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Generative Fertigungsverfahren. Technologie, Design, Konstruktion

Studienarbeit 2017 40 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Formel- und Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Funktionsweise der generativen Fertigungsverfahren
2.1. Einsatzgebiete von generativen Verfahren
2.2. Generelle Funktionsweise

3. Überblick über die Fertigungsverfahren
3.1. Laminated Object Manufacturing (LOM)
3.1.1. Vorteile
3.1.2. Nachteile
3.1.3. Ausblick
3.2. Fused Deposition Modeling (FDM)
3.2.1. Vorteile
3.2.2. Nachteile
3.2.3. Ausblick
3.3. 3D-Printing (3DP)
3.3.1. Vorteile
3.3.2. Nachteile
3.3.3. Ausblick
3.4. Selektives Lasersintern (SLS)
3.4.1. Vorteile
3.4.2. Nachteile
3.4.3. Ausblick
3.5. Selective Laser Melting (SLM)
3.5.1. Vorteile
3.5.2. Nachteile
3.5.3. Ausblick
3.6. Mask Sintering (MS)
3.6.1. Vorteile
3.6.2. Nachteile
3.6.3. Ausblick
3.7. Poly-Jet Modeling (PJM)
3.7.1. Vorteile
3.7.2. Nachteile
3.7.3. Ausblick
3.8. Digital Light Processing (DLP)
3.8.1. Vorteile
3.8.2. Nachteile
3.9. Stereolithographie (SL)
3.9.1. Vorteile
3.9.2. Nachteile
3.9.3. Ausblick

4. Vorteile von generativen Fertigungsverfahren gegenüber klassischen Fertigungsverfahren

5. Ansprüche an Design und Konstruktion
5.1. Konstruktive Sichtweise
5.1.1. Generell
5.1.2. Bauteiloptimierung
5.1.3. Nachbearbeitung
5.1.4. Einsatz von Funktionselementen
5.2. Wirtschaftliche Sichtweise

6. Ausblick

Quellenverzeichnis

Bildquellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

[1] Turbine mit komplexer Geometrie

[2] Generativ gefertigte Beinprothese

[3] Einteilung generativer Verfahren

[4] Funktionsweise Laminated Object Manufacturing

[5] Funktionsweise Fused Deposition Modeling

[6] Funktionsweise 3D-Printing

[7] Funktionsweise Selektives Lasersintern

[8] Funktionsweise Selective Laser Melting

[9] Funktionsweise Mask Sintering

[1 ] Funktionsweise Poly-Jet Modeling

[1 ] Funktionsweise Digital Light Processing

[1 ] Funktionsweise Stereolithographie

[1 ] Schema einer STL-Facette und STL-Datei

[1 ] Doppel-T-Träger mit Bemaßungen

[1 ] Optimierung durch die SKO Methode. Druckverteiler: von-Mises-Vergleichsspannung

[1 ] Bauteil vor und nach CAO-Optimierung

[1 ] Zugdreieckmethode nach Mattheck

[1 ] Herstellkosten in Abhängigkeit von der Losgröße

Formel- und Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Generative Fertigungsverfahren, das ist doch nur etwas für die großen Unternehmen, die sich diese ganzen teuren Maschinen leisten können! Oder für die Freaks, die sich einen Druckerbausatz kaufen und ihn in ihrer Garage zusammenbauen! Warum können sich nicht auch die klassischen mittelständischen Unternehmen auf diese Technologie einlassen? Diese Frage habe ich mir als Maschinenbauingenieur bei einem Mittelständler auch gestellt und bin zu dem Schluss gekommen: Generative Fertigungsverfahren können von jedermann verwendet werden, von der interessierten Privatperson, die individuelle Dinge haben möchte, über kleine und mittelständische Unternehmen ohne großes Budget für teure Neuanschaffungen bis hin zu führenden Konzernen, die Pioniersarbeit leisten. Mit dieser Abhandlung sollen Personen angesprochen werden, die sich für die Technologien interessieren und diese im professionelleren privaten Umfeld oder im betrieblichen Bereich einsetzen möchten, ohne jedoch dicke Bücher über die genaue Zusammensetzung der verwendeten Materialien wälzen zu wollen oder ein dickes Budget für Industriemaschinen und Forschung haben.

