Entwicklung eines modularen 3D-Druckers. Generative Fertigungsverfahren

Inhaltsverzeichnis

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

TABELLENVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

1 MOTIVATION UND VORGEHENSWEISE

1.1 Motivation
1.2 Ziel der Arbeit
1.3 Vorgehensweise

2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2.1 Klassische Fertigungsverfahren
2.2 Generative Fertigungsverfahren
2.3 Verbreitete Druckmethoden unter Verwendung von Polymer
2.3.1 Stereolithografie
2.3.2 Fused Deposition Modeling
2.4 Gängige Materialien des Fused Deposition Modeling
2.5 Modularbauweise
2.5.1 Grundidee
2.5.2 Vorteile
2.5.3 Abgrenzung der Thematik zum vorliegenden 3D-Drucker-Projekt

3 ENTWICKLUNGSPROZESS NACH VDI 2221
3.1 Klären und präzisieren der Aufgabenstellung
3.1.1 Hauptaufgabe
3.1.2 Anforderungsliste
3.2 Ermittlung von Funktionen und Strukturen des 3D-Druckers
3.2.1 Teilfunktionen
3.2.2 Funktionsstrukturen
3.3 Lösungsprinzipien
3.3.1 Morphologischer Kasten
3.3.2 Konzept 1
3.3.3 Konzept 2
3.3.4 Konzept 3
3.3.5 Konzept 4
3.3.6 Auswertung .
3.4 Produktmodellierung
3.4.1 Gliederung in realisierbare Module
3.4.2 Erstellung eines groben Modells (Prototyp)
3.5 Gestaltung der maßgebenden Module
3.5.1 Modul A
3.5.2 Modul B
3.5.3 Modul C
3.5.4 Modul D
3.5.5 Modul E
3.6 Gestaltung des gesamten Druckers
3.6.1 Feingestaltung
3.6.2 Drucker aufgebaut
3.6.3 Drucker zusammengebaut
3.6.4 Gestaltungsrichtlinien
3.7 Montageanleitung..

4 FAZIT

5 AUSSICHT

6 LITERATUR

7 ANHANG
7.1 Stückliste des Druckers.
7.2 Technische Zeichnungen Modul A
7.3 Technische Zeichnungen Modul B
7.4 Technische Zeichnungen Modul C
7.5 Technische Zeichnungen Modul D
7.6 Technische Zeichnungen Modul

Abstract

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In dieser Arbeit wird das klassische Konzept eines 3D-Druckers der das FDM - Verfahren nutzt, in eine modulare Struktur überführt. Auf Basis der VDI Richtlinie 2221 wird ein Modell konzipiert, das bis auf wenige elektronische Komponenten vollständig einsatzbereit ist. Innerhalb des Entwicklungsprozesses werden dabei vier verschiedene Konzepte aufgestellt und mit einer Nutzwertanalyse verglichen. Anschließend wird das Konzept mit dem höchsten Nutzwert in ein CAD-Modell umgewandelt und in der Feingestaltung ausgearbeitet. Das Resultat der Arbeit bildet ein 3D-Drucker, der schnell auseinandergebaut werden kann und einfach zu transportieren ist. Er kombiniert dabei die jeweiligen Vorteile von sowohl der portablen als auch der modularen Produktarchitektur.

Abbildungsverzeichnis

Bild 2.1: Schraube als STL-Datei in Slicer-Software

Bild 3.1: Generelles Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren nach VDI-Richtlinie

2221 (2018)

Bild 3.2: Vereinfachte Allgemeine Funktionsstruktur eines 3D-Drucksers

Bild 3.3: Koordinatenursprung

Bild 3.4: Handskizze von Konzept 1 (einsatzbereit) .

Bild 3.5: Handskizze von Konzept 1 (transportbereit)

Bild 3.6: Handskizze von Konzept 2 (einsatzbereit) .

Bild 3.7: Handskizze von Konzept 2 (transportbereit)

Bild 3.8: Handskizze von Konzept 3 (einsatzbereit) .

Bild 3.9: Handskizze von Konzept 3 (transportbereit)

Bild 3.10: Handskizze von Konzept 4 (einsatzbereit)

Bild 3.11: Handskizze von Konzept 4 (transportbereit).

Bild 3.12: Struktogramm von Konzept 4

Bild 3.13: Rendering von CAD-Prototyp, Konzept 4 .

Bild 3.14: Modul A Gesamtansicht, vorne oben

Bild 3.15: Modul A Gesamtansicht, unten

Bild 3.16: Linearführung Druckbett von unten

Bild 3.17: Linearführung Druckbett von links

Bild 3.18: Wellenhalter vorne

Bild 3.19: Zahnradbefestigung an Wellenhalter hinten .

Bild 3.20: Wellenhalter hinten

Bild 3.21: Druckbettschlitten von unten

Bild 3.22: Modul C, unten .

Bild 3.23: Modul B, seitlich

Bild 3.24: Modul D Gesamtansicht, schräg oben..

Bild 3.25: Modul D Kugellager für Gewindestange

Bild 3.26: Modul D Durchbohrung oberes Profilelement

Bild 3.27: Modul E Zahnradhalterung

Bild 3.28: Modul E Gesamtansicht

Bild 3.29: Modul E Aluminiumprofil mit Wellen, oben

Bild 3.30: Modul E Extruderschlitten.

Bild 3.31: Prototyp Konzept 4 transportbereit

Bild 3.32: CAD-Modell Prototyp, schräg oben

Bild 3.33: Rendering von Modul A

Bild 3.34: Platzierung der Rahmenteile

Bild 3.35: Schnittansicht der Rahmenverschraubung

Bild 3.36: Standardverbinder 8 der Firma X .

Bild 3.37: Platzierung der Y-Wellen

Bild 3.38: Auflage der Y-Wellen

Bild 3.39: Platzierung von SHF8-Wellenhalter..

Bild 3.40: Nutensteine für Wellenmontage

Bild 3.41: Montage von SCS8UU .

Bild 3.42: Verbindung der Querstrebe

Bild 3.43: Platzierung der Zahnriemenklemme.

Bild 3.44: Adapterplatte

Bild 3.45: Gefederte Stellschraube für Druckbettausrichtung

Bild 3.46: Rendering des gesamten Schlittens .

Bild 3.47: Schichten der magnetischen Druckoberfläche .

Bild 3.48: Platzierung der Motorhalterung

Bild 3.49: Anbringen der Zahnradhalterung..

Bild 3.50: Verschraubung von Zahnrad für Zahnriemen

Bild 3.51: Spannen des Zahnriemens für den Y-Vorschub

Bild 3.52: Veranschaulichung der Stellfußplatzierung

Bild 3.53: Rendering von Display und Steuerungsplatine.

Bild 3.54: Elektronikplatzhalter (orange markiert) .

Bild 3.55: Platzierung der Einbaubuchse für 220V-Kaltgerätestecker

Bild 3.56: Rendering von Modul B

Bild 3.57: Angriffspunkt der Querkraft

Bild 3.58: Klemmhebelgelenk für Modul B

Bild 3.59: Bemaßung von � und � am echten Modell

Bild 3.60: Berechnungsvorlage für Profillängenberechnung von Modul B

Bild 3.61: Explosionsdarstellung von oberem Gelenk

Bild 3.62: Stützen auf Basis aufgeschraubt, zusammengeklappt .

Bild 3.63: Stützen auf Basis aufgeschraubt, aufgeklappt .

Bild 3.64: Rendering von Modul C

Bild 3.65: Verschraubung der Automatik-Verbinder .

Bild 3.66: Zentrierung durch Automatik-Verbinder

Bild 3.67: Montage von Modul C an Modul D

Bild 3.68: Rendering von Modul D

Bild 3.69: Winkelhalter von Modul

Bild 3.70: Befestigung eines Winkelhalters durch Sternschrauben und Klemmhebel

Bild 3.71: Montage von unteren SHF8-Wellenhaltern, Modul D

Bild 3.72: Montage von KFL8-Flanschlager .

