3D-Drucken

Dr.-Ing. Andreas Gebhardt studierte an der technischen Hochschule Aachen Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Motoren- und Turbinenbau. Er promovierte 1986 bei Professor Dibelius mit einer Arbeit über das instationäre Verhalten konventioneller Dampfkraftwerksblöcke. Nach Stationen als Geschäftsführer in der mittelständischen Wirtschaft wurde er zum Sommersemester 2000 als Professor für Hochleistungsverfahren 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 Verfahren), Extrusionsverfahren (FDM) und zum Einsatz unterschiedlicher Fabber. Seit dem Wintersemester 2000 ist Andreas Gebhardt Gastprofessor am City College der City University New York.
2004 gründete er das RTeJournal (www.rtejournal.de), eine "open-access" online-Zeitschrift für Rapid Technologie und ist dessen Herausgeber.

1 - Vorwort [Seite 6]
2 - Danksagung [Seite 8]
3 - Über die Autoren [Seite 10]
4 - Inhaltsverzeichnis [Seite 14]
5 - 1Grundlagen der 3D-Druck-Technologie [Seite 18]
5.1 - 1.1?Grundbegriffe und Definitionen [Seite 19]
5.1.1 - 1.1.1?Additive Fertigungsverfahren [Seite 19]
5.1.2 - 1.1.2?Prinzip der Schichtbauverfahren [Seite 20]
5.2 - 1.2?Anwendungsebenen [Seite 23]
5.2.1 - 1.2.1?Direkte Prozesse [Seite 25]
5.2.1.1 - 1.2.1.1?Rapid Prototyping [Seite 25]
5.2.1.2 - 1.2.1.2?Rapid Manufacturing [Seite 29]
5.2.1.3 - 1.2.1.3?Rapid Tooling [Seite 31]
5.2.2 - 1.2.2?Indirekte Prozesse [Seite 36]
5.2.2.1 - 1.2.2.1?Indirect Prototyping [Seite 36]
5.2.2.2 - 1.2.2.2?Indirect Tooling [Seite 39]
5.2.2.3 - 1.2.2.3?Indirect Manufacturing [Seite 42]
5.3 - 1.3?Maschinenklassen für die additive Fertigung [Seite 44]
5.3.1 - 1.3.1?Generische Bezeichnung für AM-Maschinen [Seite 45]
5.3.2 - 1.3.2?Maschinenklassen und Bauteileigenschaften [Seite 47]
5.4 - 1.4?Schlussfolgerungen [Seite 48]
5.5 - 1.5?Fragen [Seite 49]
6 - 2Additive Fertigungs­verfahren/3D-Drucken [Seite 52]
6.1 - 2.1?Direkte additive Verfahren [Seite 52]
6.1.1 - 2.1.1?Polymerisation [Seite 55]
6.1.1.1 - 2.1.1.1?Laser-Stereolithographie (LS) [Seite 56]
6.1.1.2 - 2.1.1.2?Polymerdruckverfahren und Thermojet-Drucken (Polymerjetting) [Seite 59]
6.1.1.3 - 2.1.1.3?Digital Light Processing/Lampen-Masken-Verfahren [Seite 61]
6.1.1.4 - 2.1.1.4?Mikro-Stereolithographie [Seite 62]
6.1.2 - 2.1.2?Sintern und Schmelzen [Seite 62]
6.1.2.1 - 2.1.2.1?Lasersintern/Selektives Lasersintern (LS - SLS) [Seite 63]
6.1.2.2 - 2.1.2.2?Laserschmelzen/Selektives Laserschmelzen (SLM) [Seite 66]
