakete Space Launch System, welche beim Test Ende August 2013 gleich den zehnfachen des erwarteten Schubes erzeugten. Der Grund für diese enorme Leistungssteigerung: die generative Fertigung kehrt traditionelle Produktionsverfahren einfach um: mit Hilfe dieser Technologie werden Bauteile nicht mehr subtraktiv, also durch Entfernung von Material, wie dies z. B. beim Bohren, Fräsen oder Drehen geschieht, sondern additiv durch schichtweises Verschmelzen von Metall- oder Kunststoffpulver gefertigt. Im Gegensatz zu klassischen Fertigungsverfahren, bei denen mitunter bis zu 98 % eines Rohlings als Späne verloren geht, fällt bei generativ hergestellten Bauteilen praktisch kein Abfall an. [1]

Was aber noch wichtiger ist: die generative Fertigung erlaubt durch diesen schichtweisen Aufbau die Herstellung höchst komplexer Strukturen, die gleichzeitig extrem leicht, aber auch stabil sein können. Auf diese Weise ermöglicht sie ein hohes Maß an Designfreiheit, Funktionsoptimierung und -integration; überdies können kleine Losgrößen zu angemessenen Stückkosten produziert und Produkte sogar in der Serienfertigung stark individualisiert werden. [2]

Die generative Fertigung zeigt also dort ihre Stärken, wo konventionelle Fertigungsverfahren bisher an ihre Grenzen stoßen. Sie setzt nämlich an den Stellen an, wo Konstruktion, Design und Fertigung eines Bauteils neu durchdacht werden müssen, um auf neue Lösungen zu kommen. Sie ermöglicht somit einen vom Design getriebenen Herstellungsprozess, bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt – und nicht umgekehrt. [2]

1.1 Begriffsabgrenzung

Im Zusammenhang mit dieser neuartigen Form des „dreidimensionalen Druckens“ ist im Moment eine große Bandbreite an unterschiedlichen Bezeichnungen in Gebrauch. Zu Beginn dieser Abschlussarbeit sollen deshalb erst einmal die am häufigsten verwendeten Begriffe voneinander abgegrenzt werden.

Mit dem Begriff generative Fertigungsverfahren bezeichnet GEBHARDT [3] alle Fertigungsverfahren, welche „Bauteile durch Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen (Voxel‘n) vorzugsweise schichtweise, automatisiert herstellen“. [3]

Additive manufacturing (AM) ist dagegen das englische Pendant zum deutschen Begriff generative Fertigungsverfahren. Beide Bezeichnungen sind in Deutschland und in den USA genormt. Die deutsche Übersetzung des englischen Begriffs „additive Fertigungsverfahren“ ist dagegen in Normen weniger gebräuchlich. [3] Dies liegt vor allem daran, dass dieser Begriff im Deutschen mit anderen Verfahren wie der „Elektrophorese“ (Transport von kolloidalen Teilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes) belegt ist. [4]

Der Name 3D Printing, welcher im Deutschen als „3D-Drucken“ übersetzt wurde, ist ungeachtet dessen momentan im Begriff, alle anderen Bezeichnungen zu verdrängen. Dies liegt vermutlich vor allem daran, dass der Begriff dreidimensionales Drucken Außenstehenden sehr einfach zu vermitteln ist. [3]

GEBHARDT [3] geht entsprechend davon aus, dass, ungeachtet gültiger Normen, der Begriff 3D-Drucken in wenigen Jahren die generische Bezeichnung für alle automatisierten Schichtbauverfahren und die Bezeichnung 3D-Drucker bzw. 3D Printer weltweit akzeptiert sein wird. [3]

Da dies jedoch die Gefahr birgt, den Begriff 3D-Drucken als generischen Begriff mit dem gleichnamigen Pulver-Binder-Verfahren 3D Printing (3DP), auf welches später genauer eingegangen wird, zu verwechseln, wird in dieser Abschlussarbeit, ähnlich wie bei GEBHARDT [3], hauptsächlich der Begriff generative Fertigungsverfahren verwendet.