Bild 3.73: Montage von unteren SHF8-Wellenhaltern, Modul D

Bild 3.74: Tatsächlicher Abstand zwischen Winkelhalter und Aluminiumprofil .

Bild 3.75: Montage von Schrittmotor (1)

Bild 3.76: Montage von Schrittmotor (2)

Bild 3.77: Montage von SCS8UU-Gleitlagern an Liftblock

Bild 3.78: Montage von Leitspindel auf Liftblock

Bild 3.79: Rendering von Modul E

Bild 3.80: Lochrasterplatte für Druckschlitten

Bild 3.81: Montage von SCS8UU-Lagerblöcken

Bild 3.82: Montage von Extruder-Bausatz

Bild 3.83: Montage von Extruder- und Induktionssensorhalterung

Bild 3.84: Montage von Zahnriemenhalter an Druckschlitten

Bild 3.85: Verschraubung von Nema17-Halterung mit linker Adapterplatte..

Bild 3.86: Befestigung von Nema17-Schrittmotor.

Bild 3.87: Montage der Zahnradhalterung an rechter Adapterplatte .

Bild 3.88: Aufbau der Zahnradhalterung

Bild 3.89: Montage der beiden SHF8 an linker Adapterplatte

Bild 3.90: Montage der beiden SHF8 an rechter Adapterplatte

Bild 3.91: Bemaßung der benötigten Wellenlänge: Druckbettbreite .

Bild 3.92: Bemaßung der benötigten Wellenlänge: linker Sicherheitsabstand .

Bild 3.93: Bemaßung der benötigten Wellenlänge: rechter Sicherheitsabstand

Bild 3.94: Befestigung von Zahnriemen mit Schlitten

Bild 3.95: Verbindung von Modul E mit Liftblock des Moduls D

Bild 3.96: Endschalter

Bild 3.97: Montage von Y-Endschalter an Rahmen

Bild 3.98: Montage von Y- bzw. X-Endschalter auf Winkel

Bild 3.99: Platzierung von Auslöser des Y-Endschalters

Bild 3.100: Befestigung von Y-Endschalter an Rahmen

Bild 3.101: Auslöser für Z-Endschalter .

Bild 3.102: Platzierung von Z-Auslöser an rechtem Liftblock

Bild 3.103: Platzierung von X-Endschalter an linker Adapterplatte

Bild 3.104: Befestigung von Auslöser von X-Endschalter.

Bild 3.105: Abgeklappte Stützen auf Modul A

Bild 3.106: Einfügen von Anschlagpuffer außen

Bild 3.107: Befestigung Anschlagpuffer-Modul innen

Bild 3.108: Befestigung von Erde-Kabel zwischen Rahmen und Netzteil .

Bild 3.109: Platzierung von Nema17-Halterung auf rechtem Lift

Bild 3.110: Beispielhafte Montage von Extruder-Bausatz.

Bild 3.111: Bemaßung des aufgebauten Druckers

Bild 3.112: Visualisierung des maximalen Druckvolumen

Bild 3.113: Veranschaulichung des Abstandes zwischen Druckbett und Rahmen .

Bild 3.114: Maximaler Überhang des Druckschlittens über der Rahmenkante

Bild 3.115: Drucker auseinandergebaut mit Druckvolumen auf der linken Seite

Bild 3.116: Sicherheitsabstand oberhalb des Druckbettes .

Bild 3.117: Auseinandergebauter Drucker im Transportkoffer

Bild 3.118: Übersicht aller Module

Bild 3.119: (De-)Montage Schritt 1 .

Bild 3.120: (De-)Montage Schritt 2.1

Bild 3.121: (De-)Montage Schritt 2.2

Bild 3.122: (De-)Montage Schritt 3 .

Bild 3.123: (De-)Montage Schritt 4 .

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Anforderungsliste .

Tabelle 2: Morphologischer Kasten für die Teilfunktionen des Druckers

Tabelle 3: Übersicht verwendeter Lösungsansätze der Konzepte

Tabelle 4: Liste der Merkmale für die Konzeptbewertung

Tabelle 5: Paarweiser Vergleich der Konzeptmerkmale

Tabelle 6: Nutzwertanalyse der vier Konzepte .

Tabelle 7: Bestandteile des Druckschlittens

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Motivation und Vorgehensweise

1.1 Motivation

Die Anzahl an Verfahren der generativen Fertigungstechnik ist in den letzten Jahrzehnten stark angestiegen. Für fast alle Unternehmen aus der Entwicklung ist es derzeit selbstverständlich, einen 3D-Drucker im Betrieb zu haben. Die ursprünglich kostspieligen Technologien konnten sich durch den aus ihnen entstehenden wirtschaftlichen Mehrwert schnell als Grundbaustein der modernen Industrie festsetzen. Mit der schnellen Akzeptanz auf dem freien Markt und einer großen Konkurrenz werden 3D-Drucker nun auch für immer mehr Privatpersonen finanzierbar.

Das Angebot der verschiedenen Arten von 3D-Druckern ist groß. Mit der progressiven Etablierung der Technologie werden immer neue Möglichkeiten für ihre Verwendung erforscht.

So gibt es bereits portable 3D-Drucker, die sich in Koffern verstauen oder zusammenfalten lassen, um sie flexibel und ortsunabhängig einsetzten zu können. Weiterhin werden auf dem freien Markt modulare 3D-Drucker angeboten, die beispielsweise durch einen Modultausch des Druckkopfes in eine Laser- Graviermaschine umgewandelt werden können. Der Austausch von Baugruppen dieser Modelle beschränkt sich jedoch in vielen Fällen auf einige wenige Komponenten des gesamten Druckers. Die restlichen Baugruppen sind dabei nicht für eine wiederholte (De-)Montage ausgelegt, der mühelose Transport gestaltet sich daher eher schwierig.

Gleichzeitig sind die portablen Drucker oft im Sinne der Größenminimierung so stark verbaut, dass das Wechseln von einzelnen Bauteilen zu einer zeitintensiven Angelegenheit wird. Bei der Optimierung des Platzbedarfes werden ebenfalls oft Kompromisse eingegangen, die sich am Ende negativ auf die Leistung und den Einsatzbereich des Druckers auswirken.

Es besteht daher eine Marktnische, die durch eine Kombination aus beiden der beschriebenen Erscheinungsformen abgedeckt werden könnte. Ein mobiler 3D- Drucker, der zwar schnell transportfähig gemacht werden kann, aber zeitgleich auf einer modularen Struktur aufgebaut ist und beliebig erweitert bzw. schnell repariert werden kann.

1.2 Ziel der Arbeit

In dieser Arbeit soll ein Lösungsansatz dargestellt werden, der die Idee des vorherigen Abschnittes bestmöglich verkörpert. Dafür müssen die Vorteile von sowohl modularen als auch portablen Druckern herausgestellt und in einem abschließenden Modell zusammengeführt werden. Das Ergebnis soll ein 3D-Drucker bilden, dessen Architektur sich nach der Grundauffassung der Baukastenbauweise orientiert und in einzelne Module aufgeteilt werden kann. Zusätzlich müssen durch die Entwicklung alle Funktionen abdeckt werden, die einen 3D-Drucker dem jeweiligen Verfahren entsprechend besitzen sollte.

Die abgeschlossene Konstruktion muss im Anschluss in der Lage sein, durch wenige Handgriffe signifikant verkleinert zu werden, um erleichterte Transportbedingungen zu schaffen. Die Rückverwandlung in das einsatzfähige Produkt muss mit identischem Aufwand möglich sein.

1.3 Vorgehensweise

Diese Arbeit setzt zu Beginn ein allgemeines Verständnis der generativen Fertigungsverfahren voraus. Daher werden nach einer Einführung in die grundlegende Thematik der relevanten Fertigungsverfahren die zwei gängigsten 3D-Druckvarianten dargestellt und auf ihre Eignung bezüglich dieser Entwicklung evaluiert. Selbiges Vorgehen wird für das benötigte Druck-Filament im darauffolgenden Kapitel angewandt.

