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Grundlagen und Anw

endungen

des Additive Manufacturing (AM

)

Andreas Gebhardt


Der Autor:

Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt

Centrum fr Prototypenbau GmbH, Strassburger Allee 13, 41812 Erkelenz

Fachhochschule Aachen, Fachbereich Maschinenbau und Mechatronic Goethestrae 1, 52064 Aachen

Bibliograische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio-graie; detaillierte bibliograische Daten sind im Internet ber abrufbar.

Print-ISBN:978-3-446-44238-2 E-Book-ISBN: 978-3-446-44237-5

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wren und daher von jedermann benutzt werden drten.

Alle in diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw. Daten wurden nach bestem Wissen dargestellt. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschlieen. Aus diesem Grund sind die in diesem Buch ent-haltenen Darstellungen und Daten mit keiner Verplichtung oder Garantie irgendeiner Art ver-bunden. Autoren und Verlag bernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Hatung bernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Darstellungen oder Daten oder Teilen davon entsteht.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschtzt. Alle Rechte, auch die der bersetzung, des Nach-druckes und der Vervielfltigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schritliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikroilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht fr Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderflle , reproduziert oder unter Verwendung elektro-nischer Systeme verarbeitet, vervielfltigt oder verbreitet werden.

2014 Carl Hanser Verlag Mnchen Herstellung: Jrg Strohbach Coverconcept: Marc Mller-Bremer, www.rebranding.de, Mnchen Coverrealisierung: Stephan Rnigk Satz, Druck und Bindung: Ksel, Krugzell Printed in Germany

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Rapid Prototyping, Generative Fertigungsverfahren, 3D-Drucken, und die englischen Varianten 3D Printing, Desktop Manufacturing, sind identische Bezeichnung fr die Technologie und Anwendung der Schichtbauverfahren.

Die unterschiedlichen Begrife bezeichnen jene neuen Fertigungsverfahren, denen nachgesagt wird, sie begrndeten eine weitere industrielle Revolution. Sie sind ge-eignet die Produktentwicklung durch schnelle Verfgbarkeit komplexer Prototypen zu beschleunigen und in ihrer Qualitt zu verbessern. Sie versetzen uns aber auch in die Lage, direkt und losgrenunabhngig Endprodukte herzustellen. Damit mar-kieren sie tatschlich eine Revolution der Fertigungstechnik: Die Wandlung von einer Fertigungstechnologie zur Herstellung groer Serien von gleichen Teilen hin zu einer Herstellung von unterschiedlichen Teilen, seien es Einzelteile oder belie-bige Serien oder auch Mischungen daraus.

Das 3D-Drucken ist in allen Branchen einsetzbar. Jeder, der mit Konstruktion und Fertigung, aber auch mit strategischer Planung zu tun hat, sollte daher ber diese Technologie so viel wissen, dass eine qualiizierte Bewertung und Auswahl erfolgen kann.

Dieses Buch vermittelt in knapper, der Praxis angemessener Form die Grundlagen der Verfahren und zeigt exemplarische Anwendungen. In die Betrachtung werden alle heute verfgbaren Verfahren aufgrund einer Systematik einbezogen, die auch die Einordnung und Bewertung zukntiger Verfahren ermglicht.

Neben den Verfahren werden neue Arbeitsformen diskutiert, die sich aus der digi-talen ortsunabhngigen Fertigung ergeben und eine dezentrale Fertigung ermg-lichen, die die heutige Produktionsorganisation grndlich verndern knnte.

Ein Glossar untersttzt die tgliche Arbeit mit dem 3D-Drucken und den schnellen Zugang.

Hinsichtlich der Bilder und Graiken sei auf das E-Book verwiesen, das mittels

farbiger Darstellungen den optischen Eindruck verstrkt.

Aachen, Oktober 2014 Andreas Gebhardt

Vorwort

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Danksagung

Der interdisziplinre Charakter des Additive Manufacturings oder 3D-Druckens, aber auch die sehr groe Entwicklungsgeschwindigkeit weltweit, machen es fr eineeinzelne Person nahezu unmglich, das Gebiet vollstndig und richtig wiederzu-geben.

Deshalb freue ich mich ber vielfltige Hilfe. Dank geht an meine Kollegen vom Centrum fr Prototypenbau (CP-GmbH), Erkelenz, die vor allem fr den Kontakt zur Praxis sorgten. Besonderer Dank gilt Frau Besima Smer, Herrn Christoph Schwarz und Herrn Michael Wolf.

Einen groen Beitrag, besonders auf dem Gebiet Metallverfahren (SLM) und Fabber, lieferten meine Kollegen in der FH Aachen, besonders das Goethe-Lab Team. Na-mentlich bedanke ich mich bei Herrn Jan-Stefen Htter, Frau Miranda Fateri, Frau Laura Thurn, Frau Julia Kessler, Frau Mirjam Knothe, Herrn Stefan Thmmler und Herrn Max Kunkel.

Besonderer Dank geht an den Hanser Verlag; an meine Lektorin Frau Monika Stve und an Ihren Mann Hajo Stve, der mich bei der Rckbersetzung aus dem Eng-lischen untersttzt hat und an den (leider jetzt ausgeschiedenen) Bilderzauberer, Herrn Stefen Jrg, der bei allen meinen Bchern auch aus angelieferten Punkte-wolken ausdrucksstarke Bilder zu machen wusste.

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Dr.-Ing. Andreas Gebhardt, Jahrgang 1953, studierte an der technischen Hochschule Aachen Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Motoren- und Turbinenbau. Er pro-movierte 1986 bei Professor Dibelius mit einer Arbeit ber das instationre Verhalten konventioneller Dampf-kratwerksblcke.

Von 1986 bis 1991 war er Geschtsfhrer eines Spe-zialbetriebes fr Motoreninstandsetzung sowie der Fer-tigung von Spezialmotoren und Motorenteilen.

1991 wechselte er in die Geschtsfhrung der Laser Be-arbeitungs- und Beratungszentrum NRW GmbH (LBBZ-

NRW). Das LBBZ ist auf die lasergesttzte Fertigung spezialisiert und beschtigt sich bereits seit 1992 mit dem Rapid Prototyping.

1997 wurde das CP Centrum fr Prototypenbau GmbH, Erkelenz/Dsseldorf, ge-grndet, dessen Geschtsfhrung Andreas Gebhardt bernahm. Das CP ist ein Ra-pid Prototyping Dienstleister und fertigt Prototypen aus Kunststof und Metall als Einzelstcke und in kleinen Serien. Vom 3D-CAD ber die generativen Fertigungs-anlagen bis hin zum Werkzeugbau verfgt das CP ber alle Elemente einer voll-stndig geschlossenen Rapid Prototyping Prozesskette. Die praktischen Erfahrun-gen im CP bilden das fachliche Rckgrat fr die in diesem Buch aufbereitete Thematik.

Zum Sommersemester 2000 wurde Andreas Gebhardt als Professor fr Hochleis-tungsverfahren der Fertigungstechnik und Rapid Prototyping an die Fachhochschule Aachen berufen. Dort leitet er eine Forschergruppe und Labore zum Lasersintern von Metallen (SLM-Verfahren), Polymerdrucken, 3D-Drucken (Pulver-Binder-Verfah-ren), Extrusionsverfahren (FDM) und zum Einsatz unterschiedlicher Fabber.

Seit dem Wintersemester 2000 ist Andreas Gebhardt Gastprofessor am City College der City University New York.

Seit 2004 ist er Herausgeber des RTeJournals (www.rtejournal.de), einer open- access online-Zeitschrit fr Rapid Technologie.

ber den Autor

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Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII

ber den Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

1 Grundbegrife, Deinitionen und Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Grundbegrife und Deinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1 Generative Fertigungsverfahren Schichtbauverfahren . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Prinzip der Schichtbauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.1 Direkte Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1.1 Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.1.2 Rapid Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.1.3 Rapid Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 Anwendungsebenen Indirekte Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.1 Indirect Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.2 Indirect Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3.3 Indirect Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.4 Maschinenklassen fr Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.4.1 Fabricator und Andere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.4.2 Generische Bezeichnungen fr AM-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.5 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.6 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2 Schichtbauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.1 Direkte Schichtbauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.1 Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.1.1.1 Laser-Stereolithograie (LS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.1.1.2 Polymerdruckverfahren und Thermojet-Drucken

(Polymerjetting) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.1.1.3 Digital Light Processing/Lampen-Masken-Verfahren . . . . . . . . . . 412.1.1.4 Mikro-Stereolithograie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.1.2 Sintern und Schmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.1.2.1 Lasersintern Selektives Lasersintern (LS SLS) . . . . . . . . . . . . 432.1.2.2 Laserschmelzen Selektives Laserschmelzen (SLM) . . . . . . . . . 462.1.2.3 Elektronenstrahl-Schmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Inhalt

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XII Inhalt

2.1.3 Extrusion Fused Layer Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.1.4 Pulver-Binder-Verfahren Dreidimensionales Drucken