6.1.2.3 - 2.1.2.3?Elektronenstrahl-Schmelzen [Seite 68]
6.1.3 - 2.1.3?Extrusion/Fused Layer Modeling [Seite 68]
6.1.4 - 2.1.4?Pulver-Binder-Verfahren [Seite 72]
6.1.4.1 - 2.1.4.1?3D Printer - 3D Systems/Z-Corporation [Seite 72]
6.1.4.2 - 2.1.4.2?Metall und Formsand Printer - ExOne [Seite 75]
6.1.4.3 - 2.1.4.3?3D-Drucksystem - Voxeljet [Seite 76]
6.1.5 - 2.1.5?Layer Laminate Manufacturing (LLM) [Seite 77]
6.1.5.1 - 2.1.5.1?Laminated Object Manufacturing (LOM) [Seite 77]
6.1.5.2 - 2.1.5.2?Selective Deposition Lamination (SDL) [Seite 79]
6.1.5.3 - 2.1.5.3?LLM Maschinen für Metallteile [Seite 80]
6.1.6 - 2.1.6?Hybridverfahren [Seite 81]
6.1.6.1 - 2.1.6.1?Metallpulverauftragsverfahren (MPA) [Seite 81]
6.1.6.2 - 2.1.6.2?Direct Metal Deposition (DMD) [Seite 82]
6.1.6.3 - 2.1.6.3?Extrudieren und Fräsen - Big Area Additive Manufacturing (BAAM) [Seite 83]
6.1.7 - 2.1.7?Weitere Verfahren [Seite 84]
6.1.7.1 - 2.1.7.1?Aerosolprinting [Seite 84]
6.1.7.2 - 2.1.7.2?Bioplotter [Seite 86]
6.2 - 2.2?Indirekte Verfahren - Folgeprozesse [Seite 86]
6.3 - 2.3?Schlussfolgerung [Seite 88]
6.4 - 2.4?Fragen [Seite 88]
7 - 3Die additive Prozess­kette und Maschinen für die Fertigung [Seite 92]
7.1 - 3.1?Datenfluss und Prozessketten [Seite 92]
7.1.1 - 3.1.1?Allgemeine AM-Prozesskette [Seite 92]
7.1.1.1 - 3.1.1.1?Prozesskette Rapid Prototyping [Seite 94]
7.1.1.2 - 3.1.1.2?Prozesskette Rapid Manufacturing [Seite 96]
7.1.2 - 3.1.2?Datenstrukturen und Fehlerbehebung [Seite 97]
7.2 - 3.2?Maschinen für die additive Fertigung [Seite 101]
7.2.1 - 3.2.1?Personal Printer [Seite 102]
7.2.1.1 - 3.2.1.1?Fabber - Do-it-yourself [Seite 103]
7.2.1.2 - 3.2.1.2?Desktop Printer [Seite 105]
7.2.2 - 3.2.2?Professional Printer [Seite 108]
7.2.3 - 3.2.3?Production Printer [Seite 109]
7.2.4 - 3.2.4?Industrial Printer [Seite 112]
7.3 - 3.3?Schlussfolgerungen und Ausblick [Seite 115]
7.4 - 3.4?Fragen [Seite 115]
8 - 4Anwendungen der additiven Fertigung [Seite 118]
8.1 - 4.1?Automobilindustrie und Zulieferer [Seite 119]
8.1.1 - 4.1.1?Automobilkomponenten - Interieur [Seite 119]
8.1.2 - 4.1.2?Automobilkomponenten - Exterieur [Seite 122]
8.2 - 4.2?Luftfahrtindustrie [Seite 124]
8.3 - 4.3?Konsumgüter [Seite 126]
8.4 - 4.4?Spielzeugindustrie [Seite 131]
8.5 - 4.5?Kunst und Kunstgeschichte [Seite 133]
8.6 - 4.6?Formenbau (Rapid Tooling) [Seite 136]
8.7 - 4.7?Medizintechnik [Seite 138]
8.8 - 4.8?Architektur und Landschaftsgestaltung [Seite 143]