Da das Endprodukt entsprechend der modularen Bauweise entworfen werden soll, werden im weiteren Verlauf die Grundregeln der Modularisierung und die damit verbundenen Vorteile dargestellt.

Die eigentliche Entwicklung des modularen 3D-Druckers wird entsprechend der VDI- Richtlinie 2221 des Verein Deutscher Ingenieure (VDI) durchgeführt. Sie teilt sich in acht Schritte auf, die strukturiert abgearbeitet werden.

Zu Beginn werden alle für die Entwicklung benötigten Anforderungen in einer Anforderungsliste dokumentiert du definiert. Im Anschluss können Funktionsmodelle erstellt werden, indem die Gesamt- und Teilfunktionen des Druckers erfasst und mit Hilfe einer Allgemeinen Funktionsstruktur visualisiert werden.

Für die Teilfunktionen werden in einem morphologischen Kasten Lösungsansätze gesammelt und im Anschluss vier Druckerkonzepte aufgestellt.

Eine Nutzwertanalyse liefert daraufhin das nutzwertmaximierende Konzept, welches daraufhin in eine modulare Struktur aufgeteilt und in der Gesamtgestaltung ausgearbeitet wird. Die gesamte Dokumentation des Entwicklungsprozesses wird dabei mit passenden Visualisierungen aus einer CAD-Software unterstützt.

Die finale Darstellung des gesamten 3D-Druckers erfolgt sowohl im Einsatz- als auch im transportfähigen Zustand. Sie wird durch eine Aufbauanleitung unterstützt, welche die (De-)Montage für den Endnutzer veranschaulicht.

Am Ende der Arbeit wird eine kritische Stellungnahme zum Entwicklungsprozess durchgeführt und weiter Verbesserungspotenziale mit Zukunftsaussichten für den Drucker erläutert.

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Klassische Fertigungsverfahren

Zum Ende des 20. Jahrhunderts wurden die klassischen Fertigungsverfahren um eine weitere Kategorie ergänzt. Die Entwicklung dieses dritten Typs der Fertigungs- verfahren ist auf seine Vorteile gegenüber den zuvor etablierten Verfahren zurückzuführen. Der klassische Ansatz der Bearbeitung eines Werkstückes beginnt mit einem Halbzeug, welches durch spanende und nicht-spanende Fertigungs- verfahren in seine dafür vorhergesehene, endgültige Form gebracht wird.

Bei spanenden (subtraktive) Fertigungsverfahren ist überwiegend von Prozessen die Rede, bei denen Material von dem Halbzeug entfernt wird. Das Schleifen, Bohren und Fräsen sind Teil des Substractive Manufacturing (SM).

Die nicht-spanenden Fertigungsverfahren oder auch Formative Shaping (FS) genannt, verformen das Werkstück, ohne dass dabei Material abgetragen wird. Hier können das Gießen, Pressen und Biegen als Anwendungsbeispiele genannt werden.

Abhängig von der Komplexität des Werkstückes, müssen von den klassischen Fertigungsverfahren viele verschiedene hintereinander angewendet werden. Dieser Prozess ist sehr zeitaufwendig und produziert oft viel Verschleiß an den verwendeten Maschinen und ihren Werkzeugen. Bei einem Produktentwicklungsprozess kommen zusätzlich noch Fixkosten hinzu, die sich bei geringer Stückzahl (Extrem: Prototyp) stark auf die Stückkosten auswirken (Skaleneffekt).

Die formativen und subtraktiven Fertigungen sind als Verarbeitungsverfahren unabdingbar, rentieren sich jedoch erst ab großer Stückzahl auch im wirtschaftlichen Sinne.

Während des Optimierungsprozesses in der Entwicklungsphase kann sich ein Produkt ständig verändern. Das Anfertigen spezieller Formen und Werkzeuge für diese kurzlebigen Konzepte kostet sowohl Zeit, Geld als auch Ressourcen und ab der nächsten Iteration werden sie nicht mehr verwendet.

Für die Entwicklung von diesen kurzlebigen Prototypen wird daher oft Gebrauch von einer weiteren Kategorie der Fertigungsverfahren gemacht. Gemeint sind die Generativen Fertigungsverfahren.

2.2 Generative Fertigungsverfahren

Die Liste der verschiedenen generativen Fertigungsverfahren ist lang, lässt sich jedoch auf ein gemeinsames und entscheidendes Merkmal zurückführen: Der Aufbau des Bauteils mithilfe des Schichtbauverfahren. Durch das Anwenden dieser Vorgehensweise können geometrisch komplexe Formen gefertigt werden, die mit den traditionellen Methoden gar nicht oder nur unter großem Aufwand hergestellt werden können [16].

Bei dem Schichtbauverfahren wird ein Objekt, das durch ein rechnergestütztes Konstruktionsprogramm (CAD) erstellt wurde, in das STL-Format konvertiert. Bei STL handelt es sich um die Standard Triangulation Language, die als Standardformat für das Rapid Prototyping (RP) festgelegt wurde und von nahezu allen RP-Anwendungen gelesen werden kann. Dabei wird die Modelloberfläche einer CAD-Datei durch eine Anordnung von planaren Dreiecken beschrieben, die die Koordinaten ihrer Scheitelpunkte enthalten [16].

Mit diesen Informationen kann später für jedes Dreieck die genaue Position im Raum ermittelt werden. Je nach Notwendigkeit kann die Anzahl der Dreiecke erhöht oder verringert werden, wodurch sich die Auflösung und Qualität des Modells variieren lässt (Bild 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.1: Schraube als STL-

Datei in Slicer-Software

Um aus dem STL-Format eine Schichtstruktur zu erstellen, ist noch ein weiterer Schritt notwendig. Das Bindeglied zwischen CAD-Programm und der Generativen Fertigungsanlage ist der sogenannte 3D-Slicer. Mithilfe dieser Software wird die 3D-

Struktur der STL-Datei in einen für die Anlage verständlichen, zweidimensionalen Programmcode (G-Code) geschrieben. Zusätzlich hat der Konstrukteur an dieser Stelle die Möglichkeit, verschiedene Variablen wie Drucktemperatur, -geschwindigkeit und die Ausrichtung des Bauteils auf dem Druckbett zu bestimmen. Die maximale bzw. minimale Schichtdicke ist dabei von dem vorliegenden Fertigungsverfahren abhängig.

2.3 Verbreitete Druckmethoden unter Verwendung von Polymer

2.3.1 Stereolithografie

Prinzipiell gibt es viele verschiedene Wege, die benötigte Schichtstruktur der generativen Verfahren aufzubauen. Die Art der verwendeten Fertigungsanlage hängt primär von dem gewünschten Rohmaterial und der zu erreichenden Oberflächenbeschaffenheit des Modells ab. Von Kunstharzen über Papier bis zu Metallpulver gibt es daher Verfahren, die sich teilweise nur geringfügig voneinander unterscheiden. Im Folgenden werden als Beispiel zwei gängige Verfahren der Additiven Fertigung (AF) kurz aufgegriffen.

Bei der Stereolithografie (SL) wird das Laser-Scanner-Verfahren angewendet, welches ein flüssiges Monomer wie Kunstharz mit hochenergetischem Licht (UV, Laser) bestrahlt. Dieser härtet durch die ausgelöste Polymerisation zu einem festen Polymer aus [12]. Das Verfahren wurde 1987 zum ersten Mal kommerziell verfügbar gemacht und gilt seither als Startschuss der Entwicklung von Rapid-Prototyping- Systemen [7].