Darüber hinaus beschreibt laut BREUNINGER et al. [4] der Begriff Rapid Prototyping (RP) diejenigen generativen Verfahren, welche in Verbindung mit der Herstellung von Prototypen eingesetzt werden. Dieser Begriff stammt noch aus der Vergangenheit und wird umgangssprachlich weiterhin für generative Fertigungstechnologien verwendet, obwohl diese mittlerweile weitaus mehr als nur Prototypen herstellen können. [4]

Der Begriff Rapid Manufacturing (RM) wurde deshalb aus dem Begriff Rapid Prototyping abgeleitet, um die beiden Verfahren voneinander abzugrenzen; RP steht weiterhin für die Verwendung des 3D-Drucks für den Prototypenbau, RM dagegen für die Verwendung zur Herstellung eines Produktes. [4]

Um diese Unterscheidung nicht vornehmen zu müssen, werden auch diese Begriffe in dieser Arbeit so weit wie möglich vermieden.

1.2 Vorstellung des Labors Energieökologie

Diese Bachelor Thesis wurde in Zusammenarbeit mit den Laboratorien des Studiengangs Energieökologie (EOE) der Hochschule Heilbronn erstellt. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, dessen Strukturen und Tätigkeiten im Vorfeld dieser Arbeit kurz zu erläutern:

Der relativ junge Studiengang EOE wurde erst im Jahre 2011 im hohenlohischen Künzelsau am Campus der Reinhold-Würth-Hochschule, welche eine Außenstelle der Hochschule Heilbronn ist, eingerichtet und ist dort dem Bereich Technik zugeordnet (die anderen beiden Bereiche heißen Wirtschaft und Informatik). Dessen speziell auf die Anforderungen der Industrie abgestimmtes Studienprogramm erlaubt Studierenden den Umgang mit modernsten und innovativen Technologien. Damit besitzen diese die idealen Voraussetzungen für den Berufseinstieg in den industriellen Tätigkeitsfeldern Forschung und Entwicklung oder auch Applikation und Service. Absolventen dieses siebensemestrigen Studiengangs wird der Titel Bachelor of Science (B. Sc.) verliehen. [5]

Der Begriff „Energieökologie“ selbst ist ein Kunstwort und beschreibt die Lehre von der sinnvollen Nutzung verschiedener Energieformen, welche bisher wenig oder gar keine Beachtung fanden. Ziel der Lehre ist die nachhaltige Reduktion des weltweiten Gesamtenergiebedarfs. [6] Der Studiengang EOE beschäftigt sich dazu mit Themen der Energieeffizienz und energieautarker Systeme, d. h. intelligenten Produkten, die ihre zum Betrieb notwendige Energie aus der direkten Umgebung gewinnen (z. B. Wärme, Vibrationen, Licht). [7]

Weiterhin vereint die Energieökologie als interdisziplinärer Studiengang insgesamt die Fachgebiete Elektrotechnik und Energietechnik mit dem innovativen Fachbereich der Mikroenergiegewinnung. [8]

Als Leiter der Labore energieautarke Sensoren und Aktoren sowie Mikroenergiegewinnung und -speicherung des Studiengangs EOE fungiert bei der Erstellung dieser Bachelor Thesis Herr Prof. Dr.-Ing. Ingo Kühne, welcher als Professor für Mikrosystemtechnik verschiedene Projektlabore und Vorlesungen an der Reinhold-Würth-Hochschule leitet und gleichzeitig auch die wissenschaftliche Betreuung dieser Bachelor Thesis übernimmt.

1.3 Ziel der Arbeit

Für den Aufbau des Labors „Technologien der Mikroenergiegewinnung“ im Studiengang EOE ermöglicht die Reinhold-Würth-Stiftung, welche die Reinhold-Würth-Hochschule großzügig finanziell unterstützt, die Beschaffung eines hochauflösendes 3D-Drucker-Komplettsystems für kunststoffbasierte, funktionelle Prototypen. Der 3D-Drucker soll dabei dem Zweck der Forschung und Entwicklung von kleinen Komponenten, wie z. B. miniaturisierten, mechatronischen oder mikrofluidischen Bauteilen, dienen.

