Additive Fertigungsverfahren. Selektives Lasersintern, Fused Deposition Modeling, Electron Beam Melting, Stereolithografie, Polygrafie, Schicht-Laminat-Verfahren

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen und Einführung

2. Selektives Lasersintern (SLS)
2.1 Aufbau des Verfahrens
2.2 Herstellungsprozess
2.3 Vor- und Nachteile

3.Fused Deposition Modeling (FMD)
3.1 Aufbau des Verfahrens
3.2 Herstellungsprozess
3.3 Vor- und Nachteile

4. Electron Beam Melting (EBM)

5. Stereolithografie
5.1 Polymerisation
5.2 Materialien
5.2.1 Allgemein
5.2.2 Harze
5.3 UV-Laser
5.4 Optische Scanner / Strahlenführungssysteme
5.5 Steuerungseinheit (Mikroprozessor)
5.6 Betriebssoftware
5.7 Aufbau des Verfahrens
5.8 Herstellungsprozess
5.9 Anwendung

6. Polygrafie (MJM)
6.1 Allgemeines
6.2 Aufbau des Verfahrens
6.3 Herstellungsprozess
6.4 Vor- und Nachteile

7. Schicht- Laminat- Verfahren (LLM)
7.1 Allgemeines
7.2 Aufbau: des Verfahrens
7.3 Herstellungsprozess
7.4 Vor- und Nachteile

8. Ausblick in die Zukunft

9. Eigene Projekte

10. Literaturverzeichnis

1. Grundlagen und Einführung

Das Verfahren der additiven Fertigung zeichnet sich durch Herstellung des Bauteils direkt aus CAD-Daten aus. Damit vereint das Verfahren die Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Fertigung des Produkts. Vorher angefertigte Formen oder auch benötigte Werkzeuge werden somit nicht mehr benötigt. Damit ist das Fertigungsverfahren vor allem für Prototypen oder auch für Musterserien geeignet. Diese sind qualitativ nicht auf dem gleichen Stand wie die eigentlichen Erzeugnisse, dennoch sollen sie so detailgetreu und nah am Endprodukt wie möglich sein. Das Verfahren zeichnet sich besonders durch Flexibilität und eine schnelle Realisierbarkeit der angeforderten Erzeugnisse aus. Die Kehrseite der Medaille ist, dass keine Produktion auf Masse erreicht werden kann, da die Fertigung von den Produkten sehr zeitaufwendig ist. Somit kann man Stand heute keinen Massenmarkt bedienen. Die bekannteste Branche, in dem die additiven Fertigungsverfahren Anwendung finden ist die Medizintechnik. Hier kann auf die Stärken zurückgegriffen werden und die Schwächen des Verfahrens spielen hier keine besondere Rolle. Besonders die individuellen Anforderungen dieser Branche, wie bspw. Prothesen oder andere Einzelstücke können relativ einfach angepasst werden. Darüber hinaus ist das Verfahren auch kostengünstiger für diese Anwendungen.

Das schnell wachsende und immer fortschrittlichere Verfahren soll in dieser Ausarbeitung genauer betrachtet werden. Auf die am weitest verbreiteten Verfahren wird hier genauer eingegangen und die Hintergründe der Fertigung genauer beleuchtet.

Ob sich das Verfahren langfristig am Markt etablieren kann und ein wichtiger Baustein zur Herstellung von Erzeugnissen werden kann ist mit Spannung abzuwarten.

2. Selektives Lasersintern (SLS)

2.1 Aufbau des Verfahrens

Durch den Laser, welcher das Bauteil belichtet, wird der Aufschmelzprozess gestartet. Der Laser wird über Spiegel gelenkt, welche justierbar sind und daher jeden Punkt auf der Oberseite des Bauteils erreicht wird. Es gibt eine Plattform, welche während des Prozesses die Höhe der Schichten immer weiter nach unten absenkt. Das Auftragen des neuen Pulvers wird von einem Beschichter vorgenommen, welcher wiederholt Schicht für Schicht neues Material aufbringt.

Die hierfür verwendbaren Materialien sind Polypropyle, Alumide, PA12, PA-GF, TPU 92A-1, PA 2241 FR. Die Pulver sind dabei absolut rein und besitzen typischerweise einen Durchmesser von 15 bis 45 Mikrometer.