Bei dem Verfahren befindet sich das Druckbett in einem Harzbad und kann in Z- Richtung verfahren werden. Die einzelnen Schichten werden durch einen Laser auf das Druckbett projiziert, wobei das bestrahlte Harz aushärtet und das Fundament für die nächste Schicht bildet. Dafür wird das Druckbett eine Schichtdicke tiefer in das Harz gefahren und die ausgehärtete, oberste Schicht dabei mit neuem Harz bedeckt. Durch das Wiederholen dieses Prozesses und dem Aufbau einer Stützstruktur entsteht so das plastische 3D-Objekt [20].

Die SL ermöglicht es, Teile komplett durchsichtig und in feiner Auflösung zu drucken. Grund dafür sind die geringen Schichtdicken und keine Lufteinschlüsse in den verwendeten Harzen. Nach Gebhard weisen Stereolithographiemodelle „den höchsten Detailreichtum und die besten Oberflächen aller Generativen Verfahren auf“ [7].

Mit der hohen Auflösung geht jedoch auch eine lange Bauzeit einher und eine Nachbearbeitung des Bauteils ist nach heutigem Stand der Technik unumgänglich. Nach dem Druck muss das Bauteil zuerst gereinigt und die verbliebenden Lösungsmittel entfernt werden. Lasergestützte Verfahren härten das Harz oft nicht vollständig aus, wodurch eine UV-Kammer benötigt wird, in der das Bauteil nachträglich vollständig polymerisiert werden muss [7].

2.3.2 Fused Deposition Modeling

Die Bezeichnung des „Fused Deposition Modeling“ (FDM) ist weit verbreitet, jedoch ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Stratasys Inc. Ein Äquivalent zur freien Verwendung bildet der Begriff „Fused Filament Forming“ (FFF). Der Prozess ist Teil der generativen Fertigungsverfahren und wird seit dem Jahr 1991 für kommerzielle Zwecke verwendet [7].

Dabei wird Filament (ein drahtförmiger und thermoplastischer Kunststoff) mit einem Heizelement erwärmt und durch Druck aus einer ebenfalls beheizten Düse gespritzt. Die Schmelze wird direkt auf das Bauteil aufgetragen und erstarrt dort durch eine Ableitung der Wärme an die Umgebung, woraufhin eine weitere Schicht auf das Bauteil aufgetragen werden kann [7].

Damit das obige Verfahren optimal funktioniert, werden hauptsächlich amorphe Polymere als Filamente verwendet. Diese haben den Vorteil, ihre Viskosität in Abhängigkeit der Temperatur zu senken und können als eine viskose Paste extrudiert werden. Die plastische Form des Polymers bleibt bis zur Aushärtung größtenteils erhalten und ermöglicht somit ein gezieltes Auftragen von Material an zuvor definierten Stellen [8].

3D-Drucker die nach dem FDM-Konzept arbeiten, erfreut sich besonders durch die geringen Nachbearbeitungen der gedruckten Modelle an großer Beliebtheit. Aufgebaute Stützstrukturen können je nach Slicer-Software beinahe rückstandslos entfernt werden, oder sie können bei Dual-Extruder-Varianten aus wasserlöslichem Filament gedruckt werden, welches sich anschließend durch ein Wasserbad entfernen lässt. Zusätzlich härten die Polymere sofort aus und benötigen keine Ruhephasen nach dem Druck, wodurch die Iterationszeit z.B. zwischen zwei Prototypen verkürzt werden kann [7].

Nachteile bei diesem Vorgehen sind beispielsweise die Oberflächenstruktur des gedruckten Bauteils. Es existiert ein Interessenkonflikt zwischen Druckgeschwindigkeit und Erscheinungsbild, da sich mit geringerer Schichtdicke die Auflösung von Details zwar verbessert, die Druckdauer jedoch verlängert wird.

Die Detaillierung hängt zusätzlich von dem Düsendurchmesser ab, aus dem das viskose Polymer extrudiert wird. Die runde Austrittsöffnung der Düse verhindert es zusätzlich, scharfe Kanten zu drucken [8]. FDM wird daher verstärkt für grobe Entwürfe verwendet, die keine hohe Auflösung benötigen.

Die Praktikabilität des Systems in Verbindung mit der Vielzahl an heutzutage verwendbaren Polymeren und geringen Wartungsarbeiten haben dazu geführt, den 3D-Drucker dieses Entwicklungsprozesses entsprechend des FDM auszulegen.

2.4 Gängige Materialien des Fused Deposition Modeling

Die gängigsten, für das zuvor beschriebenen Fused Deposition Modeling verwendeten Polymere, sind Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) und Poly-Lactic Acid (PLA). ABS benötigt als mehrphasiger Polymer eine Extrusionstemperatur von 220–250 Grad Celsius und ist bis 95 Grad Celsius hitzebeständig [9].

Demgegenüber steht das PLA, ein ebenfalls amorpher Polymer, dessen Herstellung jedoch auf Pflanzenbasis beruht und somit unter speziellen Bedingungen kompostierbar ist [11]. Der Schmelzpunkt liegt mit 180 Grad Celsius niedriger als der des ABS. Vorteilhaft ist, dass sich PLA beim Abkühlen nur geringfügig kontrahiert und somit keine thermisch-kontrollierte Umgebung für die Extrusion beim FDM-Prozess benötigt wird. Ein Nachteil ist die mangelnde Beständigkeit des Materials, da es unter UV-Einwirkung schnell porös wird [5]. Hier hat das ABS einen Vorteil, jedoch kann davon ausgegangen werden, dass eine Großzahl an Endprodukten die aus den Generativen Verfahren hervorgehen, als kurzlebige Prototypen oder zur Veranschaulichung eines Sachverhaltes dienen.

Das Grundmodell des in Kapitel 3 entwickelten 3D-Druckers ist daher für die

Verwendung von PLA ausgelegt.

2.5 Modularbauweise

2.5.1 Grundidee

Bei Produkten, die aus wenigen Teilfunktionen und Bauteilen bestehen, wird für deren Entwicklung in der Regel die sogenannte Komplettbauweise angewandt. Hierbei wird das Produkt ohne Funktionsbaugruppenbildung aus seinen einzelnen Bauteilen zusammengesetzt [10].

Sobald die Systeme jedoch komplexere Funktionsstrukturen aufweisen, kann der Ansatz der Baukasten- oder auch Modulbauweise eine bessere Alternative für die Entwicklung darstellen.

Das Endprodukt entspricht dabei einem Baukasten, der aus einzelnen Elementen (sog. Modulen) zusammengesetzt wird. S. Hesse beschreibt einen Baukasten als „eine Sammlung einer gewissen Anzahl verschiedener Elemente (Bausteine, Module), aus welchen sich verschiedene Erzeugnisse mit unterschiedlichen Gesamtfunktionen zusammensetzen lassen“ [10]. Diese Module sind gemäß B. Wilhelm Einheiten mit geschlossener Funktionsstruktur, die separat und unabhängig voneinander entwickelt, hergestellt und zusammengebaut werden können [15]. Weiterhin lässt sich festhalten, dass die einzelnen Module strukturell voneinander unabhängig sind und somit ein gewisses Maß an Autarkie voraussetzen. Dennoch müssen sie durch bestimmte Verbindung untereinander zusammenarbeiten, um die Gesamtfunktion des Produktes gewährleisten zu können. Die Anzahl der Schnittstellen variiert von System zu System und definiert somit unterschiedliche Erfüllungsgrade der Modularität [2].

2.5.2 Vorteile

Der obige Sachverhalt hat eine große Auswirkung auf den Produktions- und Entwicklungsprozess in allen Wirtschaftssystemen. Vor allem bei Serienproduktionen liefert die unabhängige und flexible Montage der Modulstruktur einen wirtschaftlichen Vorteil [1].

Grundliegend kann beobachtet werden, dass die Fertigung der Baukastenstruktur (im Kontrast zur ursprünglichen Komplettbauweise) in kleinere Teilbereiche zerlegt werden kann, die jeweils eines der benötigten Module anfertigen. Die durch die Modularisierung ermöglichte, parallele Herstellung und Prüfung der einzelnen Baugruppen, bewirkt in der Produktionsdurchführung Kostensenkungen durch z.B.

höhere Losgrößen. Auch die Endmontage wird entflechtet und Montagezeiten können reduziert werden.