Ziel dieser Bachelor Thesis ist es, Herrn Prof. Dr. Kühne und seine Mitarbeiter bei der Auswahl dieser generativen Fertigungsanlage zu unterstützen. Zu diesem Zweck sollen in dieser Arbeit die momentan gängigsten generativen Fertigungsverfahren dargestellt, verschiedene Hersteller und Angebote miteinander in Hinsicht auf die Anforderungen des Studiengangs EOE verglichen werden sowie die Eigenschaften der auf diesen Anlagen generativ hergestellten Bauteile untersucht werden. Da sich die EOE-Labore hauptsächlich mit der Herstellung von Prototypen für die Mikroenergiegewinnung beschäftigen, beschränkt sich die Auswahl der in dieser Arbeit dargestellten Verfahren auf solche, mit denen kleine Bauteile aus dem Zielwerkstoff Kunststoff hergestellt werden können. Generative Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus anderen Werkstoffen, wie z. B. Metall oder Keramik, werden deshalb aus der Betrachtung ausgeschlossen.

1.4 Gang der Untersuchung

Der Aufbau dieser Bachelor Thesis gestaltet sich folgendermaßen: zu allererst werden die Vor- und Nachteile der generativen Fertigungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren dargestellt, und zwar in Hinsicht auf Komplexität von Geometrien und Bauelementen, notwendige Werkzeuge, Fertigungsgeschwindigkeit, darstellbare Genauigkeit, notwendige Programmierung sowie zuletzt Individualisierung der Bauteile. Als Vergleich dienen dabei CNC (Computerized Numerical Control)-Fertigungsverfahren; mit dem Urformverfahren Spritzgießen sind zwar ebenfalls Kunststoffbauteile mit sehr vielen komplexen Geometrien herstellbar, da jedoch die Konturen der beim Spritzgießen verwendeten Gussformen meist mithilfe von CNC-Werkzeugmaschinen hergestellt werden, wird davon abgesehen, dieses Verfahren als Vergleichsbasis zu wählen.

Im Anschluss an dieses Kapitel wird der grundsätzliche Arbeitsablauf zur Erstellung eines Bauteils mithilfe der generativen Fertigungsverfahren beschrieben: begonnen bei der Erstellung eines dreidimensionalen Volumenmodells in einem 3D-CAD (Computer Aided Design)-Programm mit anschließendem Export in ein für 3D-Drucker lesbares Format, über die Generierung der eigentlichen Schichtinformation (auch als Slicing bezeichnet), die Festlegung der verschiedenen, das Bauergebnis bestimmenden Prozess-Stellgrößen wie Schichtdicke und Fülldichte, bis hin zur Datenübertragung zur eigentlichen Fertigung („Ausdrucken“) eines Bauteiles. Beendet wird das Kapitel mit dem Schritt der Nachbearbeitung (post-processing), welches in der Regel nach dem Druck eines Bauteils zur Optimierung seiner Eigenschaften nötig ist.

Im darauffolgenden Abschnitt werden schließlich die momentan bedeutsamsten generativen Fertigungsverfahren eingehend dargestellt. Der besondere Fokus wird dabei auf Verfahren gelegt, mit denen Kunststoffbauteile hergestellt werden können: dies sind Fused Layer Modeling (auch Fused Deposition Modeling genannt), 3 Dimensional Printing (auch als „Pulver-Binder-Verfahren“ bezeichnet), Selektives Lasersintern, Stereolithographie sowie zuletzt das Multi-Jet Modeling (auch Poly-Jet Modeling genannt). Bei jedem dieser Verfahren werden dabei dessen grundsätzliche Prozessschritte sowie Vor- und Nachteile erklärt. Weitere wichtige generative Fertigungsverfahren, wie das Layer Laminated Manufacturing oder das Selektive Laserschmelzen (welches vor allem bei der Herstellung von Metallbauteilen Verwendung findet), werden im Anschluss daran in Kurzform dargestellt, jedoch nicht so eingehend behandelt wie die vorherigen Verfahren.