8.9 - 4.9?Verschiedene Anwendungen [Seite 148]
8.9.1 - 4.9.1?Mathematische Funktionen [Seite 148]
8.9.2 - 4.9.2?3D-Dekorationsobjekte und Ornamente [Seite 149]
8.9.3 - 4.9.3?Aerodynamische und Freiformobjekte [Seite 149]
8.10 - 4.10?Schlussfolgerungen [Seite 151]
8.11 - 4.11?Fragen [Seite 151]
9 - 5Perspektiven und Strategien additiver Fertigung [Seite 156]
9.1 - 5.1?Potenziale additiver Herstellungsverfahren [Seite 156]
9.1.1 - 5.1.1?Komplexe Geometrien [Seite 158]
9.1.2 - 5.1.2?Integrierte Geometrie [Seite 160]
9.1.3 - 5.1.3?Integrierte Funktionalität [Seite 162]
9.1.4 - 5.1.4?Multi-Material-Bauteile und Gradientenmaterialien [Seite 168]
9.2 - 5.2?Strategien additiver Herstellungsverfahren [Seite 172]
9.2.1 - 5.2.1?Individualisierte Massenfertigung [Seite 173]
9.2.1.1 - 5.2.1.1?Einzelstücke und Kleinserienproduktion [Seite 173]
9.2.1.2 - 5.2.1.2?Individualisierung [Seite 174]
9.2.1.3 - 5.2.1.3?Personalisierung [Seite 177]
9.2.2 - 5.2.2?Persönliche Produktion [Seite 181]
9.2.3 - 5.2.3?Verteilte individualisierte Produktion [Seite 183]
9.3 - 5.3?Schlussfolgerungen [Seite 183]
9.4 - 5.4?Fragen [Seite 184]
10 - 6Materialien und Konstruktion [Seite 188]
10.1 - 6.1?Materialien [Seite 189]
10.1.1 - 6.1.1?Anisotrope Eigenschaften [Seite 191]
10.1.2 - 6.1.2?Isotrope Grundmaterialien [Seite 193]
10.1.2.1 - 6.1.2.1?Kunststoffe [Seite 194]
10.1.2.2 - 6.1.2.2?Metalle [Seite 198]
10.1.2.3 - 6.1.2.3?Keramische Materialien [Seite 200]
10.1.2.4 - 6.1.2.4?Kompositwerkstoffe [Seite 201]
10.1.2.5 - 6.1.2.5?Weitere Materialien [Seite 202]
10.1.2.5.1 - 6.1.2.5.1?Beton [Seite 202]
10.1.2.5.2 - 6.1.2.5.2?Carbon [Seite 202]
10.1.2.5.3 - 6.1.2.5.3?Lebensmittel [Seite 202]
10.1.3 - 6.1.3?Individuell zugeschnittene (graded) Werkstoffe und?Kompositwerkstoffe [Seite 203]
10.2 - 6.2?Konstruktion [Seite 204]
10.2.1 - 6.2.1?Toleranzen - Vom digitalen Entwurf zum Objekt [Seite 205]
10.2.2 - 6.2.2?Designfreiheit [Seite 205]
10.2.3 - 6.2.3?Relative Passgenauigkeit [Seite 206]
10.2.4 - 6.2.4?Flexible Bauteile, Gelenke, Clips [Seite 207]
10.2.5 - 6.2.5?Lage und Positionierung der Bauteile im Bauraum [Seite 208]
10.2.6 - 6.2.6?Bohrungen (Löcher), Spalte, Stifte und Wände [Seite 209]
10.3 - 6.3?Auswahlkriterien und Prozessorganisation [Seite 212]
10.4 - 6.4?Schlussfolgerungen und Ausblick [Seite 213]
10.5 - 6.5?Fragen [Seite 214]
11 - 7Glossar: Begriffe und?Abkürzungen [Seite 216]
12 - 8Literatur [Seite 226]
13 - Stichwortverzeichnis [Seite 230]