(Drop on Powder Process) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.1.4.1 Three Dimensional Printing Z-Corporation . . . . . . . . . . . . . . . 512.1.4.2 Three Dimensional Printing Prometal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.1.4.3 Three Dimensional Printing Voxeljet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.1.5 Layer Laminate Manufacturing (LLM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.1.5.1 Layer Laminate Manufacturing, Laminated Object

Manufacturing (LOM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.1.5.2 Layer Laminate Manufacturing, Paper Lamination, MCOR . . . . . 582.1.5.3 Layer Laminate Manufacturing, Laminate Printer . . . . . . . . . . 582.1.5.4 LLM Maschinen fr Metallteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.1.6 Andere Prozesse: Aerosolprinting und Bioplotter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.1.6.1 Aerosolprinting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.1.6.2 Bioplotter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.2 Maschinen fr Additive Herstell ungsver fah ren Fabricatoren, Printer und Drucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.3 Secondary Rapid Prototyping Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.4 Schlussfolgerungen und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.5 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.1 Datenluss und Prozessketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.1.1 Allgemeine AM-Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.1.2 Prozesskette und Datenluss fr Rapid Prototyping und

Rapid Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.1.3 STL- und AMF-Datenstruktur, Fehler und Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . 75

3.2 Anwendungen des AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.2.1 Automobilindustrie und Zulieferer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.2.1.1 Automobilkomponenten: Interieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.2.1.2 Automobilkomponenten: Exterieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.2.2 Lutfahrtindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.2.3 Konsumgter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.2.4 Spielzeugindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.2.5 Kunst und Kunstgeschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.2.6 Gieerei und Gietechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.2.6.1 Sandguss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.2.6.2 Wachsausschmelzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.2.7 Formenbau fr Kunststof Spritzgieen und Metall Feingieen (Rapid Tooling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.2.8 Medizintechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.2.9 Architektur und Landschatsgestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023.2.10 Verschiedene Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.2.10.1 Mathematische Funktionen und 3D-Graiken . . . . . . . . . . . . . . . . 1043.2.10.2 3D-Dekorationsobjekte und Ornamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.2.10.3 Aerodynamische und Freiformobjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

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Inhalt XIII


3.4 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4 Additive Manufacturing, Konstruktion und Strategien . . . . . . . . . . . . . 1114.1 Potenziale additiver Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.2 Potenziale und Perspektiven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.2.1 Komplexe Geometrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.2.2 Integrierte Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.2.3 Integrierte Funktionalitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.2.4 Multi-Material-Bauteile und Gradientenmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.3 Neue AM basierte Strategien Personalisierte Fertigung (Customization) . . . . . . 1274.3.1 Customized Mass Production Individualisierte Massenfertigung . . . . . . 128

4.3.1.1 Einzelstcke und Kleinserienproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.3.1.2 Individualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1294.3.1.3 Personalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.3.2 Personal Fabrication persnliche Produktion Self customization . . . . 1354.3.3 Distributed Customized Production Verteilte individualisierte

Produktion Coproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137


4.5 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5 Materialien, Entwurf und Qualittsaspekte fr additive Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.1 Materialien fr additive Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1415.1.1 Anisotrope Eigenschaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.1.2 Isotrope Grundmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

5.1.2.1 Kunststofe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.1.2.2 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.1.2.3 Keramische Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515.1.2.4 Kompositwerkstofe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.1.3 Individuell zugeschnittene (graded) Werkstofe und Kompositwerkstofe 153

5.2 Konstruktions- und Entwurfsrichtlinien fr AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1545.2.1 Toleranzen Vom digitalen Entwurf zum Objekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1545.2.2 Designfreiheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.2.3 Relative Passgenauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.2.4 Flexible Bauteile, Gelenke, Clips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.2.5 Lage und Positionierung der Bauteile im Bauraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1585.2.6 Bohrungen (Lcher), Spalte, Stite und Wnde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.3 AM-Eigenschaten, Auswahl, Bauorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162


5.5 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

Glossar: Begrife und Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

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Kapitel 1 enthlt einen kurzen berblick ber die Technologie der Generativen Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) und das ihr zugrunde liegende Prinzip der Schichtbauverfahren einschlielich der wesentlichen Deinitionen sowie ihre Anwendungen.

Im Rahmen dieses Buches wird das Thema aus der Sicht des Anwenders betrachtet und industrielle Anwendungen der Generativen Fertigungsverfahren vorgestellt.

Alle Begrife werden durch den stufenweisen Aufbau der AM-Anwendungsebenen als bersichtsschema verknpt, welches die Deinitionen und Abhngigkeiten der verschiedenen Anwendungen zusammenfasst. Im weiteren Verlauf werden diese in Form von typischen Anwendungsbeispielen verdeutlicht. Das vollstndige ber-sichtsschema der AM-Anwendungsebenen ist in Bild 1.1 dargestellt (siehe auch Abschnitt 1.2.1.3 Rapid Tooling).

Generative

Fertigungsverfahren

Rapid Prototyping

Rapid Manufacturing

Direct Manufacturing

Direct Tooling

Functional Prototyping

Solid Imaging Concept Modeling

Prototype Tooling

Generative Verfahren

Nicht-generative Verfahren

Indirect Prototyping

Rapid

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Indirect Tooling

Indirect Manufacturing

Bild 1.1 Generative Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM), bersichtsschema: Deinition der Technologie- und Anwendungsebenen

Grundbegrife, Deinitionen und Anwendungen1

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2 1Grundbegrife, Deinitionen und Anwendungen

1.1Grundbegrife und Deinitionen1.1.1Generative Fertigungsverfahren Schichtbauverfahren

Ein Generatives Fertigungsverfahren (AM) ist ein automatisierter Prozess zur Herstellung mastblicher dreidimensionaler physischer Objekte unmittelbar aus einem 3D-CAD-Datensatz. Er basiert auf dem Schichtbauprinzip und bentigt keine bauteilabhngigen Werkzeuge. Ursprnglich wurde dieses Verfahren als Rapid Prototyping bezeichnet, wie es auch heute noch huig genannt wird.

Zusammen mit den Subtraktiven Fertigungsverfahren, wie Frsen oder Drehen und den Formativen Fertigungsverfahren, wie Gieen oder Schmieden, stellen Generative Fertigungsverfahren die dritte Sule der gesamten Fertigungstechno-logie dar/Bur93/.

Als die ersten Anstze fr Generative Fertigungsverfahren 1987 auf den Markt kamen, wurden diese Rapid Prototyping oder Generative Herstellung genannt. Beide Begrife sind noch in Gebrauch und in den folgenden Jahren wurden viele abweichende Namen prsentiert und huig weitere hinzugefgt (z.B. Desktop Manufacturing, Freeform Manufacturing, usw.). Obwohl jede der Bezeichnungen aus dem besonderen Blickwinkel der Erinder als perfekt betrachtet wird, rufen viele von ihnen Verwirrung hervor. Dies ist ot einer der Grnde, warum besonders Neulinge in diesem Industriezweig sich manchmal auf dem Gebiet der Generativen Fertigungsverfahren verloren vorkommen.

Um einen kurzen berblick zu erhalten, wird eine kleine Auswahl huig benutzter Bezeichnungen einer Gruppe von Schlsselbegrifen zugeordnet. Huig benutzte Begrife beinhalten Schlsselbegrife wie:

additiv Generative Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) Schichtbauverfahren (Additive Layer Manufacturing, ALM)

Direkte Generative Fertigung (Additive Digital Manufacturing, DM)

Schicht (layer)

Schichtbauverfahren (Layer Based Manufacturing)

Schichtorientierte Fertigungsverfahren (Layer Oriented Manufacturing)

Schichtbauverfahren (Layer Manufacturing)

schnell (rapid)

Schnelle Generative Fertigungsverfahren (Rapid Technology)

Generative Herstellung von Modellen und Prototypen (Rapid Prototyping)

Generative Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinstzen (Rapid Tooling)

Generative Herstellung von Produkten (Rapid Manufacturing)

digital Direkte generative Herstellung von Produkten (Digital Fabrication) Generative Herstellung von Konzeptmodellen zur Visualisierung (Digital Mock-Up)

direkt (direct)

Direkte generative Herstellung von Produkten (Direct Manufacturing)

Direkte generative Herstellung von Werkzeugen, Werkzeugeinstzen, Lehren, Formen

(Direkt Tooling)

3D Generatives Herstellungsverfahren 3D-Drucken (3D Printing) Generatives Herstellungsverfahren 3D-Modellherstellung (3D Modeling)

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1.1Grundbegrife und Deinitionen 3

Darber hinaus gibt es alle mglichen (und sogar zunchst unvorstellbare) Kom-binationen dieser Schlsselbegrife. Hinweis: Einige dieser Begrife unterliegen dem Copyright-Schutz! Auerdem sind zustzliche Begrife in Gebrauch, die im Zusam-menhang mit neuen und innovativen Herstellungsverfahren gebildet wurden, wie

Desktop Manufacturing (Herstellung im Bro/auf dem Schreibtisch) On-Demand Manufacturing (Herstellung nach individueller Anforderung) Freeform Manufacturing (Herstellung von Bauteilen mit beliebigen Freiform-lchen)

Da Generative Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM) eine verhltnis-mig junge Technologie ist, gab es ber viele Jahre nahezu keine Bemhungen zur Standardisierung. Aufbauend auf einigen vorluigen Formulierungen in Deutsch-land in den frhen 90er-Jahren wurde im Jahr 2007 die Richtlinie Rapid Proto-typing /VDI 3404/ unter der Federfhrung des VDI, Verein Deutscher Ingenieure, erarbeitet. Diese wurde im Herbst 2008 verfentlicht. Im Jahr 2009 begann die American Society of Mechanical Engineers (ASME) in Zusammenarbeit mit der American Society for Testing and Materials (ASTM) eine eigene Standardisie-rungsrichtlinie zu erarbeiten. Im Herbst 2009 gab das Komitee F42 fr Generative Fertigungsverfahren (Unterkommitee F42.91 fr Terminologie) F2792-09e1/F2792/, eine Standard Terminologie fr Generative Fertigungsverfahren (Standard Termi-nology for Additive Manufacturing Technologies) heraus. Neben anderen Begrifs-bestimmungen wurde der Begrif Generative Fertigungsverfahren (Additive Manu-facturing) von diesem Komitee deiniert.