Im nächsten Kapitel werden dann die wichtigsten Hersteller generativer Fertigungsanlagen für Kunststoffbauteile auf dem Markt dargestellt. Nach einer kurzen Beschreibung des Unternehmensprofils wird die aktuelle (Stand: Frühjahr 2014) Angebotspalette der Unternehmen 3D Systems, Stratasys, Voxeljet sowie EOS erläutert und eine Einschätzung gegeben, welche ihrer Anlagen den Anforderungen der EOE-Labore entsprechen.

Aufbauend auf einer tabellarischen Übersicht mit den Eigenschaften der im vorigen Kapitel beschriebenen 3D-Drucker (basierend auf Maschinendatenblättern bzw. Anfragen an die Hersteller), wie z. B. maximales Bauvolumen, minimale Schichtstärke und Druckauflösung, wird im nächsten Abschnitt die Zahl der in Frage kommenden Anlagen weiter eingeschränkt, bis lediglich, wie sich herausstellen wird, nur noch zwei 3D-Drucksysteme übrig bleiben. Diese werden dann bezüglich ihrer Maschineneigenschaften und druckbaren Werkstoffe eingehender miteinander verglichen.

Um die „Druckergebnisse“ dieser Anlagen konkret miteinander vergleichen zu können, werden dazu anschließend Test-Bauteile, darunter eine aus mehreren Gliedern bestehende Endloskette oder eine filigrane Felge, beschrieben, welche auf diesen in die engere Wahl gekommenen Anlagen ausgedruckt und in den EOE-Laboren untersucht werden. Als Testteile fungieren dabei 3D-CAD-Volumenmodelle, die im Verlaufe dieser Arbeit in Autodesk Inventor Professional 2014 konstruiert werden.

Zuletzt werden schließlich die beiden Anlagen anhand verschiedener Eigenschaften wir Materialverbrauch, Druckzeit und Detailauflösung gegenübergestellt. Auf diese Weise werden weitere Erkenntnisse über die möglichen Potenziale dieser Anlagen gewonnen, so dass am Ende diejenige feststeht, welche den Anforderungen des Studiengangs EOE am meisten entspricht und somit Ziel einer anschließend zu tätigenden Ausschreibung werden kann.

Die erstellte tabellarische Übersicht der generativen Fertigungsanlagen, zusammen mit den entsprechenden Maschinen- und Werkstoff-Datenblättern, den CAD-Dateien der versendeten Testteile sowie Bildern der 3D-Druckergebnisse werden in einer dieser Abschlussarbeit beiliegenden CD-ROM aufgeführt.

2 Eigenschaften der generativen Fertigungsverfahren

Im Zusammenhang mit der generativen Fertigung wird immer wieder behauptet, diese werde den Produktentstehungsprozess über kurz oder lang revolutionieren. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Frage zu beantworten, welches genau die besonderen Vor- und Nachteile dieser Technologie gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren sind. Mit „herkömmlichen“ Fertigungsverfahren werden im Folgenden die in vielen Fertigungsunternehmen verwendeten Computerized Numerical Control (CNC)-Verfahren bezeichnet.