Die Kosten für Variantenprodukte werden gesenkt, da einzelne Module einfach ausgetauscht und die varianten-differenzierenden Module mit den restlichen Baugruppen zusammengefügt werden können. Zusätzlich wird angemerkt, dass durch einen möglichen Austausch von ganzheitlichen Modulen die Reparaturfähigkeit stark verbessert wird [10].

2.5.3 Abgrenzung der Thematik zum vorliegenden 3D-Drucker-Projekt

Wie in den vorherigen Abschnitten dargestellt, kommt das volle Potenzial der modularen Bauweise erst bei großen Stückzahlen in der Serienproduktion zur Geltung. Aus der Aufgabenstellung dieser Entwicklung geht jedoch nicht eindeutig hervor, ob das Endresultat jemals in einer großen Stückzahl gefertigt werden soll.

Der Entwicklungsprozess nach Baukastenstruktur wird in dieser Arbeit dennoch vorangetrieben, da auch Einzelkonstruktionen von ihr profitieren können.

Durch die zerlegbare Modellarchitektur können Wartungsarbeiten schnell und effizient ausgeführt werden. Zeitgleich wird durch das Zerlegen in die einzelnen Baugruppen ein effizienter Platzbedarf für den Transport des Druckers sichergestellt, der laut Aufgabenstellung ermöglicht werden soll. Auch können zukünftig entwickelte Technologien als kompatible Module erfasst und so dem 3D-Drucker zugeführt werden (z.B. ein verbesserter Druckkopf, oder eine fortschrittlichere Steuerung).

Es ist ebenfalls möglich, diese verschieden Module mit dem Drucker mitzuführen, um bei Bedarf am Einsatzort auf die gewünschten Funktionen zugreifen zu können. Dabei soll der Austausch von einzelnen Baugruppen durch einen möglichst geringen Aufwand realisiert werden können.

Die folgende Entwicklung fokussiert sich daher auch auf die Autarkie der einzelnen Baugruppen und die Minimierung der benötigten Schnittstellen zwischen ihnen.

3 Entwicklungsprozess nach VDI 2221

3.1 Klären und präzisieren der Aufgabenstellung

3.1.1 Hauptaufgabe

Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit soll das Funktionskonzept des klassischen FDM-3D-Drucker in ein modulares Konzept umgesetzt werden. Die fertige Konstruktion muss portabel sein und sich durch das Zerlegen in seine unterschiedlichen Module platzsparend verstauen lassen. Die Teilfunktionen der 3D- Druck-Technologie sollen dabei erhalten bleiben und durch die modulare Struktur wiedergegeben werden.

Da die hier beauftragte Entwicklung ein modulares Konzept fordert, wird für den Konstruktionsprozess der Ansatz nach VDI Richtlinie 2221 gewählt. Im weiteren Vorgehen wird der 3D-Drucker in einzelne Module aufgeteilt. Gegenüber anderen Vorgehensmodellen wie z.B. nach Roth steht bei der VDI 2221 die Zerlegung in Teilstrukturen bereits im Vordergrund und eignet sich daher für diesen Entwicklungsprozess [19].

Die Entwicklung erfolgt im Sinne einer Neukonstruktion, da eine Anpassungs- konstruktion nur Teile eines bereits existierenden Konstruktes verändert. Im vorliegenden Fall wird signifikant in die Strukturierung und den Aufbau eines konventionellen 3D-Druckers eingegriffen, weshalb nicht von einer Anpassung auf ein bestimmtes Bedürfnis die Rede ist. Es wird lediglich ein Abgleich mit den Teilfunktionen des klassischen Konzeptes durchgeführt, um die vollständige Funktionalität der Neukonstruktion sicherstellen zu können. Für Neukonstruktionen wie diese, müssen alle Phasen des Entwicklungsprozesses neu durchlaufen werden [17]. Das Kapitel 3 arbeitet diese Stück für Stück ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.1: Generelles Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren nach VDI­ Richtlinie 2221 (2018)

Um eine Struktur in diesen Entwicklungsprozess zu bringen, wurde zuerst eine Anforderungsliste nach Roth erstellt. Sie fasst die zu erfüllenden Rahmenbedingung für die Entwicklung des 3D-Druckers zusammen und wird bei Entscheidungs- bzw. Auslegungsprozessen im weiteren Verlauf der Arbeit als Referenz angegeben. Sie kann als Orientierungspunkt im Entwicklungsfortschritt betrachtet werden und dient als Abgleich der zu erfüllenden Mindest-, Wunsch, und Festanforderungen [13].

3.1.2 Anforderungsliste

Die in Tabelle 1 dargestellte Anforderungsliste ist in Zusammenarbeit mit dem Institut für Konstruktionstechnik (IK) der Technischen Universität Braunschweig als Auftraggeber erstellt worden. Sie fungiert als Richtlinie bei Auswahlentscheidungen des fortlaufenden Konstruktionsprozesses.

Die Anforderung an das Merkmal unterscheidet sich dabei zwischen

• Festanforderung (F)

Die Werte der Merkmale müssen wie in der Anforderungsliste angegeben umgesetzt werden.

• Mindestanforderung (M)

Die tatsächlichen Eigenschaften der Merkmale müssen mindestens den in der Anforderungsliste spezifizierten Werten entsprechen, können diese jedoch auch übertreffen.

• Wunschanforderung (W)

Die Merkmale werden von dem Auftraggeber gewünscht und sollten eingehalten werden. Bei Nichterfüllung erfüllt das Produkt dennoch seine Bestimmung.

Tabelle 1: Anforderungsliste

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Konstruktion des 3D-Druckers soll die Modularisierung der Teilfunktionen an erster Stelle stehen. Da das spätere Gebrauchsbild von einem ständigen Auf- und Abbau mit Transportwegen geprägt ist, sollen die Abmaße des fertigen Produktes einer Min-Max-Strategie folgen. Dabei gilt die Gehäusegröße als zu minierende und die Druckfläche als zu maximierende Konstante. Ausschlaggebend für die Entscheidungsfindung der Maße ist stets der transportbereite Drucker. Die Größe der aufgebauten Version hat keinen Einfluss auf die Transportfähigkeit und wird daher nur als Wunschanforderung vermerkt.

Mit der Minimierung der Gesamtgröße wird auch die Größenoptimierung aller verwendeten Module vorausgesetzt. Neben deren Abmessungen soll auch auf die Konstruktionsform Acht gegeben werden, damit die einzelnen Module im zusammengebauten Zustand platzsparend und damit effizient angeordnet werden können.

Da ein FDM-Druckkopf sehr präzise Bewegungen ausführt und sich Ungenauigkeiten schnell in den Produkten bemerkbar machen, ist die korrekte und schwingungs- resistente Auslegung des Konzeptes von großer Bedeutung.

Verformungen der Druckerstruktur dürfen aus diesem Grund nicht vorkommen. Auch Schwingungen, die durch sich bewegende Komponenten entstehen könnten, müssen antizipiert und durch die korrekte Auslegung der Module verhindert werden.

Die physischen Kräfte, die auf den 3D-Drucker einwirken, entstehen durch die kinetische Energie der sich bewegenden Masse. Die entstehenden Kräfte sollen aktiv beeinflussbar sein, damit sich der Drucker bei zukünftigen Strukturänderungen an die neuen Lastbedingungen anpassen lässt.

3.2 Ermittlung von Funktionen und Strukturen des 3D-Druckers

3.2.1 Teilfunktionen

Unter Betrachtung der in Kapitel 2 erfassten Grundlagen, lässt sich das Ziel eines FDM-Druckers wie folg definieren: Der 3D-Drucker erstellt ein plastisches Objekt mithilfe des Schichtbauverfahrens unter Verwendung eines bestimmten Filaments und einer Datei in Form der numerischen Steuerung.