2 Additive Fertigungsverfahren/3D-Drucken

Die technische Durchführung additiver Herstellungsverfahren erfolgt mittels Schichtbauverfahren (auch "Direct Layer Manufacturing Process" bzw. "direkte Schichtbau-Herstellungsverfahren" genannt). Fünf Familien zählen zu den Schichtbauverfahren, die als additive Herstellungsverfahren auf dem Markt verfügbar sind. Sie basieren auf verschiedenen Methoden, eine feste Schicht zu erzeugen, um durch Zuordnen und Verbinden angrenzender Schichten ein Bauteil zu formen. Das Prinzip wurde in Kapitel 1 "Grundlagen der 3D-Druck Technologie" erörtert. Alle fünf Prozessfamilien, einschließlich einiger Derivate, werden im Folgenden detailliert beschrieben und zugehörige auf dem Markt erhältliche Maschinen werden mit ihren typischen Bauelementen vorgestellt.

Werden Prototypen und Bauteile nicht direkt mittels additiver Fertigung hergestellt, beruhen jedoch auf additiven Prozessen, werden sie "Sekundäre Rapid Prototyping Prozesse" (Secondary Rapid Prototyping Processes) oder "Indirekte RP-Prozesse" genannt. Das Prinzip und die am häufigsten angewendeten Varianten wurden kurz in Abschnitt 1.2.2 "Indirekte Prozesse" erläutert. Die wichtigste Variante, das Vakuumgießen (engl. Room Temperature Vulcanization, RTV) wird detailliert in Abschnitt 2.2 "Indirekte Verfahren ? Folgeprozesse" beschrieben.

2.1 Direkte additive Verfahren

Das Prinzip der Additiven Fertigung oder auch "Additive Manufacturing" (AM) ist sehr einfach und in Bild 1.2 dargestellt. Es basiert lediglich auf (virtuellen) 3D-CAD-Datensätzen (Solids). Die Datensätze werden gemäß einer vorgegebenen Schichtdicke geschnitten und somit die frei geformte Oberfläche (in z-Richtung) mithilfe einer Anzahl konturierter Schichten einheitlicher Dicke angenähert (siehe Bild 2.1).

Bild 2.1 Schneiden einer 3D-Freiformfläche in konturierte Schichten gleicher Dicke mit dem charakteristischen Treppenstufeneffekt (Schichtdicke zur Verdeutlichung übertrieben)

Der (physische) Herstellungsprozess (der AM-Prozess) ist gekennzeichnet durch die wiederkehrende Herstellung einzelner Schichten und ihrer Verbindung mit der zuvor erzeugten Schicht. Der Prozess besteht demnach aus zwei Schritten, die so oft wiederholt werden, bis das Bauteil fertiggestellt ist:

1. Herstellung einer einzelnen Schicht, geformt nach der Kontur und mit der Schichtdicke entsprechend der vorgegebenen Daten für die jeweilige Schicht.

2. Verbindung jeder neuen Schicht mit der Oberfläche der zuvor hergestellten.

Wie aus dem theoretischen Aufbau (Bild 2.1) ersichtlich, zeigen auch die entstehenden Bauteile den Treppenstufeneffekt, der für AM-Prozesse typisch ist (Bild 2.2).

Bild 2.2 Treppenstufeneffekt, Schichtdicke 0,1 mm; Stereolithographie

Die Standard-Schichtdicke liegt bei 0,1 mm, kann jedoch je nach Verfahren bis auf 0,016 mm reduziert werden, womit nicht nur die Genauigkeit der Teile, sondern auch die Anzahl der benötigten Schichten sowie die Herstellzeit anwachsen. Die Schichtdicke hängt darüber hinaus vom verarbeiteten Material ab, da die entstehenden Treppenstufen bei hartem Material, z.?B. Metallen und keramischem Material, mehr Aufwand in der Nacharbeit erfordern.