Da immer viel Zeit verstreicht, bis neu deinierte Begrife allgemein akzeptiert wer-den, ist nach wie vor eine groe Vielfalt verschiedener Begrife, vermehrt durch Markenbezeichnungen und von Herstellern propagierte Bezeichnungen, in Ge-brauch; manchmal sogar in gegenseitiger Konkurrenz.

1.1.2Prinzip der Schichtbauverfahren

Der Begrif Additive Manufacturing, AM oder auch Generative Fertigungsverfah-ren, beinhaltet jeden denkbaren Prozess der Anordnung von Material zur Her-stellung eines dreidimensionalen physischen Bauteils (part). Die technische Rea-lisierung des AM grndet aber ausschlielich auf Schichten und wird deshalb alsSchichtbautechnologie (layer-based technology oder layered technology) oder schichtenorientierte Technologie (layer-oriented technology) bezeichnet. Daher werden heute Begrife wie Additive Manufacturing, Generative Herstellungsver-fahren und Schichtbautechnologie (layer-based technology) gleichbedeutend an-gewendet.

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Bedingt durch die gleichmige Dicke der Schichten, weisen alle mittels Schicht-technologie gefertigten Bauteile einen Treppenstufenefekt entsprechend Bild 1.2 (rechts) auf.

Bild 1.2 Prinzip der Schichtbauweise: Konturierte Schichten (links), 3D-Objekt erzeugt durch versetzte Schichten (rechts) (Quelle: HASBRO/MB Puzzle)

Wenn zukntig neue additive Technologien verfgbar sein sollten, wird es erfor-derlich sein, diese in die gegenwrtige Struktur der AM-Begrife einzuordnen. So wurde zum Beispiel ein Prozess genannt Ballistic Particle Manufacturing, BPM bereits in den frhen 1990er-Jahren eingefhrt, verschwand aber bald darauf wie-der. Der Prozess fhrte dem Bauteil Material aus allen Raumrichtungen zu, indem diskrete Volumina (Voxels) auf das entstehende Objekt mittels Freistrahl aufge-tragen (aufgeschossen) wurden. Diese Technologie war zwar additiv, aber nicht schichtenbasiert.

Additive Herstellungsverfahren (AM)

Additive Herstellungsverfahren (AM) sind automatisierte und schichtweise wie-derkehrende Prozesse, die auf dem Prinzip der Schichttechnologie aufbauen. Sie werden durch eine Prozesskette charakterisiert, die in Bild 1.3 dargestellt ist.

Der Prozess beginnt mit einem (virtuellen) dreidimensionalen CAD-Datensatz, der das herzustellende Teil wiedergibt. In der Engineeringphase wird der Datensatz typischerweise mittels 3D-CAD Konstruktion (CAD), durch Scannen oder durch bild-gebende Verfahren wie Computer-Tomograie (CT-Scanning) erzeugt.

Unabhngig davon wie der 3D-Datensatz erzeugt wurde, wird er im ersten Schritt mittels Rechner und spezieller Sotware in Scheiben oder Schichten zerteilt. Als Ergebnis wird ein Satz konturierter virtueller Schichten gleichmiger Dicke ge-wonnen.

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1.1Grundbegrife und Deinitionen 5

Rechnerinterne

Schnittdarstellung

Rechnerinternes

CAD-Modell

PhysischesBauteil

Generative Fertigung

Umsetzung der Einzelquerschnitte in physische Schichten

+Zusammenfhrung der physischen

Einzelschichten zum Bauteil

Virtuelle Ebene.

Erzeugung dermathematischen

Schichtinformation

Reale oderphysische Ebene

Generierung desphysischen

Bauteils

Bild 1.3Additive Herstellungsverfahren (AM): Prozesskette

Der Datensatz, bestehend aus den Konturdaten (x-y), der Schichtdicke (dz) und der Schichtennummer (oder Z-Koordinate) jeder Schicht wird einer Maschine bermit-telt, die zwei grundstzliche Prozessschritte je Schicht ausfhrt, um das Teil zu er-zeugen.

Im ersten Schritt wird jede Schicht gem der vorgegebenen Kontur und Schicht-strke hergestellt. Dies kann in unterschiedlicher Weise unter Anwendung ver-schiedener physikalischer Grundlagen erfolgen. Die einfachste Methode ist, die Kon-tur aus einer Folie oder einer Platte (aus)zuschneiden. Im zweiten Schritt wird jede Schicht mit der vorhergehenden verbunden und bildet dann die oberste Lage des teilweise erzeugten Bauteils.

Schicht um Schicht wchst so das physische Modell vom Boden bis zur Spitze (von unten nach oben), bis das Teil fertiggestellt ist.

Diese grundstzlichen Schritte, Prozesskette genannt, sind fr alle etwas mehr als 200 verschiedenen, heute erhltlichen AM-Maschinen gleich. Die Maschinen unter-scheiden sich lediglich in der Art der Erzeugung jeder einzelnen Schicht und in der Weise, wie benachbarte Schichten verbunden werden, um das Teil zu formen. Daher sind alle Maschinen, die spter in Kapitel 2 Schichtbauverfahren erlutert werden, durch einige gemeinsame Eigenschaten gekennzeichnet.

Sie verwenden alle einen 3D-Datensatz also ein dreidimensionales, virtuelles Ob-jekt, das auch als Digitales Produktmodell bezeichnet wird.

Die von ihnen gefertigten Bauteile entstehen alle unter Verwendung von Schichten gleicher Strke, entsprechend der Querschnitte des Produktmodells. AM ist somit prinzipiell ein 2 D-Prozess.

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Die Bauprozesse haben keine Wechselwirkung mit der Produktentwicklung, sind also lediglich Faksimiles des digitalen Produktmodells.

Die Maschinen knnen daher in jedem Stadium der Produktentwicklung und zur Produktion eingesetzt werden.

Die Bauprozesse verwenden prozessorientierte und daher meist auch maschinen-speziische Materialien. Dadurch entsteht eine enge Verknpfung zwischen Ma-schine, Prozess und Baumaterial, die (heute noch) alle durch den Maschinenher-steller angeboten werden. Dieser Efekt wird mit der zunehmenden Anzahl von aufdem Markt beindlichen Maschinen reduziert. Auch erhht sich dadurch die Neigung unabhngiger Materialzulieferer, in den Markt einzutreten.

In diesem Zusammenhang soll nochmals betont werden, dass Additive Herstel-lungsverfahren (AM) Fertigungsprozesse sind.

1.2AnwendungenDie Mehrheit der an Additiven Herstellungsverfahren (AM) Interessierten mchte in erster Linie wissen, wie diese neue Technologie genutzt werden und welche Art von neuen und unterschiedlichen Produkten mithilfe ihrer Anwendung entwickelt wer-den kann. Darber hinaus ist es von Vorteil, korrekte Begrife in den Diskussionen innerhalb der Produktentwicklungsgruppen zu verwenden.

Vielfach wird angenommen, dass jeder der unterschiedlichen AM-Prozesse, die im Einzelnen in Kapitel 2 Schichtbauverfahren beschrieben werden, an eine be-stimmte Anwendung dergestalt gebunden ist, dass ein bestimmter AM-Prozess le-diglich fr eine einzige oder eine kleine Anzahl von Anwendungen genutzt werden kann, whrend ein anderer Prozess einzig fr eine andere Anwendung geeignet ist. Diese Aufassung fhrt dazu, dass Interessierte zuerst alle mglichen Prozesse stu-dieren und sich erst danach mit geeigneten Anwendungen beschtigen.

In der Praxis beginnt die Auswahl des am besten geeigneten AM-Prozesses mit der Festlegung der geeigneten Anwendung. Anschlieend fhren bestimmte Anforde-rungen wie Abmessungen, gewnschte Oberlchengte, zulssige mechanische Be-lastungen, Temperaturen, usw. zur Auswahl des geeigneten Materials und schlie-lich zur Wahl eines Prozesses oder einer Maschine, die diese Anforderungen in zufriedenstellender Weise erfllen kann. Grundstzlich sind unterschiedliche AM-Prozesse geeignet, eine bestimmte Aufgabenstellung alternativ zu lsen.