Zuerst wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Fertigungsverfahren gegeben. Anschließend wird erklärt, worauf es bei der Konstruktion und Auslegung von Bauteilen ankommt, die generativ gefertigt werden und schließlich wird ein Ausblick gegeben, was wir in Zukunft von generativen Fertigungsverfahren erwarten können.

2. Funktionsweise der generativen Fertigungsverfahren

2.1. Einsatzgebiete von generativen Verfahren

„»Generieren« stammt vom lateinischen Wort »generare« ab, was so viel bedeutet wie: erzeugen, hervorbringen, umformen“ ([1], S. 11). Diese Bezeichnung wird in der Abhandlung als Überbegriff für alle Schichtbauverfahren verwendet, die von unterschiedlichen Maschinenherstellern und Dienstleistern diverse Bezeichnungen erhalten haben. Der Begriff ist auch durch die VDI-Richtlinie 3404 für diese Herstellungsverfahren belegt (vgl. [1], S. 11).

Sind bei einem Produkt bestimmte Voraussetzungen erfüllt, bietet es sich an, das Teil generativ herzustellen. Sollten mehrere der folgenden Voraussetzungen Anwendung finden, ist es sogar nahezu unmöglich das Teil konventionell zu fertigen (vgl. [1], S. 14).

Eine dieser Voraussetzungen ist die Funktionsintegration, also das Ziel, möglichst viel Funktionalität abzubilden und dabei möglichst wenige Baugruppen verwenden. Mithilfe der generativen Fertigungsverfahren ist es möglich, mehrere funktionelle Teile einer Baugruppe innerhalb eines Fertigungsschrittes herzustellen und somit die Montage zu verschlanken. Besonders gut lassen sich mit den generativen Verfahren einfache Bauteile wie Scharniergelenke oder Federn integrieren. Je nach verwendetem Material, Auslegung und Einsatzfall können selbst mit günstigsten Materialien hergestellte Teile eine extrem hohe Lebensdauer erreichen. Eine sehr praktikable Lösung kann es auch sein, günstige Normteile in eine personalisierte oder angepasste Hülle aus generativer Fertigung einzusetzen (vgl. [1], S. 14f).

Ein weiteres Einsatzgebiet für generative Fertigungsverfahren ist der Bau von komplexen Geometrien. Da dreidimensionale Strukturen, die über Freiformflächen, Hinterschnitte und Hohlräume verfügen, mit konventionellen Fertigungsverfahren nur unter großen Problemen und völlig unwirtschaftlich herstellbar sind, können hier generative Fertigungsverfahren ihren Vorteil ausspielen. Dieser besteht in der Möglichkeit, jede mit der CAD-Software erzeugbare Form, zu produzieren (vgl. [1], S. 16).

Als letzter Aspekt spielt die Individualisierung eine große Rolle, um zu generativen Fertigungsverfahren anstelle der konventionellen Fertigung zurückzugreifen. Die Kunden streben nach immer individuelleren Produkten, die Hersteller müssen allerdings auch in Massen produzieren, um die Produkte zu konkurrenzfähigen Preisen anbieten zu können. Um hier nicht in den Konflikt der gegensätzlichen Zielsetzungen zu geraten, können die Verfahren der generativen Fertigung eingesetzt werden. Hiermit kann eine sogenannte Mass Customization erreicht werden. Dabei können entweder die Kunden aktiv am Gestaltungsprozess teilhaben oder es werden Teile nach Kundenwunsch auf Basis von beispielsweise Daten aus 3D-Scans umgesetzt. Die Kundenwünsche lassen sich mithilfe der generativen Fertigungsverfahren einfach und meist ohne höhere Kosten umsetzen (vgl. [1], S. 16f).