2.2 Herstellungsprozess

Bei dem selektiven Lasersintern wird der Bauraum der Maschine mit dem pulverförmigen Material gefüllt. Das herzustellende Erzeugnis wird dabei schichtweise innerhalb des dafür vorgesehen Bauraums aufgebaut indem Schnittkonturen durch einen Laser abgescannt werden. Dabei wird das Pulver an den Berührpunkten des Lasers aufgeschmolzen und versintert. Durch Wiederholung dieses Prozesses entsteht nach und nach das angeforderte Erzeugnis. Die Plattform wird mit Fertigstellung des Produkts abgetrennt und entgratet.

Der ganze Prozess läuft innerhalb einer Gasatmosphäre ab. Bei der Zusammensetzung dieses Gases hat man freien Spielraum. Es werden Nicht reagierende (inerte) Gase eingesetzt oder es wird über einen Vakuumierungsprozess die reaktive Luft herausgetrennt. Für unterschiedliche Materialien gibt es gewisse Zusammensetzungen von Gasen, welche zum Fertigungsprozess unterschiedlich geeignet sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass jedes Material ein eigenes Schweißgas besitzt. Nur unter diesem speziellen Schweißgas kann dieses Material verbunden werden.

Das Fertigungsverfahren wird speziell von der Luft- und Raumfahrt, Automobil und Medizintechnik Branche angewandt. In der Medizintechnik wird durch die erlangte Porosität bessere Implantate hergestellt, welche langlebiger sind und gewährleisten, dass sich der Körper besser mit den fremden Materialien verwächst, was auch eine bessere Verträglichkeit für den Menschen und seine Gesundheit mit sich bringt.

Alle drei Branchen besitzen hohe Sicherheitsanforderungen und gewisse Standards. Entsprechend wären die Folgen eines Ausfalls gefährlich und sehr kostspielig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1

2.3 Vor- und Nachteile

Das Schichtbau-Prinzip dieser Technologie bringt nahezu keine Einschränkungen mit sich, was die herzustellende Geometrie betrifft. Die Funktionsintegration, welche sich hieraus ermöglichen lässt, ist der bedeutendste Faktor, so können bspw. Gewinde oder Luftkanäle direkt mitgefertigt werden, was häufig eine Reduzierung der Montagezeiten mit sich bringt. Kleine Losgrößen werden über dieses Verfahren wirtschaftlich sinnvoller gemacht. Es kann mit sehr kurzen Durchlaufzeiten gearbeitet werden.

Man benötigt keine Werkzeuge wie bspw. Gussformen, welche nach der Verwendung besonders bei kleinen Stückzahlen einen hohen finanziellen Aufwand bedeuten. (Fixkostendegression)

Ausschlaggebender Nachteil für das Lasersintern sind die hohen Kosten. Für ein Kilogramm werden Preise von bis zu 400€ gehandelt. Auch die zu erstellende Größe der Bauteile ist noch ein Hindernis. Der Drucker muss einen Maschinenbauraum besitzen, welcher die Größe des zu bildenden Bauteils abdeckt. Der Leiter der Additiven Verfahren bei Siemens ist beispielsweiße der Meinung, dass ab einem Maßstab von 500mm3 die Kosteneffizienz für Großbauteile nicht mehr hinnehmbar ist. Der Preis für den Drucker ist auch eine gewisse Investition, so liegen die Drucker bei einer Größe von 1,50m3 bei einem Preis von ugf. 250 Tsd. €. Die lasergesinterten Bauteile weisen eine leicht raue Oberfläche auf.

Die Fertigung ist außerdem sehr zeitintensiv und es kann nur in einer Farbe modelliert werden, was die Flexibilität einschränkt.

3.Fused Deposition Modeling (FDM)

3.1 Aufbau des Verfahrens

Je nach Anlage kann in zwei Varianten unterschieden werden. Bei der ersten Variante besitzt der Druckkopf eine Düse, die aufgeheizt werden kann. Diese Düse ist mit einer Kunststofffadenrolle verbunden. Es gibt eine Plattform, auf welcher das Bauteil letztlich entstehen soll. Diese ist in der Z-Achse verstellbar. Meist ist die Skalierung hierfür 0,1mm. Die Düse ist in die X- und in die Y-Achse verschiebbar, so dass jeder Punkt, der bei der Draufsicht anvisiert werden kann, zu erreichen ist.

Die zweite Variante ist, dass es eine zweite Düse gibt, um mögliche Stützen aus wasserauswaschbaren Materialien zu fertigen.

Geeignet für diese Anwendung sind thermoplastische Kunststoffe, wie zum Beispiel ABS, PLA, PVA, HIPS, PET und Nylon.