Bevor die unterschiedlichen additiven Herstellungsverfahren (AM) dargestellt wer-den (Kapitel2 Schichtbauverfahren), sollen daher die Anwendungsgebiete struk-turiert dargestellt werden.

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1.2Anwendungen 7

Dazu mssen die Begrife Technologie und Anwendung unterschieden werden. Technologie wird deiniert als die Wissenschat von einem technischen Prozess. Sie beschreibt den wissenschatlichen Ansatz.

Unter Anwendung wird der Einsatz der Technologie zum Nutzen des Anwenders verstanden und dies dementsprechend auch als praktischer Ansatz bezeichnet. Fr einen besseren berblick werden sogenannte Anwendungsebenen deiniert. Diese Deinitionen werden allgemein akzeptiert, obwohl sie bislang nicht standardisiert sind und trotz aller Bemhungen um Standardisierung teilweise unterschiedliche Begrife in Gebrauch sind. Wie in Bild 1.4 dargestellt, werden die AM-Technologien durch die Hauptanwendungsebenen, Rapid Prototyping und Rapid Manufactu-ring, charakterisiert.

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Bild 1.4 AM: Technologieebene und die beiden Anwendungsebenen Rapid Prototyping undRapid Manufacturing

Rapid Prototyping umfasst alle Anwendungen, die zu Prototypen, Modellen oder zur Visualisierung von Konzepten fhren. Rapid Manufacturing wird angewendet, wenn Endprodukte oder schlicht Produkte erzeugt werden.

1.2.1Direkte Prozesse

Alle AM-Prozesse werden Direkte Prozesse genannt, um auszudrcken, dass aus dem digitalisierten Prozessmodell mittels einer generativen Maschine auf direktem Wege ein physisches Objekt genannt Bauteil, engl. part erzeugt wird. Im Ge-gensatz dazu werden einige Verfahren als Indirekte Prozesse oder auch Indirekte Rapid Prototyping Prozesse bezeichnet. Bei diesen Prozessen wird nicht das Prin-zip der Schichtbauweise angewendet, sodass sie folgerichtig nicht als AM-Prozesse

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gelten. Tatschlich sind indirekte Prozesse Kopiervorgnge, die in der Regel auf Vakuumguss aus Silikonformen (siehe Abschnitte 1.3.1 Indirect Prototyping und 2.2 Maschinen fr Additive Herstellungsverfahren Fabrikatoren, Printer und Dru-cker) beruhen. Da AM-Teile als Modelle benutzt werden, wurde der Begrif Indi-rekte Rapid Prototyping Prozesse eingefhrt, vermutlich weil er innovativer klingt. Die Verfahrensweise wird in Abschnitt 1.3 Anwendungsebenen Indirekte Pro-zesse beschrieben.

1.2.1.1Rapid Prototyping

Mit Bezug auf die Anwendungsebene Rapid Prototyping knnen zwei Unterebenen festgelegt werden: Solid Imaging (Erzeugung einer dreidimensionalen Abbildung, oder einer Skulptur) und Concept Modeling (Erzeugung eines Konzeptmodells) einerseits und Functional Prototyping (Erzeugung eines Funktionsprototyps) an-dererseits (Bilder 1.5 und 1.8).

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Bild 1.5 AM: Anwendungsebene Rapid Prototyping; Unterebene Solid Imaging und Concept Modeling

Solid Imaging oder Concept Modeling erzeugen eine Bauteilfamilie, die zur Veri-izierung eines Basiskonzeptes dienen. Die Teile hneln einer dreidimensionalen Abbildung oder einer Plastik. In den meisten Fllen knnen sie nicht belastet wer-den. Sie vermitteln lediglich einen rumlichen Eindruck zur Beurteilung der all-gemeinen Erscheinung und der Proportionen. Daher werden diese Teile auch show-and-tell models (Anschauungsmodelle) genannt.

Mastbliche Konzeptmodelle werden ot eingesetzt, um komplexe CAD-Zeichnun-gen zu veranschaulichen. In diesem Zusammenhang werden sie auch als Datenkon-

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1.2Anwendungen 9

trollmodelle (data control models) bezeichnet (Bild 1.6): Die berprfung der Be-maung dient nicht nur der Kontrolle der CAD-Daten, sondern stellt auch die Grundlage fr sich entwickelnde interdisziplinre Diskussionen dar, z.B. hinsicht-lich Verpackungsfragen. Im Falle des Faltdach-Zusammenstellungsmodells fr ein Cabriolet gem Bild 1.6 erlaubte das Konzeptmodell, die Ideen der Fachabteilungen fr die verschiedenen Aspekte eines Faltdaches der elektrische Antrieb sowie die Kinematik abzugleichen.

Bild 1.6 Anschauungs- oder Konzeptmodell: mastbliche Zusammenstellung einer Dach-konstruktion fr ein Cabriolet; Laser-Sintering (Lasersintern), Polyamid1 (Quelle: CP GmbH)

Farbige Modelle, hergestellt mittels des Pulver-Binder-Prozesses 3D Printing (3D-Drucken) Abschnitt 2.1.4 Pulver-Binder-Verfahren/Dreidimensionales Drucken (Drop On Powder Process) stellen geschtzte Werkzeuge fr die Konzeptentwick-lung dar. Die Einfrbung untersttzt das Erkennen problematischer Zonen eines Produktes und dient der Strafung der Diskussion. Bild 1.7 zeigt ein Anschauungs-modell einer aufgeschnittenen Verbrennungskratmaschine. In der Wirklichkeit ist das Teil natrlich nicht farbig. Die verschiedenen Farben des Modells knnen z.B. mit den Hauptpunkten der Diskussionsagenda verknpt werden.

1 Dieses und andere Teile in diesem Kapitel sind lediglich Beispiele, die AM-Anwendungsebene zu verdeut-lichen. Die Prozesse und eingesetzten Materialien wurden der Vollstndigkeit halber ergnzt. Detaillierte Beschreibungen enthlt Kapitel 2 Schichtbauverfahren, weitere Anwendungen Kapitel 3 Anwendungen.

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Bild 1.7 Anschauungs- oder Konzeptmodell: Aufgeschnittenes Demonstrationsmodell einer Verbrennungskratmaschine; 3D Printing (Quelle: Z-Corporation)

Functional Prototyping (Erzeugung eines Funktionsprototyps) siehe auch Bild 1.8 wird angewendet, um eine oder mehrere voneinander getrennte Funktionen des spteren Produktes zu berprfen und darzustellen oder die Produktionsent-scheidung zu trefen, auch wenn das Modell nicht als endgltiges Teil genutzt wer-den kann. /Geb13/.

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Bild 1.8AM: Anwendungsebene Rapid Prototyping; Unterebene Functional Prototyping

Wie in Bild 1.9 dargestellt, kann das verstellbare Lutauslassgitter der Klimaanlage eines Pkws dazu verwendet werden, die Lutverteilung in einem sehr frhen Sta-dium der Produktentwicklung zu berprfen. Das Bauteil wurde mittels Laser-Stereo lithograie in einem Stck gefertigt.

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1.2Anwendungen 11

Bild 1.9 Functional Prototyping: Einstellbare Lutauslassgitter fr einen Pkw; Laser-Stereolithograie (Quelle: 3D Systems)

Der Stereolithograie Prozess erzeugt eine glatte Oberlche, die die sptere Serien-qualitt imitiert. Allerdings ist diese Art der Herstellung bedingt durch die mecha-nischen und besonders die thermischen Eigenschaten des Materials sowie die Farbe und den resultierenden hohen Preis fr eine Serienfertigung nicht akzeptabel. Die beweglichen Teile wurden angefertigt, indem eine Verbindungsschicht innerhalb der Lagerung teilausgehrtet blieb (siehe Abschnitt 5.2.4 Flexible Bauteile, Ge-lenke, Clips).In einem abschlieenden Schritt wurde das fertiggestellte Teil ge-reinigt und speziell das nicht ausgehrtete Material von Hand entfernt. Danach war der Mechanismus zum Test bereit.

Bild 1.10 zeigt das Gehuse eines Mobiltelefons, das fr die Einrichtung eines rtli-chen Telekommunikationsnetzes fr arme Kommunen entworfen wurde. Das Mobil-telefon wurde von einem niedrigpreisigen Walkie-Talkie (tragbares Wechselsprech-gert) abgeleitet. Um es als Mobiltelefon einsetzen zu knnen, mussten Lautsprecher und Mikrofon neu angeordnet werden, damit simultanes Sprechen und Hren sowie eine angemessene ergonomische Handhabung ermglicht wurde. Das zweiteilige Testgehuse aus ABS-Kunststof wurde mittels Extrusionsverfahren (FDM, siehe Ab-schnitt 2.1.3 Extrusion Fused Layer Modeling) erzeugt. Das Unterteil ist zur Auf-nahme der elektronischen Bauteile konzipiert, whrend das obere Teil als Gehuse-abdeckung dient. Fr beide Bauteile ist eine perfekte Passform erforderlich.