2.1 Komplexität der Geometrien

Der wohl größte Vorteil der generativen Fertigungsverfahren besteht darin, dass diese die Herstellung beinahe beliebig komplexer Geometrien und innerer Strukturen ermöglichen und so eine nahezu unbegrenzte gestalterische und konstruktive Freiheit bieten. Sogar komplizierteste Formen mit spiralförmigen Hohlkanälen und Hinterschneidungen können per 3D-Druck in Werkstoffen wie Metall, Kunststoff oder Keramik in einem Stück gefertigt werden. [9]

Soll dagegen ein Bauteil an einer CNC-Maschine in einem Stück hergestellt werden, so ist dies oft nicht möglich, und zwar aufgrund bestimmter geometrischer Eigenschaften, wie z. B. Platzmangel, welcher das Werkzeug daran hindert, an eine bestimmte Stelle am bzw. im Bauteil zu gelangen. Der Vorteil der generativen Fertigung gegenüber der CNC-Fertigung ist folglich umso größer, je höher die geometrische Komplexität eines Bauteiles ist. [10]

2.2 Komplexität der Bauelemente

Konventionell hergestellte Bauteile werden üblicherweise aus fertigungstechnischen Gründen in einzelne Teile oder Elemente, die zudem oft aus unterschiedlichen Materialien bestehen, aufgeteilt und anschließend montiert oder gefügt. GEBHARDT [3] spricht dabei von einem prozessorientierten Bauteilaufbau. [3]

Generativ hergestellte Bauteile sind hierbei ebenfalls im Vorteil: diese können nämlich aufgrund der nahezu unbegrenzten Geometriefreiheit ihrer Funktion optimal angepasst konstruiert und entsprechend aus einem Stück gefertigt werden. Etwaige Montageschritte fallen dadurch weg. Werden gedruckte Bauteile dennoch aus mehreren Elementen montiert oder gefügt, so geschieht dies in aller Regel nicht aus konstruktiven oder fertigungstechnischen Erfordernissen, sondern aufgrund der begrenzten Bauraumgröße der Fertigungsanlage oder zur Simulation der Serienmontage. GEBHARDT [3] spricht deshalb von einem funktionsorientierten Aufbau der Bauteile. [3]

Komplexe Baugruppen, die aus einer Vielzahl von niederkomplexen Einzelteilen bestehen, wie dies bei der konventionellen Fertigung häufig der Fall ist, sind also bei der generativen Fertigung eher selten anzutreffen. Stattdessen wandert die Komplexität von der Baugruppe in die Einzelteile, so dass sich Baugruppen mit eher wenigen Teilen ergeben, bei denen jedoch die Einzelteile sehr viel komplexer aufgebaut sind. [4]

Durch die erhöhte Komplexität der Einzelteile bilden sich somit neue Herausforderungen für den Konstruierenden, es ergeben sich jedoch auch neue Möglichkeiten in der Produktgestaltung bis hin zu ganz neuen Produktansätzen. [4]

2.3 Werkzeuge

Ein weiterer großer Vorteil der generativen Fertigungsverfahren ist, dass diese komplett „werkzeuglos“ arbeiten, d. h. sie benötigen während des Bauprozesses keine auf das jeweilige Bauteil abgestimmte Werkzeuge. Das „Werkzeug“, wenn man es so nennen kann, ist ein die Schicht generierendes und sie konturierendes, also formgebendes Element, das weder während der Fertigung eines Bauteils noch von Bauteil zu Bauteil gewechselt werden muss. GEBHARDT [3] bezeichnet dies deshalb als prozessorientierte Werkzeugwahl. [3]

Konventionelle Fertigungsverfahren arbeiten dagegen mit unterschiedlichen, auf die jeweilige Teilaufgabe optimal abgestimmten und gegebenenfalls dafür extra angefertigten Werkzeugen, die im Zuge des Fertigungsprozesses gegebenenfalls häufiger gewechselt oder ersetzt werden müssen. GEBHARDT [3] bezeichnet dies als produktorientierte Werkzeugwahl. [3] Die generativen Fertigungsverfahren sind also, was Werkzeuge betrifft, den klassischen Verfahren weitaus überlegen.