Zu beachten ist jedoch, dass generativ gefertigte Teile auch Nachteile mit sich bringen. Vergleicht man die Teile aus generativen Fertigungsverfahren mit denen von konventionellen Verfahren, kommt es stark auf die Geometrie an. Geometrisch einfache Fräs- oder Drehteile sind dann oft günstiger und schneller herzustellen, wenn sie konventionell gefertigt werden. Weiterhin kommt hinzu, dass die erreichbare Genauigkeit von generativ gefertigten Teilen bei Weitem noch nicht an die Genauigkeit von konventionell hergestellten Teilen heranreicht und die Oberfläche je nach Ausrichtung durch die Stufenform auch deutlich rauer ist. Die mechanische Belastbarkeit von generativ gefertigten Teilen lässt sich ebenfalls bisher noch nicht mit der von konventionell gefertigten Teilen vergleichen (vgl. [1], S. 18).

Dafür kann man jedoch bei der Konstruktion von Produkten die bisher so wichtigen Normen und Regeln zurückstellen und sich mehr auf das Design konzentrieren. Die bisherigen Schritte, dass der Industriedesigner ein Produkt designt und der Konstrukteur es fertigungsgerecht umsetzt, können nun überarbeitet werden. Bei Verwendung von generativen Verfahren arbeiten Designer und Konstrukteure Hand in Hand und entwickeln einen Prototyp, welcher dann auch schon gleichzeitig ein fertiges Produkt sein kann (vgl. [1], S. 19).

2.2. Generelle Funktionsweise

Mittlerweile gibt es sehr viele unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Produkten mittels generativer Fertigungstechniken. Diese haben allerdings alle die Gemeinsamkeit der schichtweisen Erstellung der Modelle. Sie unterscheiden sich darin, wie die Schichten verfestigt werden und welches Material verwendet werden kann. Die unterschiedlichen Verfahren können jedoch in Unterkategorien eingeteilt werden (Abb. 3) (vgl. [1], S. 25).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[3] Einteilung generativer Verfahren

3. Überblick über die Fertigungsverfahren

3.1. Laminated Object Manufacturing (LOM)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[4] Funktionsweise Laminated Object Manufacturing

Beim Laminated Object Manufacturing werden Folien schichtweise aufeinander laminiert. Anschließend werden nach dem Auflaminieren jeder einzelnen Schicht die Konturen um das Objekt mittels Laser; Messer oder manchmal auch Heißdraht ausgeschnitten. Das Material, welches das Objekt umgibt, wird ebenfalls zertrennt, um das Produkt nach dem Fertigungsprozess vom ungebundenen Restmaterial entfernen zu können (vgl. [1], S. 36).

3.1.1. Vorteile

- Die Baugeschwindigkeit ist in der Regel nicht abhängig von der Größe des Produktes, was gerade bei größeren Teilen eine schnelle Herstellung ermöglicht.
- Die fertigen Teile haben wegen der schichtweisen Herstellung durch Laminieren kaum innere Spannungen.

(vgl. [1], S. 36)

3.1.2. Nachteile

- Die mechanischen Eigenschaften sind stark von der Baurichtung abhängig.
- In Z-Richtung ist es kaum möglich, dünne Wandstärken herzustellen
- Das umliegende Restmaterial ist je nach Geometrie des Objekts schwer zu entfernen und lässt sich auch nicht mehr wiederverwenden.

(vgl. [1], S. 37)

3.1.3. Ausblick

Da das Verfahren in der Praxis selten Anwendung findet, wird auch in die Weiterentwicklung nur wenig investiert (vgl. [1], S. 37).