Die Hauptfunktion ist daher die Konvertierung der CAD-Datei in ein reales, ausgedrucktes Modell.

Damit der Drucker diese Aufgabe erfüllen kann, muss sich der Druckkopf unabhängig vom Druckbett in alle drei der kartesischen Achsen bewegen können.

Die einzelnen linearen Bewegungen entlang der Achsen beschreibt daher die ersten Teilfunktionen.

Wenn festgelegt ist, welche Komponente die Bewegung entlang der jeweiligen Achse durchführt, muss entschieden werden, durch welche Form die gezwungene Bewegung ermöglicht wird und welches Antriebssystem für diese Aufgabe am besten geeignet ist. Beide Strukturen sind dabei als separate Funktionen zu unterscheiden.

Die Antriebe und Führungen müssen mit einem stabilen Rahmen verbunden sein. Diese Teilfunktion bringt Festigkeit in das Druckergestell und muss es für die aufkommenden Belastungen ausreichend wappnen. Da hier speziell nach einem modularen Modell gefragt wird, sind auch die Verbindungsmethoden zwischen den potenziellen Modulen von Bedeutung und müssen im späteren Verlauf evaluiert werden.

Um das verwendete Filament neu formen zu können, muss es einen Phasenwechsel von fest zu flüssig durchlaufen. Diese Funktion übernimmt der Extruder, der das Filament stark erhitzt und aus der Düse drückt. Um den größten Nutzen aus den verschiedenen Technologien auf diesem Gebiet ziehen zu können, wird der Extruder daher ebenfalls als Teilfunktion gelistet.

Nachdem das verflüssigte Material die Düse verlassen hat, wird es auf dem Druckbett aufgetragen. Um eine gute Verbindung zwischen Plastik und Oberfläche zu gewährleisten, darf dessen Abstand zur Düse nicht schwanken. Die Kalibrierung des Druckbettes wird daher ebenfalls für Kapitel 3.3.1 als relevante Funktion eingestuft. Mögliche Lösungsvarianten zu den soeben aufgelisteten Teilfunktionen werden in Tabelle 2 dargestellt.

3.2.2 Funktionsstrukturen

Die im vorherigen Kapitel erläuterten Funktionen bilden im Folgenden die Basis für die Darstellung des geplanten Druckers in Form der Allgemeinen Funktionsstruktur nach Roth [14]. Das Ziel dabei ist es, bei einem hohen Abstraktionsgrad die vorhandenen Teilfunktionen miteinander in Beziehung zu setzen. Zeitgleich sollen die Teilaufgaben

des 3D-Druckers mit dessen Teilfunktionen verbunden werden und es wird eine mögliche Schaltanordnung indiziert [13].

Die aus Bild 3.2 ersichtliche Allgemeine Funktionsstruktur des 3D-Druckers ist stark vereinfacht dargestellt und soll hier nur als Orientierung dienen.

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Bild 3.2: Vereinfachte Allgemeine Funktionsstruktur eines 3D-Drucksers

Es wurde dabei nur ein einzelner Schrittmotor beachtet und auch die beheizte Druckoberfläche mit dazugehöriger Temperaturüberwachung wird nicht berücksichtigt. Aus dem Schaubild wird deutlich, dass die Schrittmotoren und der Extruder von der Druckersteuerung abhängig sind. Diese wandelt den durch den G-Code übermittelten Datensatz in Befehle für die Schrittmotoren (Achsenantriebe und Extruder) um und steuert die gewünschte Temperatur des Druckkopfes. Letzteres wird durch eine Rückführschleife (Thermometer) zwischen Druckkopf und Steuerung geregelt.

Um das Filament zu schmelzen, wird zuvor elektrische in thermische Energie umgewandelt und dem Stoffstrom im Extruder zugeführt. In der Schmelzkammer entsteht der Phasenwechsel des amorphen Filaments, welches verflüssigt durch die Düse gedrückt wird und auf dem Druckbett abkühlt. Dabei durchläuft das geschmolzene Plastik einen zweiten Phasenwechsel, zurück in seine ursprüngliche Form und bildet somit das etablierte Ergebnis der Hauptfunktion des Druckers: ein plastisches Objekt.

3.3 Lösungsprinzipien

3.3.1 Morphologischer Kasten

Um die benötigten Konzeptideen der Drucker-Entwicklung aufstellen zu können, wurde ein morphologischer Kasten nach Roth verwendet [13]. Tabelle 2 stellt mögliche Lösungsvorschläge für Teilfunktionen des kartesischen FDM-3D-Duckers als Konzeptskizzen dar.

Tabelle 2: Morphologischer Kasten für die Teilfunktionen des Druckers

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Betrachtet man die vorliegenden Ergebnisse, lassen sich zunächst grundlegende

Gemeinsamkeiten zwischen den Teillösungen feststellen.

Ein FDM-Drucker, der alle Richtungen des kartesischen Systems anfährt, also drei Achsen bedient, ist durch die Richtung dieser Achsen in seiner Bauform eingeschränkt. Der Druckkopf muss in den Richtungen in einer linearen Bewegung verfahren werden und gibt daher den Grundbau des dazugehörigen Gerüsts vor. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit werden die Achsenbezeichnungen auf Basis des Bild 3.3 dargestellten Koordinatenursprunges definiert:

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Bild 3.3:

Koordinatenursprung

Formal beschrieben verläuft die X-Achse von links nach rechts, die Y-Achse verläuft in die Zeichenebene hinein und die Z-Achse beschreibt die Richtung von unten nach oben.

Jede Achse muss durch eine lineare Bewegung und einen dazugehörigen Antrieb dargestellt werden können. Zeitgleich soll der Drucker durch seinen Aufbau über genügend Stabilität verfügen, um eine Toleranz gegen Vibrationen aufzuweisen und eine Verformung des Gestells darf unter keinen Umständen stattfinden.

Die größten Belastungen bei einem kartesischen FDM Drucker entstehen durch die Be- und Entschleunigung der Druckerkomponenten. Dabei wird nicht danach differenziert ob sich der Druckkopf oder das Druckbett bewegt, denn die Belastungen wirken in beiden Fällen horizontal. Dazu kommt, dass sich die Kräfte mit voranschreitendem Druckfortschritt verstärkt werden, da sie über einen immer größeren Abstand bzw. Hebel wirken.

Dadurch, dass die größten Belastungen in horizontaler Ebene wirken, ist es zu empfehlen die Stützen so stabil wie möglich auszulegen. Dabei wird nahegelegt, dass eine einzelne Stütze den Anforderungen nicht standhalten kann und ein Ansatz mit

zwei oder vier Stützen daher mit größerer Wahrscheinlichkeit eine höhere Konformität zu den Anforderungen aufweist.

In den folgenden Kapiteln 3.3.2 – 3.3.5 wird der morphologische Kasten aus Tabelle 2 genutzt, um vier verschiedene Konzeptideen darzustellen. Die Konzepte orientieren sich an der Anforderungsliste aus Tabelle 1 und werden auf ihre Eignung als modulares Konstrukt überprüft. Am Ende von jeder Beschreibung wird der Realisierungsaufwand in Verbindung mit den Vor- und Nachteilen dargestellt und

das Entwicklungspotenzial des Konzeptes erörtert.

3.3.2 Konzept 1

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Das Konzept 1 orientiert sich an einer würfelförmigen Struktur.

Wie in Bild 3.4 zu sehen, besteht es aus zwei rechteckigen Grundelementen, die durch vier Stützen an jeder Ecke miteinander verbunden sind. Das untere Basiselement enthält alle für die Steuerung des Druckers benötigten Bauteile, unter anderem Netzteil, Steuerplatine und Sicherungen. Die Kommunikation zwischen Menschen und Maschine wird durch ein Display an der vorderen Seite ermöglicht, über das Steuerbefehle in das User-Interface

eingegeben werden können.