Gegenwärtig befinden sich deutlich mehr als 200 verschiedene Maschinentypen (und zusätzlich inzwischen kaum zählbare Varianten der Fabber oder Personal Printer (siehe Abschnitt 1.3 "Maschinenklassen für die additive Fertigung") auf dem Markt. Alle beruhen auf den zwei zuvor erwähnten grundsätzlichen Herstellungsschritten. Sie unterscheiden sich lediglich darin, wie jede Schicht hergestellt wird, wie aufeinander folgende Schichten verbunden werden, und welches Material verarbeitet wird.

Zur Erzeugung der physischen Schicht können eine Vielzahl von Materialien wie Kunststoffe, Metalle oder keramische Materialien in Form von Pulvern, Flüssigkeiten, Feststoffen, Folien oder Platten eingesetzt werden. Für den Prozess werden unterschiedliche physische Vorgänge wie Fotopolymerisation, Selektives Aufschmelzen, Schmelzen oder Sintern, Schneiden, Verkleben von Granulaten oder Extrusion angewendet (Einzelheiten bei /Geb16/ und in Kapitel 6 "Materialien und Konstruktion").

Für das Konturieren jeder Schicht wird eine Energiequelle benötigt, die den erforderlichen physikalischen Vorgang sowie ein Positionierungssystem zur Ansteuerung der x-y Koordinaten sicherstellt.

Dabei kommen folgende Systeme zur Anwendung:

• Laser mit Scannereinheiten meist vom Galvo-Typ (drehbare Spiegeleinheiten), optische Schalter oder x-y Bewegungssysteme (Plotter)

• Einfach- oder Mehrfachdüsen: Druckköpfe mit Hochleistungslampen, Infrarot-Heizgeräte oder DLP-Projektoren (Digital Light Processing Technology)

• Messer mit Schneidplottern

• Elektronenstrahlen mit Ablenkeinheiten

• Extruder mit x-y-z-Bewegungssystemen

Alle denkbaren Prozesse können fünf grundlegenden Familien von additiven Herstellungsverfahren zugeordnet werden (Tabelle 2.1). Die in Tabelle 2.1 aufgeführten Bezeichnungen sind sogenannte generische Bezeichnungen, die kennzeichnend für alle einer bestimmten Familie zugehörigen physikalischen Prinzipien sind. Generische Bezeichnungen müssen von den Markenbezeichnungen, die spezifische Hersteller ihren Prozessen oder Maschinen geben, unterschieden werden. Beides, einschließlich der gebräuchlichsten Abkürzungen, wird in Tabelle 2.2 aufgeführt.

Tabelle 2.1 Physikalisches Prinzip der Erzeugung und Konturierung der Schichten und die sich ergebenden fünf grundlegenden Familien der generativen Herstellungsprozesse (Generische Bezeichnungen)

Erzeugung einer festen Schicht durch

Konturierung der Schicht mittels

AM-Prozess

Polymerisation

Laser, Druckkopf

Stereolithographie
ymerdrucken

Selektives Schmelzen oder Selektives Sintern und Wiederverfestigung

Laser, IR-Quelle
Elektronenstrahl

Lasersintern
Laserschmelzen

Kontur Schneiden und Fügen

Laser, Klinge, Fräsen

Layer Laminate Manufacturing

Selektives Fügen oder Kleben durch Binder

Mehrfach-Düsen Druckkopf

3D-Drucken (Pulver-Binder-Verfahren)

Selektive Anwendung thermisch aktivierbarer Phasen

Einzel-Düsen Extruder

Fused Layer Manufacturing

Tabelle 2.2 AM-Prozesse: Generische Bezeichnungen, Marktbezeichnungen und Abkürzungen

Generische Bezeichnung

Abkürzung

Marktbezeichnung

Abkürzung

Stereolithographie Polymerisation

SL

Laser-Stereolithographie
merdrucken

LS

Lasersintern
Laserschmelzen

LS

Selektives Lasersintern
...

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