Exkurs: Thermoplastische Kunststoffe, auch Plastomere genannt, sind Kunststoffe, welche sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen. Der Prozess hierbei ist reversibel, also wiederumkehrbar. Thermoplaste (thermós = warm, plássein = bilden) lassen sich dabei in zwei Gruppen unterteilen. Zum einen in die Gruppe der Duroplaste und zum anderen die Gruppe der Elastomere. Thermoplaste sind aus kleinen Kohlenstoffketten aufgebaut, welche nur durch schwache physikalische Bindungen zusammengehalten werden. Es gibt bei ihnen zwischen den Aggregatszuständen “Fest” und “Flüssig” zwei Phasen, die sich nicht direkt zuordnen lassen. Zum einen den Thermoelastischen Bereich in welchem ein Thermoplast in seiner Form verändert werden kann, jedoch seine Grundausrichtung beibehält (beispielsweise bei dem Volumen im Verhältnis zur Oberfläche großen Hohlkörpern) und den thermoplastischen Bereich, in dem das Material weich und nicht mehr formstabil ist. Hier kann ein Werkstück möglicherweise nicht mehr in seine Ursprungsform zurückgebracht werden.

Das Fused Deposition Modeling ist das bekannteste und besonders für Endverbraucher auch das meist verwendete 3D-Druckverfahren. Der Prozess ist vergleichbar wie das Bedienen einer Heißklebepistole. Dabei können nur Materialien verwendet werden, die sich unter Hitze verflüssigen oder verformen lassen. Die einzelnen Schichten härten nach kurzer Abkühlphase und meist bei Raumtemperatur wieder von selbst aus. Bekanntestes Beispiel sind LEGO Steine die mit diesem Verfahren hergestellt werden.

3.2 Herstellungsprozess

Die Thermoplaste werden als Kunststofffäden auf Spulen geliefert und haben meist eine Dicke zwischen 1,75mm bis 2,85mm. Die Kunststofffäden werden bei dem Fertigungsprozess durch eine stark erhitzte Düse gepresst, in der sich die Thermoplaste verflüssigen und dann Schicht für Schicht auf die Druckplatte aufgebracht werden. Die Kunststofffadenrolle wird dabei kontinuierlich weiter abgespult. Mit der Erstarrung wächst das gewünschte 3D Modell in die Höhe. Übliche Schichtdicken liegen bei etwa 0,1mm und führen daher noch sehr oft zu einer sichtbaren Riffelung auf der Oberfläche der Objekte.

3.3 Vor- und Nachteile

Die Vorteile des FDM sind, dass die Drucker relativ kostengünstig sind. Ebenfalls gibt es diese in Elektrofachmärkten wie Media Markt, Euronics oder Saturn bereits seit längerem zu kaufen. Außerdem kann man sehr günstig an gebrauchte Drucker kommen Das Druckmaterial (Filamet) ist relativ günstig. Der Kilopreis beläuft sich auf ca. 20€ pro Kilo. Außerdem ist der Herstellungsprozess sehr schnell und die gefertigten Bauteile sind Belastungsfähig was Druck und Zugkräfte angeht.

Nachteil ist, dass die Präzision noch relativ ungenau ist. Ebenso sind große Übergänge nur mit Stützmaterial druckbar, diese werden im Anschluss an den Druckprozess abgebrochen abgeschliffen und entgratet. Alternativ können jedoch auch 2 Düsen in dem Drucker verbaut sein, welche Stützstrukturen aus wasserlöslichem Material PVA oder auch basisch löslichen Materialien produzieren. Diese sind dann leicht in einem Wasser- oder Basen-Bad auswaschbar. Die gefertigten Bauteile erhalten hier die bekannte FDM-Riffelung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4. Electron Beam Melting (EBM)

Das Verfahren ist identisch zu dem selektiven Lasersintern. Es wird ebenfalls mit einem Pulver gearbeitet, welches in einem Vorratsbehälter gelagert wird. Die beheizte Bauplattform wird beispielsweise mit einem Metallpulver beschichtet, der Unterscheid liegt in der Schmelzung des Materials. Beim EBM Verfahren wird das Material durch einen Elektronenstrahl geschmolzen

Der Hauptunterschied zwischen den Schmelzverfahren ist -wie angedeutet- die Energiequelle. Durch Erhitzen eines Wolframdrahtes im Vakuum, welches eine ordnungsgemäße Funktionsweise bestärkt, werden die elektrisch geladenen Elementarteilchen, freigesetzt. Die Elektronen werden durch Elektromagnete beschleunigt und wie beim Laser die Photonen, gebündelt. Mit hoher Geschwindigkeit werden sie fortführend auf die Pulveroberfläche projiziert. Diese angeregten Teilchen sorgen durch den Energieübertrag auf das Material für das Schmelzen des Pulvers.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3

Ein Vorteil, welchen das Vakuum bietet, ist, dass das Material bei Erhitzung nicht anläuft oder korossiert. Daher ist es möglich bei einem neuen Druck das Material wiederholt einzusetzen, was Material spart.