2.4 Baugeschwindigkeit

Ein weiterer Vorteil der generativen Fertigungsverfahren besteht darin, dass auf generativen Anlagen mehrere Bauteile gleichzeitig und in einem Schritt gefertigt werden, d. h. mehrere Teile schichtweise in einem einzigen Bauvorgang („Baujob“) aufgebaut werden können. Die Teile werden dazu entweder nebeneinander oder bei einigen Verfahren auch übereinander im Bauraum der Anlage platziert. In diesem Fall wird die Anzahl gleichzeitig herstellbarer Bauteile durch die Größe des Bauraums begrenzt. Klassische Fertigungsverfahren sind hier also klar im Nachteil: sollen mehrere unterschiedliche Teile auf einer einzigen CNC-Maschine gefertigt werden, so kann dies immer nur nacheinander (sequentiell) und nicht gleichzeitig geschehen. [11]

Weiterhin lässt sich sagen, dass eine CNC-Maschine bei einem Rohling in der Regel Material sehr viel schneller entfernen kann als gleichzeitig eine generative Anlage in der Lage ist, ein neues Bauteil mit gleichem Volumen zu erstellen. Letztere ist jedoch in der Lage, vorausgesetzt der Bauraum ist ausreichend groß, ein Bauteil in nur einem einzelnen Fertigungsschritt aufzubauen. Darüber hinaus benötigen CNC-Maschinen eine sehr viel komplexere Vorbereitung und Prozessplanung als generative Anlagen (z. B in Form einer Programmierung). Diese wird umso aufwendiger, je komplexer die Bauteile in ihrer Geometrie sind. Da generative Anlagen keine solch aufwendige Programmierung benötigen, weisen diese solch einen Nachteil nicht auf. [10]

Die Baugeschwindigkeit einer Maschine muss daher im Rahmen des Gesamtprozesses betrachtet werden, nicht nur in Bezug auf die physische Interaktion mit dem Bauteil-Material. Bei der CNC-Fertigung müssen nämlich Bauteile häufig innerhalb einer Maschine umgespannt oder an mehr als einer Maschine weiterbearbeitet werden. Für ein generativ hergestelltes Bauteil werden dagegen meist nur wenige Stunden Bauzeit benötigt. Diese Zeit pro Bauteil kann sogar noch weiter reduziert werden, wenn mehrere Bauteile in ein und demselben Bauraum gleichzeitig hergestellt werden. [10]

2.5 Genauigkeit

Konventionelle CNC-Fertigungsverfahren definieren den momentanen Stand der Technik. Dies bedeutet, dass bei den führenden konventionellen Werkzeug-Maschinen die für sie maschinentypischen Genauigkeiten auch den heute maximal technisch erreichbaren entsprechen. [3]

Generative Anlagen erreichen diesen Stand der Technik konventioneller Maschinen heutzutage in der Regel noch nicht, da sie in der Mehrzahl stark kalibrierabhängig sind. Optimale Ergebnisse können bei hohen Anforderungen nur dann erzielt werden, wenn das Modell zunächst angebaut wird und die resultierenden Abweichungen zur Kalibrierung der Maschine verwendet werden. Durch Erfahrung können solche Kalibrierungen im Laufe der Zeit auf ein Mindestmaß reduziert werden. [3]

Generative Fertigungsanlagen arbeiten normalerweise mit einer Auflösung von einigen zehn Mikrometern (z. B. die Projet 3510-Reihe von 3D Systems zwischen 16 und 32 μm). Häufig weisen diese Anlagen auch eine variable Auflösung entlang verschiedener Achsen auf. Typischerweise entspricht die vertikale Achse der Schichtstärke. Diese hat in der Regel eine niedrigere Genauigkeit als die beiden horizontalen Achsen der Bauebene. Die Genauigkeit wird dort von der möglichen Genauigkeit der Positionierung des Baumechanismus bestimmt. Diese hängt wiederum normalerweise von einem Fahrgetriebe und einem Motor ab. Dieser Mechanismus kann auch die minimale Größe von Bauteileigenschaften festlegen: so wird bei der Stereolithographie ein Laser als Teil des Baumechanismus eingesetzt, bei welchem Spiegel mittels Galvanometer positioniert werden. Die Genauigkeit der Galvanometer legt dabei die Größe des Bauteils fest, während der Laserstrahl-Durchmesser die minimale Wandstärke eines Bauteils bestimmt (siehe Abbildung 2-1). [10]