Bild 1.10 Gehuse fr ein Mobiltelefon; Extrusionsverfahren Fused Deposition Modeling, FDM (Quelle: Goethe-Lab, Fachhochschule Aachen)

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Der Gehuseprototyp wurde fr den Nachweis der perfekten Passform sowie zur berprfung der Handhabung genutzt. Bedingt durch die deutlich sichtbare Extru-sionsstruktur sowie die Herstellkosten, die fr eine Serienfertigung zu hoch liegen, ist eine Verwendung als Produkt ausgeschlossen.

1.2.1.2Rapid Manufacturing

Die Anwendungsebene Rapid Manufacturing umfasst alle Prozesse, die Endpro-dukte herstellen oder Bauteile liefern, die anschlieend zu einem Produkt montiert werden mssen.

Ein durch Generative Herstellungsverfahren (AM) erzeugtes Bauteil wird als (End-)Produkt bezeichnet, wenn es alle Eigenschaten und Funktionen aufweist, die im Produktentwicklungsprozess festgelegt wurden. Wenn das erzeugte Teil ein Positiv ist, wird der Prozess Direct Manufacturing (Direktes Herstellungsverfahren) ge-nannt. Ist es ein Negativ, d.h. eine Matrize, eine Form oder eine Lehre, wird es als Direct Tooling (Direkte Herstellung von Werkzeugen, usw.) bezeichnet.

Direct Manufacturing fhrt zu Produkten, die direkt im AM-Prozess erzeugt wer-den (Bild1.11). Dazu ist eine schon recht groe Materialauswahl aller wichtigen Materialarten (Kunststofe, Metalle und keramische Materialien) verfgbar (siehe Abschnitt 5.1.2 Isotrope Grundmaterialien).

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Bild 1.11AM: Anwendungsebenen Rapid Manufacturing; Unterebene Direkt Manufacturing

Fr die Funktion des Bauteils ist es wesentlich, dass das Material und der Herstel-lungsprozess genau die mechanisch-physikalischen Eigenschaten erzeugen, die bei der Konstruktion (allgemein dem Engineering) festgelegt wurden. Ist das gewhr-leistet, dann ist es weniger wichtig dass die verwendeten Materialien mit denjeni-

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1.2Anwendungen 13

genidentisch sind, die in einem vergleichbaren konventionellen Prozess verwendet werden.

Bild 1.12 zeigt eine dreiteilige Dentalbrcke aus einer CoCr-Legierung, die durch Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) hergestellt wurde. Der Datensatz wurde durch einen digitalisierten Abdruck des Patienten generiert. Unter Anwendung einer professionellen Dentalsotware (3Shape) wurde die Dentalbrcke konstruiert und mittels SLM direkt angefertigt. Nach der Feinbearbeitung und An-passung war die Brcke fertig zur Applikation beim Patienten. Im Vergleich zu her-kmmlichen Vorgehensweisen war die Anfertigung der direkt hergestellten Brcke schneller bei perfekter Passform und vergleichbaren Kosten.

Bild 1.12 Direct Manufacturing: Dreiteilige Dentalbrcke (links), Schnitt (ohne Entfernung derUntersttzung (rechts)), Selektives Laserschmelzen (SLM); CoCr-Legierung (Quelle: Goethe-Lab, Fachhochschule Aachen)

Ein Scharnier fr die Abdeckung eines Flugzeugtriebwerks (Bild 1.13, oben) wurde fr die Anfertigung mittels Direct Manufacturing berarbeitet und getestet. Es wurde ein bionisch orientierter Entwurf ausgearbeitet, der zu einer Gewichts-reduzierung von 50% fhrte, jedoch mittels mechanischer Bearbeitung nicht mehr herstellbar war. Das Teil ist in Bild 1.13, unten, abgebildet. Das Teil wurde dann mittels AM-Metallverarbeitungsprozess durch Selektives Laserschmelzen (SLM) an-gefertigt. Es bestand die herkmmlichen Tests und arbeitete tadellos.

Bild 1.13 Direct Manufacturing: Scharnier einer Abdeckung eines Flug-zeugtriebwerks (unten) im Vergleich zu einem herkmmlich gefertigten (oben) Selektives Laserschmelzen, SLM, Edelstahl (Quelle: EADS)

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1.2.1.3Rapid Tooling

Rapid Tooling umfasst alle AM-Prozesse, die zu Kernen, Kavitten oder Einstzen fr Werkzeuge, Matrizen oder Formen fhren. Dabei mssen zwei Unterebenen un-terschieden werden: Direct Tooling (Direkte Werkzeugherstellung) und Prototype Tooling (Herstellung von Werkzeugprototypen).

Direct Tooling ist aus technischer Sicht gleichwertig mit Direct Manufacturing, wobei allerdings Werkzeugeinstze, Matrizen und Formen in Serienqualitt erzeugt werden (Bild1.14).

Generative

Fertigungsverfahren

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Bild 1.14AM: Anwendungsebene Rapid Manufacturing, Unterebene Direct Tooling

Obwohl die Werkzeugkonstruktion vordergrndig lediglich die Inversion des Pro-duktdatensatzes (Umkehrung Positiv zu Negativ) ist, ist es angesichts der komple-xen Detailkonstruktion gerechtfertigt, sie einer eigenen Unterebene zuzuordnen.

Dazu ist es erforderlich, die Trennebenen festzulegen, Schrumpfvorgnge zu be-rcksichtigen, Entformungsschrgen einzubringen, Auswerfer zu dimensionieren, etc. Die Werkzeugherstellung erfordert in der Regel einen metallbearbeitenden Pro-zess und Maschinen, die fr diesen Prozess konstruiert wurden.

Direct Tooling bedeutet nicht, dass ein komplettes Werkzeug hergestellt wird. Tat-schlich werden vor allem Werkzeugeinstze (Kavitten) oder Schieberelemente er-zeugt. Das gesamte Werkzeug entsteht durch Zusammenbau der Einstze und Stan-dardkomponenten oder Einstzen wie bei einer herkmmlichen Werk zeug fer tigung.

Die schichtenbasierte Technologie aller generativen Herstellungsverfahren erlaubt die Er zeugung werkzeuginterner Hohlstrukturen. So knnen zum Beispiel Formen-einstze mit inneren Khlkanlen hergestellt werden (Bild 1.15, rechts), die der

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1.2Anwendungen 15

Kontur des Werkzeugeinsatzes unterhalb dessen Oberlche folgen (Bild1.15, links). Diese Methode wird Conformal Cooling (konturangepasste Khlung) genannt, da die Anordnung der Khlkanle der Kontur der Form folgt. Aufgrund der verstrkten Khlung kann die Zykluszeit fr ein Kunststof-Spritzgussbauteil erheblich verkrzt und so die Produktivitt deutlich gesteigert werden. Darber hinaus kann mithilfe der Anordnung von Heiz- und Khlkanlen ein integriertes Wrmeverteilungssys-tem konstruiert und damit wirkungsvollere Werkzeuge gestaltet werden.

Bild 1.15 Direct Tooling: Formeneinsatz mit konturangepassten Khlkanlen (dunkel) und pneumatischer Auspresseinrichtung (wei); Lasersintern/Laserschmelzen (Laser Fusing), Werkzeugstahl (Quelle: Concept Laser)

Um eine Stahlform fr die Herstellung von Golfbllen zu erzeugen, ist eine hohe Przision erforderlich. Mithilfe des direkten Laser-Metall-Sinterprozesses (SLM) wurde eine endformnahe Struktur (near netshape) generativ hergestellt (Bild 1.16). Es ist ein gutes Beispiel dafr, wie mit Generativen Herstellungsverfahren und anschlieender hochprziser mechanischer Bearbeitung wie Hochgeschwindigkeits-frsen und Erodieren (EDM) der Gesamtprozess optimiert werden kann.

Bild 1.16 Stahlform fr Blasformen; Direktes Laser-Metallsintern (SLM) (Quelle: EOSGmbH/Agie Chamilles)

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Prototype Tooling: Eine Form in Serienqualitt ist huig zu zeit- und kosten-intensiv fr die Fertigung von Kleinserien. Werden nur wenig Teile bentigt oder huig Details verndert, gengt in der Regel eine aus einem Ersatzmaterial her-gestellte vorluige Form den Anforderungen. Diese Art von Form weist die Qualitt von Funktionsprototypen auf, entspricht jedoch zumindest teilweise der Direct Tooling-Anwendungsebene. Die entsprechende Anwendungsebene bewegt sich zwi schen Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing. Diese Unterebene wird als Prototyp Tooling (Herstellung von Prototyp-Werkzeugen) bezeichnet (Bild 1.17). Sie wird auch Bridge Tooling genannt, obwohl diese Bezeichnung auch fr nachrangige Rapid Prototyping Prozesse verwendet wird (siehe Abschnitt 1.3.2 In-direct Tooling).