5. Stereolithografie

5.1 Polymerisation

Um Verfahren wie die Stereolithografie oder das Polyjetverfahren verstehen zu können, müssen wir zunächst grob deren grundlegendes Funktionsprinzip ansehen.

Die hierbei wichtigste Reaktionsart, wie Kunststoffe gebildet werden, ist die Polymerisation. Unter diesem Begriff versteht man, dass sich mehrfach wiederholende Reaktionen, eine sogenannte Reaktionsfolge abläuft. Bei dieser wird der Ausgangsstoff, welcher aus den einzelnen voneinander getrennten Molekülen besteht (Monomer) über Doppelbindungen miteinander verbunden. Dieser exotherme Prozess findet heute z.B. mit Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS) statt.

Um eine Polymerisation einzuleiten benötigt man zunächst jedoch Energie, diese kann durch verschiedene Wege zugeführt werden. Im Polyjetverfahren sowie bei Stereolithografie (SL) wird hierfür UV-Licht genutzt (ionische Polymerisation).

5.2 Materialien

5.2.1 Allgemein

Grundsätzlich werden bei der Stereolithografie, auch STL oder SLA genannt lichtaushärtende Kunstharze (Photopolymere) auf Epoxyd- oder Acrylbasis verwendet. Diese Materialien sind bei Raumtemperatur flüssig. Durch die Polymerisation, welche selektiv durch einen Laser erfolgt, werden diese dann gehärtet. Für diese Materialen fallen im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren aktuell jedoch noch relativ hohe Kosten an. Dies liegt hauptsächlich an der geringeren Verbreitung dieser. Deutlich verbreiteter ist hier z.B. das Lasersintern.

5.2.2 Harze

Epoxidharz

Epoxidharz, was zur Gruppe der härtbaren Kunstharze gehört, wird hierbei oftmals als Polyether oder Reaktionsharz bezeichnet. Epoxidharze haben hierbei vor allem herausragende mechanische Eigenschaften, speziell die hohe Festigkeit, geringe Schlagempfindlichkeit und die aus diesen beiden Faktoren resultierende Abriebfestigkeit, ermöglicht den Einsatz bei Teilen, welche in der Praxis einer hohen Belastung ausgesetzt werden sollen. Auch lässt sich bei diesen Materialien eine vergleichsweise hohe Maßgenauigkeit feststellen.

Aus thermischer Sicht kann man hier zudem auf eine gute Wärmeformbeständigkeit hinweisen.

Acrylharz

Wenn die Acrylharze vollkommen ausgehärtet sind gelten sie als besonders haltbar. Sie verfügen daher über eine ausgezeichnete Langlebigkeit und gute Festigkeit. Es ist zudem das Witterungsbeständigste der hier aufgeführten Materialien.

Vinylesterharz

Unter den drei hier genannten Harzen ist beim Vinylharz die höchste Festigkeit sowie chemische Beständigkeit möglich. Die Herstellung erfolgt über die Veresterung von Epoxidharzen mit z.B. Acrylsäure

5.3 UV-Laser

Die für die Aushärtung benötigten Laser arbeiten bei modernen Anlagen vorzugsweise mit Helium-Cadmium-Lasern, seltener auch mir Argon-Ionen-Lasern.

He-Ca-Laser produzieren hierbei UV-Licht, das über einen hohen Wirkungsgrad bei den genutzten Photopolymeren verfügt. Der hauptsächliche Grund ist hierbei die Überschneidung der jeweiligen Wellenlängenbereiche. Die vom Laser genutzte Energie wird entweder durch Gas, Kristalle oder einer Flüssigkeit bereitgestellt, an der Spannung anliegt. Gängige Arbeitsgeschwindigkeit ist hierbei etwa 10 m/s.