Die Genauigkeit von CNC-Maschinen wird dagegen hauptsächlich von der Positionier-Genauigkeit des Antriebsmotors, welche entlang aller drei Achsen praktisch gleich ist, und vom Durchmesser der rotierenden Schneidwerkzeuge bestimmt. Bestimmte Faktoren werden also von der Werkzeuggeometrie definiert, wie z. B. der minimale Radius von Innenecken. Die Wanddicken eines Bauteils können jedoch dünner sein als der Werkzeugdurchmesser, da es sich ja um einen subtraktiven Prozess handelt. In beiden Fällen sind die Details darüber hinaus abhängig von den Eigenschaften des Baumaterials. [10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1 Funktionsprinzip der Stereolithographie (Quelle: [12])

2.6 Programmierung

„Die CAD-Modelle konventionell hergestellter Bauteile werden über entsprechende Programme (NC-Module) in Bearbeitungsprogramme für Werkzeugmaschinen umgesetzt. Dabei gehen maschinenspezifische Belange in so starkem Maße ein, dass im Allgemeinen die Abarbeitung eines Programms auf derjenigen Maschine (genauer mit der Steuerung) erfolgen muss, für die es geschrieben wurde.“ GEBHARDT [3] spricht deshalb von einer maschinenabhängigen Programmierung. [3]

Die Daten zur Fertigung generativer Bauteile werden dagegen als standardisierte STL (Surface Tesselation Language)-Datenmodelle durch Exportieren aus dem CAD-Datensatz abgeleitet. Auf dieser Basis können alle heute bekannten generativen Anlagen angesteuert werden. So gelingt es, das optimale Verfahren auszuwählen, ohne dabei neuerliche Datensätze generieren zu müssen. GEBHARDT [3] spricht deshalb von einer bauteilorientierten und maschinenunabhängigen Programmierung. [3]

Ein weiterer Nachteil klassischer Fertigungsverfahren ist, dass die Programmsequenz eines an einer CNC-Maschine gefertigten Bauteils sehr komplex werden kann. Festzulegen sind dabei etwa die Auswahl der Werkzeuge, Maschinengeschwindigkeit, Näherungsposition, Winkel usw. Bei generativen Fertigungsanlagen müssen zwar auch Einstellungen wie Schichtdicke, Wandstärke, Fülldichte etc. festgelegt werden, die Bedeutung von Fehleinstellungen ist jedoch vergleichsweise gering. Sollte die dem Bauteil zugrunde liegende CAD-Datei Fehler enthalten, so wird dieses in der generativen Anlage höchstens nicht zu 100 % zufriedenstellend aufgebaut. Bei einer CNC-Maschine könnte dagegen eine falsche Programmierung zu Schäden an der Maschine führen und sogar ein Sicherheitsrisiko darstellen. [10]

2.7 Individualisierungen

„Die werkzeuglose Produktion der generativen Fertigungsverfahren bietet die Möglichkeit, weitgehend stückzahlunabhängig zu produzieren. Somit lassen sich Produkte digital individualisieren und in kleinen Stückzahlen oder als Einzelanfertigung produzieren.“ [4]

Die übliche Vorgehensweise, über die Auswahl verschiedener Komponenten beziehungsweise Konfigurationen, ein individuelles Produkt zu erzeugen, lässt sich dabei auf der digitalen Ebene über ein mit dem CAD-Programm verknüpftes Bibliothekssystem realisieren. [4]

Auch können parametrisch aufgebaute CAD-Modelle eine Möglichkeit zur Individualisierung bieten. Dabei können bestimmte Parameter in der Konstruktion freigegeben werden, welche dann beispielsweise durch Tabellenkalkulationsprogramme sehr einfach gesteuert werden können. Durch Eingabe von ermittelten Daten in dieses Programm kann dadurch die Konstruktion individuell und ohne großen konstruktiven Aufwand verändert werden. [4] Bei konventionellen Fertigungsverfahren ist dies zwar ebenfalls durch Parameterprogrammierung möglich, jedoch unterliegt die Herstellung eines CNC-Bauteils immer gewissen Einschränkungen, z. B. aufgrund fehlender Werkzeuge oder schlecht zu erreichender Konturen.