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Prototype Tooling

Bild 1.17 AM: Anwendungsebene Rapid Prototyping/Rapid Manufacturing; Unterebene Prototype Tooling

Ein aus Polyamid hergestellter Werkzeugprototyp ist als Beispiel in Bild 1.18 dar-gestellt. Er wird fr die Fertigung einer kleinen Serie eines neuen Entwurfs einer Proilsohle fr Gummistiefel genutzt. Die Sohlen werden zur Komplettierung des vorgefertigten Stiefelschates verwendet, ohne dass fr ihre Herstellung vorab ein fr Serien geeignetes Metallwerkzeug angefertigt werden sollte. Verschiedene Soh-lenproile und -materialien knnen nach dem Guss sehr schnell ausgewertet wer-den selbst bei kleinem Budget.

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1.2Anwendungen 17

Bild 1.18 Prototype Tooling: Sohlenmodell eines Gummistiefels; Lasersintern, Polyamid (PA) (Quelle: EOS GmbH)

Ein Werkzeugprototyp aus Kunststof, der auf einer Kunststof-Spritzgussmaschine eingesetzt werden kann, ist in Bild 1.19 dargestellt. Er wird in einem speziellen Ste-reolithograieprozess hergestellt (siehe Abschnitt 2.1.1 Polymerisation) der AIM, ACES Injection Molding genannt wird. ACES ist ein proprietrer Stereolithogra ie-Baustil der Firma 3D Systems Inc. /Geb13/. Beide Formenhlten werden gleichzei-tig mittels AM-Stereolithograie angefertigt bevorzugt mit dnnen Wandstrken die mit wrmeleitendem Material wie mit Aluminium versetztem Epoxidharz hin terfttert werden. AIM ist geeignet fr das Spritzgieen einfach geformter Teile und bei kleinen Stckzahlen.

Bild 1.19 Prototyp Tooling: AIM Spritzgieformen; Formeinsatz; Stereolithograie (Quelle: 3D Systems)

Fasst man die verschiedenen Arten der Werkzeugherstellung zusammen, wird deut-lich, dass Rapid Tooling (schnelle Werkzeugherstellung) keine autonome Anwen-dungsebene darstellt (Bild 1.20). Rapid Tooling umfasst ber die Anwendungsebe-nen hinweg alle Anwendungen generativer Herstellungsverfahren, die Matrizen, Formen oder vergleichbare Einstze erzeugen.

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Bild 1.20 AM: Rapid Tooling, deiniert als eine Unterkategorie, die Prototype Tooling und Direct Tooling integriert

1.3Anwendungsebenen Indirekte ProzesseDer AM-Prozess liefert ein geometrisch exaktes und mastbliches physisches Abbild des virtuellen Datensatzes. Dieser Prozess weist aber auch Nachteile auf, zumindest im Hinblick auf die meisten der heutigen AM-Prozesse (siehe Kapitel 2 Schichtbauverfahren bezglich Einzelheiten).

AM-Prozesse

verarbeiten prozess- und folglich maschinenabhngige Materialien und sind hin-sichtlich Farbgebung, Transluzenz, Transparenz und Elastizitt eingeschrnkt.

erzielen auch bei zunehmendem Produktionsvolumen keine nennenswerte Kos-tendegression.

sind folglich bei der Herstellung zahlreicher Bauteile und besonders bei Serien-fertigung verhltnismig teuer.

Zur berwindung dieser Nachteile knnen AM-Teile als Urmodelle dienen und fr nachgeschaltete Kopier- oder Reproduktionsverfahren eingesetzt werden. Diese Vor-gehensweise wird ot als Trennung der Eigenschaten bezeichnet: Das geometrisch exakte Teil wird schnell mittels AM-Prozess hergestellt, whrend die gewnschten Produktionsmengen und Eigenschaten wie Farbgebung, usw. von einem nachge-schalteten Kopierverfahren erzeugt werden.

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1.3Anwendungsebenen Indirekte Prozesse 19

Ein Kopier- oder Folgeverfahren stellt keinen schichtbasierten Prozess dar und kann somit nicht den generativen Herstellungsverfahren zugeordnet werden. Es wird In-direkter Prozess (Indirect Process) genannt. Aus Marketinggrnden und zur Beto-nung der Herstellgeschwindigkeit wird auch der Begrif Indirect Rapid Prototyping Process (Indirektes schnelles Herstellungsverfahren fr Prototypen) angewendet. In der Literatur wird manchmal aus gleichen Gesichtspunkten der Begrif Secon-dary Rapid Prototyping Process (sekundres, schnelles Herstellungsverfahren fr Prototypen) angegeben.

1.3.1Indirect Prototyping

Indirect Prototyping wird zur Verbesserung der Eigenschaten eines AM-Teiles zur Erfllung der Anwendererfordernisse eingesetzt, falls ein AM-Teil diese nicht un-mittelbar wiedergeben kann. Falls beispielsweise ein elastisches Teil bentigt wird, dieses jedoch infolge Materialbeschrnkungen nicht direkt in einem generativen Herstellungsverfahren erzeugt werden kann, wird ein geometrisch exaktes, jedoch steifes AM-Teil hergestellt und als Urmodell fr ein nachgeschaltetes Abformverfah-ren (Bild 1.21) eingesetzt. Soweit erforderlich, werden mgliche Schrumpfvorgnge durch entsprechende Zugaben bei der Herstellung des Urmodells ausgeglichen.

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Bild 1.21AM: Indirekte Prozesse; Indirect Prototyping

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Es werden viele unterschiedliche Sekundrprozesse (Einzelheiten siehe Abschnitt 2.2 Maschinen fr Additive Herstellungsverfahren Fabrikatoren, Printer und Dru-cker und /Geb13/) angewendet. Der bekannteste Prozess ist das Vakuumgieen (Vacuum Casting oder Room Temperature Vulcanization, RTV), der auch als Silicon Rubber Molding (Silikongummi Abformen) bezeichnet wird. Die meisten Sekundr-prozesse wie Vakuumgieen sind vollstndig oder teilweise manuelle Vorgnge mit langen Zykluszeiten und daher nur fr Kleinserien oder Einzelanfertigungen sinn-voll.

Das Steckersystem (Bild 1.22) bentigt verschiedenfarbige, teils transparent aufge-baute Steckergehuse. Auf der Basis eines zweiteiligen AM-Urmodells des Gehuses wurde eine Silikongummiform hergestellt. Mithilfe dieser Form wurden etwa 15 ver-schiedene Kopien mittels Vakuumgieen angefertigt.

Bild 1.22 Indirect Prototyping: Vakuumgieen; Steckersystem, Urmodell hergestellt mittels Stereolithograie; Form mit Oberteil des Steckergehuses (links), montierte Stecker (rechts) (Quelle: mais van shoen Design, CP GmbH)

Die abgegossenen Teile wurden genutzt, um einem mglichen Serienhersteller das neue Produkt und seine Fhigkeiten zu prsentieren. Die Elemente des Systems sind Prototypen, die aus Prototypenmaterial hergestellt wurden und damit keine Serien-produkte, selbst wenn sie gut funktionieren.

Die interne Evaluation des von Stefano Giovannio 1998 fr Alessi entworfenen Tischfeuerzeugs Bruce war sehr wichtig fr die Produktionsentscheidung. Da das Feuerzeug betrieben wurde, indem ein Einweg-Feuerzeug in den Boden eingesetzt wurde, wobei die Flamme am Kopf austritt, war eine leichte und sichere Hand ha-bung erforderlich. Da in diesem Stadium der Produktentwicklung Stahlwerkzeuge zu teuer waren, wurden die Testexemplare mittels Vakuumguss basierend auf einem unter Anwendung der AM-Stereolithograie hergestellten Urmodell angefertigt.

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Bild1.23 zeigt das Stereolithograie-Urmodell im Vordergrund und einige farbige Ver sionen mit und ohne Mechanismus.

Bild 1.23 Indirect Prototyping: Abformen, Feuerzeug Bruce, AM-Urmodell; Stereolithograie; funktionsfhige Kopien durch Vakuumguss (Quelle: Alessi/Forum Omegna)

Prototypenteile aus weichem Material, z.B. Dichtungen, haben huig sehr komplexe Formen. Dies trit besonders auf Dichtungen fr die Befestigung von Fahrzeug-spiegeln, sogenannte Spiegeldreiecke, zu, die viele Funktionen wie Abdichtung ge-gen Wasser, Halterung des Spiegels und von Teilen des Fensters, Durchfhrung der Kabel, attraktives Aussehen und Integration angrenzender extrudierter Dichtungen erfllen mssen. Bild 1.24 zeigt eine Dichtung, die mittels Vakuumguss hergestellt wurde. Der Abguss basiert auf einem durch AM-Stereolithograie erzeugten Ur-modell.

Bild 1.24 Indirect Prototyping: Vakuumguss, Spiegeldreieck fr die Befestigung von Fahrzeugspiegeln (Quelle: CP GmbH)

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1.3.2Indirect Tooling

Indirect Tooling (Indirekte Werkzeugherstellung) basiert auf den gleichen Kopier-verfahren wie alle indirekten Prozesse (Bild 1.25). Ziel ist nicht, ein Endteil her-zustellen, sondern ein Werkzeug, das die Grundlage fr eine kleine oder mittelgroe Chargenproduktion endgltiger Teile bzw. Serienteile oder Produkte bildet.