5.4 Optische Scanner / Strahlenführungssysteme

Der optische Scanner ist hier in der Regel ein dynamischer Spiegel, in dem ein Strahlenführungssystem integriert ist. Dieses reflektiert den UV-Laser zu den zutreffenden X/Y- Koordinaten auf dem zu bearbeitenden Material. Zudem kommen Strahlenexpander zum Einsatz, welche sich hierbei direkt vor dem optischen Scanner befinden, und verstärken das Laserlicht somit von Anfang an.

5.5 Steuerungseinheit (Mikroprozessor)

Die gesamte Anlage wird hier über einen Mikroprozessor gesteuert. Der Prozessor steigert hierbei z.B. die Produktivität durch eigenständiges Errechnen der jeweilig optimalen Route für das zu druckende Profil. Hierbei wird auch bedarfsgerecht die Druckgeschwindigkeit angepasst, das Heben und Senken im Drucker gesteuert sowie der Monomer-Füllstand überwacht. Meist steht zusätzlich noch eine Sammlung von leistungsfähigen Werkzeuge-Programmen (Toolchain) unterstützend zu Verfügung.

5.6 Betriebssoftware

Alle modernen STL agieren hier nach dem gleichen Prinzip. Ein bereits in CAD modellierter Körper kann direkt in ein für den Drucker lesbares Format gebracht werden (.stl-Datei). Dieser liest die Datei und optimiert diese wie oben beschrieben eigenständig.

5.7 Aufbau des Verfahrens

In der Prozesskammer läuft der eigentliche Herstellungsprozess ab. Dieser besteht im Wesentlichen aus der Bauplattform, dem Monomer-Behälter, in dem sich das Grundmaterial befindet, sowie dem Beschichtungssystem und die Niveau-Kontrolle zur Höhenanpassung zwischen den Einzelnen Arbeitsschritten. Durch diese lässt sich zudem im Wesentlichen die Detailgenauigkeit und Schichtstärke steuern.

Das Steuersystem in der Prozesseinheit hierbei als Kontrolleinheit und überwacht die einzelnen Stufen und jeweils beteiligten Komponenten beim Druck.

5.8 Herstellungsprozess

Bevor es zur eigentlichen Fertigung kommt muss der zu druckende Körper mittels entsprechender 3D-CAD-Software erstellt worden sein sowie in ein kompatibles STL Format konvertiert werden. Anschließend werden die notwendigen Stützkonstruktionen, welche speziell bei sehr filigranen Bauteilen benötigt werden, digital erstellt. Das Risiko, dass beim Herausnehmen aus dem Drucker oder beim Druckprozess an sich dem Bauteil Schaden zugefügt wird, wird hiermit kompensiert. Auch für Hohlräume oder zu starken Überhängen sind diese Stützen notwendig.

Das zu druckende Objekt wird nun per Software virtuell in Schichtstärken zwischen meist 0,05mm und 0,25mm “geschnitten“. Der Schnitt erfolgt hier zudem ausschließlich horizontal von unten nach oben, wobei jeder Schnitt einen Arbeitsgang im Drucker darstellt. Wählt man hier eine feinere Schichtung so dauert der Druck zwar länger und ist somit auch kostenintensiver jedoch aber auch deutlich genauer. Umgekehrt verhält es sich mit dicken Schichtstärken.

Beim Druck polymerisiert der UV-Laser wie bereits oben beschrieben den sich in der Prozesskammer befindlichen Photopolymer Schicht für Schicht. Ist der Vorgang für eine Schicht komplett abgeschlossen so senkt sich das Werkstück um eine Schichtstärke. Ein sogenannter Wischer verteilt den noch flüssigen Kunststoff gleichmäßig über dem entsprechenden Teil und der Arbeitsgang beginnt von vorn. So entsteht schrittweise ein dreidimensionales Modell, welches nach der Beendigung des Druckvorgangs, sobald alles überschüssiges Harz abgetropft ist, von der Stützstruktur herausgelöst werden kann.

Das herausgelöste Modell wird anschließend noch mit Lösungsmittel abgewaschen, bevor es über Stunden unter UV-Licht komplett aushärtet.

Interessant zu wissen: In einem Unterverfahren, der sogenannten “Mikrostereolithografie“, welches speziell für Mikro-Teile entwickelt wurde können Querschnittsdicken von bis zu 0,001mm realisiert werden. Hier sind zudem keinerlei Stützstrukturen notwendig und das Nachhärten kann oftmals entfallen. Speziell in der Medizin und bei kleinen Stückzahlen kann dieses Unterverfahren seine Vorteile ausspielen.

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