Bild 3.4: Handskizze von Konzept 1 (einsatzbereit)

Das Druckbett ist mit einer Halterung verbunden, die entlang einer Gewindestange in Z-Richtung verfährt. Es wird dabei von zwei Wellen geführt und zentriert, um eine lineare Bewegung zu garantieren.

Der Druckkopf befindet sich auf einem Schlitten innerhalb des oberen Elementes und verändert seine Höhe entlang der Z-Achse nicht. Jeweils ein Schrittmotor steuert die Bewegung des Schlittens in X- und Y-Richtung. Die Transformation der Rotation des

Motors zu einer translativen Bewegung des Schlittens erfolgt über eine Kombination von Zahnriemen und -rad, wobei der Schlitten direkt mit dem Zahnriemen verbunden wird. Insgesamt werden vier Schrittmotoren für dieses Konzept benötigt: Jeweils einen für den Antrieb in jede Achsenrichtung und einen für den Extruder. Letzterer muss ein

Direktextruder sein, da die Position des Druckkopfes keinen Bowden-Extruder zulässt.

Bild 3.5: Handskizze von Konzept 1 (transportbereit)

Das Konzept ist in seiner Struktur in drei Segmente aufzuteilen. Das Basiselement, die Stützen und das Deckelelement. Unter der bekannten Aufgabenstellung soll die Modularität gegeben sein und das Konzept soll sich in seiner Größe komprimieren lassen. Diese Funktion wird durch den Aufbau der Stützen sichergestellt. Sie sind mit einem Klemmhebelgelenken

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Basiselement angebracht und werden an ihrer

Oberseite durch Verschraubungen mit dem Deckelelement verbunden. Bei Bedarf können so die Schrauben und Klemmgelenke gelöst werden, um die Stützen seitlich umzuklappen.

Wie in Bild 3.5 angedeutet, werden die Gelenke seitlich versetzt angebracht, sodass die Stützen beim zusammenklappen nicht miteinander kollidieren. Das Lastenheft gibt die Bedingung vor, den Grundriss des zusammengebauten Druckers zu minimieren. Die Stützen können durch diese Anordnung maximal so lang sein wie der Rahmen breit ist und garantieren daher den größten Bauraum im Verhältnis zu den transportfähigen Abmaßen.

Die Kastenförmige Baustruktur ermöglicht es, die Gefahr von Transportschäden zu minimieren, denn die beiden Grundelemente umschließen die empfindlichen Teile der Konstruktion und fungieren als Stoßfänger.

Als problematisch erweist sich die Position des Druckkopfes, denn es soll prinzipiell versucht werden, den Hebeleffekt der wirkenden Kräfte zu minimieren. Der Kopf hat zu jedem Zeitpunkt den maximalen Abstand zum Basiselement. Dazu kommt der Direkt-Extruder, der am Schlitten angebracht wird und dessen Masse signifikant erhöht. Die entstehenden Be- und Entschleunigungskräfte fallen so größer aus und wirken immer mit dem maximalen Hebel auf die Gelenke der Stützen. Diese dauerhafte

Belastung muss bei der Auslegung des Rahmens und der Stützen beachtet werden, stellt jedoch kein Ausschlusskriterium für dieses Konzept dar.

Der Drucker bietet viel Raum für spätere Weiterentwicklungen. Durch die bereits existierende Kastenform ist es möglich, Seitenverkleidungen anzubringen, um den Drucker auch für die ABS-Verarbeitung einsetzen zu können.

Es besteht auch die Möglichkeit, zusätzliche Extruder an den Schlitten anzubauen.

Die größte Herausforderung für die Verwirklichung dieses Konzeptes ist die Verbindung von Druckbett und Linearführung mit dem Rest des Druckers. Für die strukturelle Integrität von Konzept 1 ist es wichtig, dass das Druckbett orthogonal zur dessen Gewindestange steht. Dennoch muss ein Falt- oder Stecksystem entwickelt werden, welches ein Unterbringen des Moduls zwischen den beiden Grundmodulen

(Basis und Deckel) ermöglicht.

3.3.3 Konzept 2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.6 zeigt eine Handskizze von Konzept

2. Dieses Konzept besteht aus zwei Modulbausteinen, die sich in Basis- und Bügelsegment unterteilen.

Ähnlich wie bei dem vorausgegangenen Konzept, bietet die Basis unterhalb des Druckbettes genug Platz, um dort sämtliche steuerrelevante Komponenten zu platzieren. Es ist jedoch auch möglich, diese seitlich an den Stützen zu befestigen. Bei letzterer Lösung muss beachtet werden, dass sich der Montageaufwand vergrößert.

Das Druckbett bewegt sich über eine

Bild 3.6: Handskizze von Konzept 2 (einsatzbereit)

wellenbasierte Linearführung entlang der Y-Achse. Den Antrieb für diese Funktion liefert ein Schrittmotor, der an der Innenseite des Rahmens befestigt ist. Wie bei Konzept 1 erfolgt der Antrieb entlang der Z-Achse, wird jedoch durch zwei anstatt einem Motor gesteuert. Dieser Schritt ist notwendig, da der gesamte Schlitten inklusive

der Welle in die X-Achsenrichtung verschoben werden muss. Beide Motoren werden von der Software mit identischen Informationen versorgt und ermöglichen so einen gleichmäßigen Hub des Druckkopfes.

Die Gewindestangen der Z-Achse sind parallel mit jeweils einer Welle für die lineare Führung fest am Bügelsegment verschraubt. Auch die beiden Wellen, auf denen sich der Schlitten in X-Richtung verfahren lässt, sind über zwei Befestigungen dauerhaft mit der Z-Achse verbunden. An der Oberen Kante des Bügels ist ein Display angebracht und ermöglicht die nahtlose Kommunikation des Druckers mit seinem

Bediener.

Bild 3.7: Handskizze von Konzept 2 (transportbereit)

Die Montage des Druckers ist vergleichsweise schnell und simpel. Wie in Bild 3.6 zu sehen, sind die beiden Module über zwei Bolzen miteinander verbunden, deren Rotation auf Wunsch freigegeben werden kann. Über dieses System kann der Bügel um 90 Grad nach hinten geklappt werden und verkleinert dadurch das für den Transport oder die Lagerung benötigte Volumen. Der Druckkopf wird dafür an seine Endposition gefahren, um Raum für den unteren Rahmen zu schaffen. Das Endresultat dieses Vorgangs wird in Bild 3.7 aus der Draufsicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

argestellt.

Die hier verwendete Konstruktionsform findet seine Stärke vor allem in der Stabilität. Da es nur zwei Module gibt, kann ein Großteil der Verbindungen permanent und somit um ein Vielfaches stabiler als manche lösbaren Verbindungen ausgelegt werden. Es ist auch anzumerken, dass die Präzision der X- und Z-Achsenbewegung höher ausfällt. Sie müssen nur einmal kalibriert werden und bleiben während des Normalgebrauch auch so eingestellt.

Das Display befindet sich in einer ergonomischen Höhe und auch die Schnittstelle für Speichermedien wie USB-Sticks oder SD-Karten, kann an dieser Stelle verwirklicht werden. Da bei der Demontage keine Module separiert werden, gestaltet sich auch die Kabelführung der elektronischen Bauteile als einfache Aufgabe.

Die Stärke dieses Entwurfes kann unter bestimmten Umständen auch von Nachteil sein. Da die Komponenten eng und teilweise unlösbar miteinander verbaut sind, ist der Austausch im Falle eines defekten Bauteils aufwendig und nimmt viel Zeit in Anspruch.

Lässt man die Klappfunktion außer Acht, existiert das Konzept aus Bild 3.6 in zahlreichen Variationen auf dem freien Markt. Inspirationen und Problemlösungen können von diesen Vorbildern abgeschaut werden und stufen daher den Konstruktionsaufwand für Konzept 2 als relativ gering ein.