2.8 Folgerungen

„Aus diesen Ausführungen wird deutlich, dass konventionelle Bauteile bezüglich Genauigkeit, Materialeigenschaften, Reproduzierbarkeit und je nach Geometrie auch bezüglich Schnelligkeit durchaus Vorteile gegenüber generativen Verfahren besitzen können. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Geometrien relativ einfach sind. Umgekehrt folgt daraus eine der wichtigsten Forderungen für den erfolgreichen Einsatz von generativen Verfahren:“ [3]

„Generative Verfahren werden dann vorteilhaft eingesetzt, wenn die Bauteile möglichst komplex sind und sehr schnell und in nur kleinen Stückzahlen benötigt werden.“ [3]

Bei Bauteilen, die bislang noch nicht generativ hergestellt werden und die aufgrund ihrer komplexen Geometrie verhältnismäßig teuer zu fertigen sind, lohnt es sich also, eine generative Herstellung in Betracht zu ziehen. Oft können diese Bauteile beispielsweise durch das Lasersinter-Verfahren günstiger hergestellt werden. [4]

Daraus folgt also der Anspruch:

„Im Gegensatz zu anderen Technologien sollte sich die Komplexität eines generativ hergestellten Bauteils nicht nach dem Herstellungsverfahren richten, sondern nach der Funktion und dem Design des Produktes.“ [4]

Somit sind die generativen Fertigungsverfahren aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile gegenüber klassischen Verfahren ein ideales Hilfsmittel für die Forschung und Lehre des Studiengangs Energieökologie der Reinhold-Würth-Hochschule, welche sich mit der Herstellung von Prototypen für die Mikroenergiegewinnung und -speicherung befasst.

3 Ablauf des generativen Fertigungsprozesses

In diesem Teil der Arbeit wird der grundsätzliche Ablauf des generativen Fertigungsprozesses Schritt für Schritt aus Sicht des einfachen Anwenders vorgestellt und näher erläutert. HORSCH [14] beschreibt den Workflow des 3D-Druckens zur Herstellung eines einfachen Gegenstandes folgendermaßen:

„Man startet seine Konstruktionssoftware und erstellt eine Tasse anhand von Formeln, rotationssymmetrischen Linien, primitiven Grundformen, Freiformen oder einer Kombination all dieser Techniken. Danach wird das neu erstellte 3D-Modell im STL-Format exportiert und in die Slicing-Software geladen. Dort bestimmt man Schichtstärken, Drucktemperaturen und Geschwindigkeiten sowie eine Vielzahl weiterer Parameter. Das 3D-Modell wird in der Software in dünne, zweidimensionale Schichten zerlegt und in Form von Maschinencodes gespeichert. Der erzeugte Code wird nun an den 3D-Drucker übertragen. Dort wird Schicht für Schicht Material (abhängig von dem verwendeten Verfahren) aufeinander aufgetragen, bis die Form des Gegenstandes vollendet ist.“ [14]

[...]

Details

Seiten
112
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783656692546
ISBN (Buch)
9783656692621
Dateigröße
2.9 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v276371
Institution / Hochschule
Hochschule Heilbronn; Künzelsau
Note
1,3
Schlagworte
3D-Drucken generative Fertigungsverfahren 3D-Drucker generative Fertigung additive manufacturing 3D Printing Selektives Lasersintern Multi Jet Modeling Rapid Prototyping additive Fertigungsverfahren additive Fertigung

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