3.2. Fused Deposition Modeling (FDM)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[ 5 ] Funktionsweise Fused Deposition Modeling

Beim Fused Deposition Modeling wird mit Kunststoff oder Wachs gearbeitet, welches in drahtförmigem Ausgangszustand vorliegt. Das Material wird dann von einer beheizbaren Extrudierdüse aufgeschmolzen und verflüssigt. Die frei verfahrbare Düse baut das Modell schichtweise auf. Als Material wird am häufigsten Acrylnitrit-Butadien-Styrol (ABS) verwendet, jedoch werden auch noch Polycarbonat- (PC) und Polylactid- (PLA) Mischungen angeboten (vgl. [1], S. 32f).

3.2.1. Vorteile

- Viele Maschinen sind schon für einen vergleichsweise geringen Anschaffungspreis zu haben und daher für Unternehmen interessant, die nur einen geringen oder mittleren Bedarf an Prototypen haben und mit den Einschränkungen des Verfahrens zurechtkommen.
- Das Material und die kompakten Abmessungen der Maschinen machen einen Einsatz im Bürobereich möglich.
- Die Maschinen von HP und Stratasys bieten den Vorteil, dass Stützmaterial mit einer optionalen Waschmaschine ausgewaschen werden kann. Dadurch reduziert sich die Nacharbeit erheblich und Teile mit komplexen Geometrien lassen sich so erst richtig herstellen.

(vgl. [1], S. 33)

3.2.2. Nachteile

- Da die Extrudierdüsen einen verhältnismäßig großen Durchmesser haben, eignet sich dieses Fertigungsverfahren nicht für kleine Teile mit komplexen Strukturen. Insbesondere in Z-Richtung entstehen dadurch Ungenauigkeiten und eine schlechtere Oberflächenqualität.
- Die Oberflächennachbehandlung ist aufwendig. Es besteht die Möglichkeit, bei ABS-Teilen die Oberfläche mit Hilfe von Aceton zu bedampfen und anzulösen, um sie zu glätten.
- Die Materialkosten sind im Vergleich zu anderen Verfahren recht hoch, beispielsweise das Vierfache im Vergleich zum Selektiven Lasersintern.

(vgl. [1], S. 33)

3.2.3. Ausblick

Es gibt nicht nur Maschinen für den professionellen Einsatz, sondern auch besonders viele Maschinen für den Einsatz in Büro und Lehre oder auch für Heimanwender. Daher ist diese Form der generativen Fertigung auch in der Zukunft wohl besonders interessant für kleine Unternehmen und Privatpersonen. Durch die große Konkurrenz entsteht in diesem Segment auch ein Preisdruck, der die Geräte immer kompakter und günstiger werden lässt. Dies führt so weit, dass für Privatanwender auch Bausätze angeboten werden.

3.3. 3D-Printing (3DP)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[ 6 ] Funktionsweise 3D-Printing

Das Ausgangsmaterial liegt hierbei in Pulverform vor. Dies kann beispielsweise Zellulose, Keramik, Kunststoff, Gips oder auch Metall sein. Das Pulver wird dann von einer Walze schichtweise auf der Bauplattform verteilt und mithilfe eines Binders aus einem Druckkopf selektiv verklebt. Im nächsten Schritt wird die Plattform um eine Schichtstärke abgesenkt und die nächste Pulverschicht aufgetragen. Wird ein herkömmlicher Tintenstrahl-Druckkopf verwendet, ist es möglich, auch vollfarbige Modelle zu drucken. Der Druckkopf trägt dann ein Binder-Farb-Gemisch auf. Sollen die Produkte mechanisch belastbar sein, wird es notwendig, die Teile nach dem Herstellungsprozess mit Epoxidharz oder Klebstoff zu behandeln (vgl. [1], S. 29).

3.3.1. Vorteile

- Durch den Einsatz von farbigen Bindern können vollfarbige Modelle gedruckt werden.
- Eine Wiederverwertung des restlichen Pulvers ist gut möglich.
- Das Verfahren steht für einen sehr schnellen Bauprozess, da die Druckköpfe technologisch ausgereift sind.
- Es werden keine Stützstrukturen benötigt.