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Bild 1.25AM: Indirekte Prozesse; Indirect Tooling

Im Vergleich zu Serienwerkzeugen aus Werkzeugstahl, knnen Werkzeuge mittels Indirekt Tooling schneller und kostengnstiger angefertigt werden. Wie bei der indirekten Herstellung von Prototypen wird bei der indirekten Herstellung von Werkzeugen ein durch AM erzeugtes Urmodell verwendet, wodurch mechanische Bearbeitung, Schleifen und Erodieren vermieden werden. Anders als beim Vakuum-gieen muss das Urmodell fr eine grere Anzahl von Teilen verwendet werden knnen, die nicht nur aus Kunststof sondern auch aus Metallen bestehen knnen. Vor diesem Hintergrund kann Indirect Tooling als eine Art von Rapid Tooling betrachtet werden, obwohl es kein schichtorientierter Prozess ist.

Als Beispiel wird in Bild 1.26 eine Form zur Herstellung von Wachskernen fr das Wachsausschmelzverfahren gezeigt. Die Form wird mittels eines AM-Urmodells er-zeugt, indem dieses mit Polyurethan (PUR) in einer Aluminiumsttzform ausge-gossen wird. Nach Entnehmen des AM-Urmodells wird die Form zur Herstellung der gewnschten Anzahl von Wachskernen genutzt. Infolge der greren Steiigkeit des PUR-Materials in Verbindung mit der Sttzform wird eine Form gebildet, die wesent-

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lich genauere Wachskerne liefert, als mit einer weichen Silikonform herzustellen wren. Im Vergleich mit mechanisch bearbeiteten Aluminiumwerkzeugen ist diese Methode preiswerter bei wesentlich krzerer Fertigungsdauer. Diese Wachsmodelle knnen zur Fertigung von (Klein-)serien komplexer Przisionsgussteile eingesetzt werden.

Bild 1.26 Indirect Tooling: PUR-Form auf Basis eines AM-Masters. Gefnete Formhlte mit einge-gossenem Waxling fr das Wachsausschmelz-verfahren. PUR-Form (schwarz), Sttzform aus Aluminiumwnden (Quelle: BeNe Aachen)

Es gibt aber auch Bauteile, die nicht als Muster mittels einer PUR-Form hergestellt werden knnen, sondern aus dem spteren Serienmaterial mittels Kunststof-Spritz-guss hergestellt werden mssen. Beispiele sind Kunststoteile aus schwer ent-lammbaren Materialien. Fr den Spitzguss werden feste Formen bentigt. Zur Ver-meidung von Stahl- oder Aluminiumwerkzeugen kann eine geeignete Form auch ausEpoxidharz hergestellt werden, das zur Erhhung der Festigkeit und Wrme-bestndig keit mit Aluminiumpulver versetzt wird. Diese nennt man Gieharzwerk-zeuge. Das dazu notwendige Urmodell wird mittels Stereolithograie oder Polymer-printing erzeugt.

Zur Verbesserung von Details und zur Erzeugung schlecht giebarer scharfer Kan-ten knnen mechanisch bearbeitete Einstze in das Harz eingegossen werden.

Gieharzwerkzeuge werden in der Regel nicht gekhlt und haben anstelle von Schie-bern lediglich einige manuell zu handhabende Einstze (Einleger). Meist werden sie per Hand entformt. Als Nachteil mssen lange Zykluszeiten hingenommen werden. In Bild 1.27 sind beide Gieharzformhlten vor dem Einbau in den Formrahmen dargestellt. Die mittels Stereolithograie hergestellten Urmodelle (hell) sowie ein Satz spritzgegossener Teile (schwarz) sind zu erkennen. Eine Kleinserie von Teilen aus HD-PE wurde im Motorraum eines Pkw getestet.

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Bild 1.27 Indirekt Tooling: Zweiteilige feste Form aus Epoxidharz mit Aluminiumfllstof fr das Spritzgieen serienidentischer Teile. Spritzgussteile (schwarz, links); Stereolithograie Urmodelle (hell, Mitte) (Quelle: Elprotec)

1.3.3Indirect Manufacturing

Indirect Manufacturing (Indirekte Herstellungsverfahren) basiert ebenfalls auf ei-nem mittels AM erzeugten Urmodell. Das Ziel ist, Einzelteile oder Serien mit Eigen-schaten zu erzeugen, die denen traditionell hergestellter Produkte (nicht generativ erzeugter Produkte) gleichen. Folgerichtig gehrt Indirect Manufacturing zur An-wendungsebene Manufacturing (Bild1.28).

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Fertigungsverfahren

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Bild 1.28AM: Anwendungsebene Rapid Manufacturing; Unterebene: Indirect Manufacturing

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Als Beispiel fr Indirect Manufacturing ist in Bild 1.29 das skalierte Motorgehuse eines 6-Zylinder Motors aus Aluminium abgebildet. Es wurde mittels Vollformguss als Einzelanfertigung hergestellt. Das verlorene Urmodell wurde mittels Laser-sintern aus Polystyrol (Polystyren) gefertigt. Fr jeden Abguss wird ein neues Ur-modell bentigt.

Bild 1.29 Indirect Manufacturing: Motorgehuse eines 6-Zylinder Motors; AM-Urmodell (links), Lasersintern, Polystyren; Aluminiumguss, Einzelanfertigung (rechts) (Quelle: Grunewald)

Als Ergebnis wird eine Serie identischer Motorgehuse erzeugt. Das Verfahren kann zur Optimierung und Evaluierung der Motorkonstruktion durch Testlufe dienen, lange bevor Serienformen verfgbar sind. Anwendungen sind z.B. die Herstellung kleiner Serien, z.B. fr Rennzwecke. Ob dieses als angemessene Herstellungs-methode gelten kann, ist keine technische sondern eine kommerzielle Frage.

Derselbe Prozess wurde zur Fertigung eines in Bild 1.30 dargestellten Luteintritts-verteilers angewendet. Er wurde im Wachsausschmelzverfahren aus Aluminium hergestellt. Wie in Bild 1.29 wurde das Urmodell mittels Lasersintern aus Polystyrol erzeugt. Der linke Bildteil zeigt das Bauteil nach der vorbereitenden Oberlchen-behandlung mit Wachs, der rechte Bildteil das Gussteil.

Bild 1.30 Indirekt Manufacturing: Luteintritts-verteiler; AM-Urmodell, hergestellt aus Polystyrol mittels Lasersintern nach derOberlchenbehandlung (links); Alu miniumgussteil, Einzelanfertigung (rechts) (Quelle: CP GmbH)

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Eine andere Variante dieser Prozesse ist in Bild 1.31 dargestellt. Es zeigt, dass der 3D Printing Prozess mittels PMMA-Kunststof ebenfalls przise Gussteile ermg-licht. Das Bild zeigt ein Getriebegehuse sowohl als verlorene Form als auch als Gussteil fr einen Rennwagen.

Bild 1.31 Indirect Manufacturing: Getriebegehuse fr einen Rennwagen; AM-Urmodell, hergestellt aus PMMA mittels 3D Printing (links), Alu-miniumguss, Einzelanfertigung (rechts) (Quelle:Voxeljet)

1.4 Maschinenklassen fr Additive Manufacturing

Auf dem Markt ist eine groe Vielfalt von Maschinen fr additive Herstellungsver-fahren (Additive Manufacturing, AM) verfgbar. Sie knnen in Klassen unterteilt werden, die aber nicht mit bestimmten AM-Prozessen verknpt sind. So knnen z.B. Extrusionsmaschinen zu den Personal Printern, den Professional Printern oder den Production Printern (Tabelle 1.1), gehren.

1.4.1Fabrikatoren und Andere

Im Allgemeinen wird eine Maschine fr schichtorientierte additive Herstellungsver-fahren Fabrikator (fabricator) genannt, vor allem wenn sie Endprodukte herstellt. Falls sie lediglich Prototypen erzeugen kann, wird sie auch als Prototyper bezeich-net. Der Trend geht dahin, dass alle Arten von Maschinen, die nach dem schicht-orientierten additiven Herstellungsverfahren arbeiten, Printer (Drucker) oder 3DPrinter (3D-Drucker) genannt werden, wobei huig ein Vorsatz wie personal, professional oder hnliche Begrife verwendet werden.

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1.4Maschinenklassen fr Additive Manufacturing 27

1.4.2Generische Bezeichnungen fr AM-Maschinen

Gegenwrtig entwickeln sich Gruppenbezeichnungen, die als grobes Raster alle aufdem Markt beindlichen AM-Maschinen drei Kategorien oder Klassen zuordnen: Fabber, brogesttzte Maschinen, werkstattgesttzte Maschinen (siehe Tabelle 1.1 und Bild1.32).