Die offene Bauform des Druckers erlaubt nachträgliche Modifikationen und Erweiterungen wie das Auswechseln oder Hinzufügen weiterer Druckköpfe. Dennoch ist der daraus resultierende Aufwand durch die kompakte Verbindungsstruktur des

Bügelmoduls nicht außer Acht zu lassen.

3.3.4 Konzept 3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie in Bild 3.8 zu sehen, basiert Konzept 3 auf dem Ansatz, eine einzelne Stütze zu verwenden. Durch diese Struktur wird Gewicht und Platz gespart, während die volle Funktionalität eines 3D-Druckers gegeben bleibt. Wie in den Konzepten zuvor, beinhaltet das kastenförmige Basismodul die benötigten elektrischen Bauteile, um eine nahtlose Steuerung der Schrittmotoren

zu garantieren. Das Display ist vorne

Bild 3.8: Handskizze von Konzept 3 (einsatzbereit)

unten angebracht und minimiert durch seine örtliche Nähe zur Elektronik den benötigten Kabelbaum, der innerhalb der Druckerstruktur verlegt werden muss.

Das Druckbett ist wie bei allen Konzepten beheizt und erfüllt die in der Anforderungsliste genannten Bedingungen. Es fällt auf, dass auch hier ein Schrittmotor mit Zahnriemen als Antrieb für die Y-Achse Verwendung findet. Bei schnellen Bewegungen mit akuten Richtungswechseln müssen Gewindestangen oder

Linearmotoren ebenfalls hohe Rotationsgeschwindigkeiten leisten. Eine solche Belastung kann durch die Verwendung von Zahnriemen und Zahnrädern verringert werden.

Da der Weg einer auf eine Gewindestange aufgeschraubten Mutter von der Steigung dessen Gewindes und dem Drehwinkel der Stange abhängt, können langsame aber sehr präzise Bewegungen ausgeführt werden. Diese Fähigkeit ist für das Verfahren in Z-Richtung unabdingbar, weil sich die Schichtdicken bei FDM normalerweise im Zehntelmillimeter-Bereich bewegen.

Die breite Stütze von Konzept 3 besteht aus einem Vierkantrohr und beinhaltet eine Gewindestange, die von einem Schrittmotor angetriebene wird. Diese verborgene Stange ist für die Z-Verschiebung zuständig, und hebt den Ausleger samt Druckkopf entlang der Achse.

Bild 3.8 zeigt, wie sich der Ausleger parallel zum Druckbett und orthogonal zur Stütze anordnet. Das dafür verbaute U-Profil beherbergt die Führungswelle mitsamt Schrittmotor und Zahnriemen, die den sich darunter befindlichen Schlitten antreiben. Dieser beinhaltet lediglich das Heizelement und die Düse, da für den hiesigen Extruder

wurde hier das Bowden-System ausgewählt wurde.

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Die Demontage des Druckers ist innerhalb von zwei Schritten möglich. Der Ausleger ist mithilfe eines Gelenks seitlich an der Stütze montiert. Löst man diese Verbindung, kann der Ausleger entsprechend Bild

3.9 entlang der Stütze

Bild 3.9: Handskizze von Konzept 3 (transportbereit)

ausgerichtet werden und verringert so den Platzbedarf signifikant. Die Stütze selbst ist mittels einer Schraubverbindung an dem Basismodul befestigt und lässt sich durch das lösen der Schrauben von diesem separieren.

Das Konzept 3 benutzt Hohlprofile, um Gewicht zu sparen und schützt zeitgleich die darin verbauten Komponenten vor äußeren Einflüssen. Der Bowden-Extruder ermöglicht die Reduktion der im Schlitten verbauten Masse und hilf so, die Genauigkeit

der Druckergebnisse zu steigern. Ein weiterer Vorteil ist die schnelle und einfache

Demontage, die durch diese Form der Baukastenstruktur ermöglicht wird.

Ein Nachteil der Hohlprofile ist die sich dadurch erschwerende Wartung des Druckers. Das Ölen der Gewindestange wird aufwendiger, wenn sie im Inneren des Vierkantrohres verborgen ist. Zusätzlich wird die optische Fehleruntersuchung erschwert, da die Bauteile zwar geschützt sind, Beschädigungen im Falle eines Materialversagens aber auch nicht erkannt werden können.

Weiterhin müssen die Verbindungen der Stützen so ausgelegt sein, dass die Bewegungsenergie des Schlittens ohne physischen Einfluss auf die Integrität der Konstruktion aufgenommen werden kann.

Da die Baustruktur aus Bild 3.8 nicht weit verbreitet ist, muss für die Entwicklung ein großer Teil an Eigenforschung betrieben werden. Zusammengefasst lassen die Argumente den Realisierungsaufwand als relativ hoch erscheinen.

Das Konzept 3 weist zusätzlich einen Mangel an Entwicklungspotential auf, da jede Veränderung der Schlitten-Masse eine neue Berechnung für die korrekte Auslegung der Stütze verlangt. Auch das Aufrüsten zu einem ABS-Drucker gestaltet sich durch

den Mangel an Befestigungsmöglichkeiten für ein Gehäuse zu einer Herausforderung.

3.3.5 Konzept 4

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das in Bild 3.10 dargestellte Konzept 4 setzt sich aus Teilen der ersten beiden beschriebenen Konzepte zusammen. Vergleichbar mit Konzept 1 aus Kapitel

3.3.2 sind auf dem Rahmen der Basis vier Stützen angebracht. In diesem Fall konvergieren diese jedoch paarweise und sind ähnlich des in Kapitel 3.3.3 beschriebenen Konzept 2 durch eine Brücke miteinander verbunden. An beiden Seiten befindet sich eine

Gewindestange zwischen zwei Wellen,

Bild 3.10: Handskizze von Konzept 4 (einsatzbereit)

die für den Z-Hub des Schlittens sorgen. Der Druckkopf beschreibt die Bewegung in der X-Z-Ebene, während das beheizte Druckbett die Bewegungen in Y-Richtung

übernimmt. Auch bei diesem letzten Konzept erfolgt der Antrieb der X- und Y-Achsen über Zahnriemen, die durch jeweils einen Schrittmotor gesteuert werden.

Die elektronischen Komponenten finden im Basismodul genug Platz und werden durch den Rahmen vor äußeren Einwirkungen geschützt. Die offene Bauform ermöglicht die Montage des Steuerungsdisplays an verschiedenen und auf den Kunden optimal angepassten Stellen.

Das Konzept 4 trennt den 3D-Drucker durch eine Vielzahl an Modulen in seine Teilfunktionen auf. Wie in Bild 3.11 zu erkennen ist, kann dieses Konzept bei seiner Demontage in neun einzelne Baugruppen zerlegt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.11: Handskizze von Konzept 4 (transportbereit)

Die vier Stützen werden durch Verschraubungen mit der Basisplatte und den beiden Lift-Modulen verbunden. Um eine Versteifung zwischen der linken und rechten Seite des Druckers zu gewährleisten, wird die Brücke zwischen den beiden Liften eingespannt. Die Verbindung zwischen den drei Komponenten kann durch ein Schraub- oder Stecksystem erfolgen.

Das letzte Modul beschreibt den Schlitten des 3D-Druckers. Es beinhaltet alle Komponenten, die für eine lineare Bewegung des Druckkopfes notwendig sind, also unter anderem Motor mit Zahnriemen, Endschalter und Extruder. Wie der Rest der Module ist auch der Schlitten autark und für die Erfüllung seiner Teilfunktion nicht auf andere Module angewiesen.

Die Verbindung zwischen dem Schlitten und den Liften ist ausschlaggebend für die Präzision des aufgebauten Druckers. Die Lifte bewegen de Schlitten entlang der Z- Achse und müssen die entstehenden Kräfte des Druckkopfes aufnehmen können. Die Aluminiumblöcke auf den Gewindestangen der Lifte stellen den Verbindungspunkt der Module dar und müssen eine den Anforderungen gerecht werdende Montagemöglichkeit bieten.