(vgl. [1], S. 29)

3.3.2. Nachteile

- Beim Fertigungsprozess entsteht eine raue Oberfläche bedingt durch die Korngröße des Pulvers.
- Die Bauteile sind unbehandelt sehr brüchig und instabil und können bereits beim Entfernen der Druckrückstände beschädigt werden. Daher müssen sie mithilfe von Harz oder anderen Kunststoffen aufwendig behandelt werden.

(vgl. [1], S. 29)

3.3.3. Ausblick

Aktuell wird das Verfahren hauptsächlich für Anschauungsmodelle und Rapid-Tooling-Gussformen eingesetzt. Jedoch steigt die Nachfrage nach diesem Fertigungsverfahren in der Medizintechnik, wo die Modelle beispielsweise als Grünlinge für Implantate eingesetzt werden können. Daher laufen im Bereich des 3D-Printing mit Keramik Entwicklungs- und Forschungsarbeiten (vgl. [1], S. 29f).

3.4. Selektives Lasersintern (SLS)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[ 7 ] Funktionsweise Selektives Lasersintern

Dieses Verfahren ähnelt dem des 3D-Printing, wobei das Pulver jedoch über einen Laser verschmolzen und nicht mit einem Binder verklebt wird. Das restliche, unverschmolzene Pulver kann größtenteils wiederverwendet werden, da es nur als Stützmaterial während des Fertigungsprozesses benötigt wird. Beim Selektiven Lasersintern können viele verschiedene Materialien zum Einsatz kommen, zum Beispiel Polyamid (PA), Polystyrol (PS) und Polyetheretherketon (PEEK). Weiterhin ist inzwischen auch die Verwendung von glas- und kohlefaserverstärkten Kunststoffen möglich, wobei die Fasern hier jedoch kürzer sind, als bei konventionell hergestellten Werkstoffen. Dies bewirkt schlechtere mechanische Eigenschaften senkrecht zu den Schichten. Der Fertigungsprozess wird gewöhnlich unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, um den Alterungsvorgang des Pulvers zu kompensieren (vgl. [1], S. 30).

3.4.1. Vorteile

- Es sind sehr viele verschiedene Kunststoffe einsetzbar.
- Die mechanische Belastbarkeit der Produkte erreicht zurzeit im Vergleich mit den anderen Verfahren die höchsten Werte. Das restliche Material kann wiederverwendet werden und Stützstrukturen sind nicht notwendig.
- Es kann das komplette Volumen des Bauraumes ausgenutzt werden. Dabei können sich auch die projizierten Grundflächen der Einzelteile überschneiden.
- Das Material ist im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren sehr günstig.

(vgl. [1], S. 30f)

3.4.2. Nachteile

- Beim Fertigungsprozess entsteht eine raue Oberfläche bedingt durch die Korngröße des Pulvers.
- Durch verfestigtes und verklebtes Restmaterial im direkten Umfeld der Geometrie kann unter Umständen ein sehr hoher Reinigungsaufwand entstehen. Dies wird insbesondere bei Hohlräumen und langen, dünnen Kanälen spürbar.
- Je nach verwendetem Rohmaterial können beim Fertigungsprozess giftige Gase entstehen.
- Der Anschaffungspreis der Maschinen ist sehr hoch. Dadurch ist eine wirtschaftliche Auslastung nur möglich, wenn der Bauraum stets voll ausgenutzt wird.

(vgl. [1], S. 31)

[...]

Details

Seiten
40
Jahr
2017
ISBN (eBook)
9783668425880
ISBN (Buch)
9783668425897
Dateigröße
1.3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v357226
Note
Schlagworte
Generative Fertigungsverfahren Additive Fertigungsverfahren 3D-Druck Selektives Lasersintern

Autor

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Titel: Generative Fertigungsverfahren. Technologie, Design, Konstruktion