Tabelle 1.1 Generische Bezeichnungen fr AM-Maschinen und ihre Zuordnung zu Anwendungsebenen

Bezeichnung

Personal Printer Professional Printer Production Printer

Auch bezeichnet als:

Personal Fabrikator/Fabber

Personal Fabber

Oice Drucker/Printer Shop Floor Drucker/Printer

3D-Drucker/ Personal 3D-Drucker

Professionell 3D-Drucker Produktions 3D-Drucker

Anwendung

Halbprofessionelle oder private Nutzung im Privatbro

Kommerzielle Nutzung im Bro oder in der Werkstatt

Industrielle Nutzung in der Produktion oder im Dienst-leistungsbereich

Anwendungsebene

Rapid Prototyping Anschauungsmodelle

Rapid Prototyping Rapid Manufacturing


Funktionsprototypen Direkte Bauteilherstellung

Urmodelle fr nachgeschaltete Rapid Prototypingprozesse

Urmodelle fr nachgeschaltete Rapid Prototypingprozesse

Rapid Manufacturing/ Direkte Werkzeugherstellung

Generell wird die Bezeichnung Personal Printer oder Fabber zur Kennzeichnung von im Besonderen kleinen, einfachen und preisgnstigen Maschinen benutzt. Wird ein Fabber von Privatpersonen oder einer Gruppe von Privatpersonen vom Wohnsitz oder Zweitarbeitsplatz genutzt, wird er zunehmend als Personal Fabber (PF) be-zeichnet.

Ein Professional Printer oder ein Oice Drucker oder Printer (brogesttzte Maschine) kann in einer Broumgebung betrieben werden. Dies bedeutet, dass sie einen maximalen Geruschpegel nicht bersteigt, und minimal Gerche und Staub emittiert. Das Baumaterial kann von den Broangestellten nachgefllt werden und wird in der Regel in Kartuschen geliefert. Die Bedienung ist einfach und die Hand-

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habung der Teile einschlielich der Nachbearbeitung unproblematisch. Abflle kn-nen wie normale Bro- oder Haushaltsabflle entsorgt werden.

Ein Production Printer oder ein Shop Floor (Werkstatt) Drucker/Printer erfordert eine Werkstattumgebung einschlielich geschultem Personal und entsprechender Logistik. Sie ist fr groen Durchsatz und hohe Produktivitt konstruiert, d.h., sie kann groe Materialmengen durchsetzen. Zum Teil werden Lsungsmittel oder Maschinen, z.B. zum Sandstrahlen, fr die Reinigung der erzeugten Teile bentigt. Bei diesen Maschinen hat die wirtschatliche Produktion Vorrang vor dem einfachen Betrieb der Gerte. Deshalb werden Fachleute zur Bedienung eingesetzt.

Whrend bezglich dieser drei Kategorien mehr oder weniger bereinstimmung besteht, variieren die verwendeten Bezeichnungen in Abhngigkeit von den Firmen-strategien. Ein Trend geht dahin, die Bezeichnung Printer (Drucker) vermehrt zu verwenden.

Die obige Einteilung beruht auf den technischen Mglichkeiten der Maschinen und nicht direkt auf den AM-Prozessen, nach denen die Maschinen arbeiten und welche in Kapitel 2 Schichtbauverfahren diskutiert werden. Dennoch existiert eine lose Verbindung zwischen dem AM-Prozess und der Anwendungsebene. Typische Ma-schinen fr jede der drei Kategorien sind in Bild 1.32 dargestellt.

3D SystemsBFB 3000

StratasysFortus 900 mc

ObjetEden 500 V

Personal Professional Production3D Printer 3D Printer 3D Printer

Fabber Office Printer Shop floor Printer

Bild 1.32 Generische Bezeichnung von AM-Maschinen und ihre Beziehung zu Anwendungsebenen; Beispiele

Die abgebildeten Maschinen haben das typische Aussehen von Maschinen, die den drei Kategorien Personal Printer/Fabber, Professional Printer/Brodrucker und Production Printer/Produktionsdrucker angehren. Natrlich stellen die hier ge-zeigten Maschinen lediglich Beispiele dar. Eine Vielzahl anderer Maschinen wird nach Er rterung der Grundprinzipien in Kapitel 2 Schichtbauverfahren diskutiert und in den Bildern 2.27 bis 2.29 abgebildet.

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1.5Schlussfolgerungen 29

Aus der Sicht des Betreibers knnen AM-Maschinen auch hinsichtlich der fr den Betrieb erforderlichen fachlichen Fhigkeiten sowie ausgerichtet an den Anschaf-fungskosten klassiiziert werden. Dies wird in Tabelle 1.2 gem obiger Deinitionen und den Anforderungen an den Aufstellungsort dargelegt.

Tabelle 1.2 Klassiizierung von AM-Maschinen hinsichtlich der erforderlichen Aufstellungsorte, fachlichen Kenntnisse fr ihre Bedienung und durchschnittlichen Anschafungskosten

Maschinenart Bedienpersonal Infrastruktur Anschafungspreis

Personal Printer/ Fabber

Jeder mit Grundkennt-nissen der Bedienung eines Personal-computers

Steckdose und Tisch Von unter 1000 bis 20000/$

Professional Printer/ Brodrucker

Personen, die berufs-mig mit unterschied-lichen Typen von 3D-CAD arbeiten

Steckdose und Tisch. Ein separater Broraum erleichtert die Hand-habung des Materials und der Teile und redu-ziert die Geruschent-wicklung (kein wesent-liches Problem)

Von 15000/$ bis140000/$

Production Printer/Produktionsdrucker

Techniker aus einem Bereich der Produktion

Werkstattumgebung erforderlich

Von 120000/$ bis 800000/$ und darber

1.5SchlussfolgerungenDie Diskussion ber die Anwendung additiver Fertigungsverfahren zeigt, dass ge-genwrtig nahezu alle Anwendungsebenen und alle Branchen von den Mglich-keiten des AM proitieren. Die aufgezeigten Deinitionen untersttzen eine fachliche Diskussion. In der Praxis ist es besonders wichtig, zwischen den verschiedenen Anwendungsebenen zu diferenzieren. Autretende Enttuschungen der Anwender beruhen ot auf ungengend deinierten Anforderungen.

Die Beispiele verdeutlichen, dass zur Abdeckung der Anwenderwnsche vielfltige AM-Prozesse teilweise sogar alternativ zur Verfgung stehen. Um diese Alterna-tiven sinnvoll zu nutzen, werden die verschiedenen, auf dem Markt verfgbaren AM-Prozesse in Kapitel 2 Schichtbauverfahren vorgestellt und diskutiert.

Heute noch existierende Einschrnkungen wie begrenzte Materialauswahl, unzurei-chende Oberlchenqualitt oder bei Weitem zu geringe Leistung der AM-Herstel-lungsprozesse werden schon bald berwunden sein.

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Eine Vielzahl von Wissenschatlern und industriellen Produktentwicklern arbeiten weltweit an allen Belangen dieser neuen Technologie, sodass erhebliche Verbesse-rungen sowie vllig neue Prozesse in Krze verfgbar sein werden. Erste Anstze fr Produkte aus Mehrfach-Verbundmaterial wurden bereits prsentiert. Diese wer-den neue Anwendungsgebiete fr alle Arten von Industrieprodukten vor allem fr elektronische Bauteile und medizinische Anwendungen ermglichen (siehe Kapi-tel 4 Additive Manufacturing, Konstruktion und Strategien).

1.6Fragen1. Warum werden in Kapitel 1 keine AM-Prozesse benannt und erlutert?

Kapitel 1 erlutert die Anwendungsgebiete und gibt die Anwendungsstruktur der AM-Prozesse vor. Die Grundstruktur hngt nicht von bestimmten Prozessen ab.

2. Welches sind die wesentlichen Kennzeichen von Teilen, die mittels addi-

tiver Herstellungsverfahren erzeugt wurden?

Nahezu jede beliebige Geometrie kann erzeugt werden. Aufgrund des schicht-orientierten Herstellungsverfahrens weisen alle AM-Teile stuige Konturen auf.

3. Weshalb mssen Technologieebenen und Anwendungsebenen unterschie-

den werden?

Die Technologieebene stellt den theoretischen und wissenschatlichen Hinter-grund dar, whrend die Anwendungsebene den Gebrauch und den aufgrund der AM-Anwendung erwarteten Nutzen deiniert.

4. Welcher Unterschied besteht zwischen Generativer Fertigung und additiver

Fertigung?

Keiner, da dies nur zwei unterschiedliche Bezeichnungen fr die gleiche Sache sind. Durch Hinzufgen und Verbinden deinierter Volumina (Voxels, Layers) werden Bauteile erzeugt.

5. Welches ist der Zusammenhang zwischen Generativer Fertigung, additiver

Fertigung und schichtenbasierter Fertigung?

Additive Fertigung und Generative Fertigung sind Klassenbezeichnungen, die angeben, dass Teile mittels Hinzufgen von Material oder bestimmter Volumina aufgebaut werden. Aktuell basiert die technische Ausfhrung von AM einzig auf dem Schichtbauprinzip und wird

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3D-Drucken_Gebhardt_2014.pdf