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Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 1WS 2012/13

Prof. Dr. Roland Friedrich

3 Merkmale generativer

Fertigungsverfahren

Grundlagen: längerfristig und allgemeingültig

Maschinenkonzepte: ändern sich schnell auf Grund

des hohen Entwicklungstempo der industriell

angebotenen Rapid Prototyping Systeme.

rasche hard- und softwareseitige Änderung der auf

dem Markt befindlichen Systeme

Entwicklung neuer Systeme



3.1 Verfahrensgrundlagen

besonderes Charakteristikum:

Modellbildung erfolgt unmittelbar aus Computerdaten

Gedanklich:

dreidimensionale Plots oder Faksimiles der zugrunde

liegenden CAD-Daten.



Generative Fertigungsverfahren:

• Bauteile entstehen durch das Fügen von Schichten

gleicher Dicke (d.h. inkrementelle Volumenelemente);

• Konturierung jeder Schicht, d.h. die eigentliche Form-

gebung, erfolgt in einer x-y-Ebene (= Bauebene);

( flächig = 2D)

• Die 3. Dimension ist keine kontinuierliche z-Koordinate

sondern entsteht durch Aufeinanderfügen der (2D-)

Einzelschichten;

streng genommen sind alle generativen Verfahren

2½D-Verfahren;



Aber:

• einige Verfahren sind grundsätzlich 3D-fähig (z.B.

Extrusions-Verfahren), d.h. sie können inkrementelle

Volumenelemente an jeder beliebigen Stelle des

Bauteils anfügen.

Dies wird zur Zeit aber noch nicht umgesetzt.

• Kontinuierliche z-Konturierung wird heute nur mit

Schichtfräsverfahren erreicht.



Bauteile sind:

• in x-y-Ebene sehr präzise

• in z-Richtung ein stufiges dreidimensionales Gebilde;

( Genauigkeit hängt von der Stufung ab,

i. Allg.: 0,1 mm)

Der Treppenstufeneffekt ist ein Charakteristikum der

Generativen Fertigungsverfahren.

Er kann durch Verringerung der Schichtdicke reduziert,

aber nie ganz beseitigt werden.

Fazit:

Unterschiedliche Genauigkeiten in x-y- und in z-Richtung



Bild 3.1: Stufige Oberfläche als Folge des Schichtbauverfahrens,

Prinzipdarstellung



Bild 3.2: Treppenstufeneffekt an einem Stereolithographiebauteil

(Schichtstärke 0,125 mm)



Bild 3.3: Prinzipbedingte Stufung bei schichtorientierten Verfahren am

Beispiel einer Bohrung

a) in Schichtebene, b) senkrecht zur Schichtebene.



Konturierung in x-y-Richtung:

• Kontinuierlich ( Vektorverfahren)

• Kleine Treppenstufen ( Rasterverfahren)



Da die Fertigung von physischen Bauteilen direkt aus

Computerdaten erfolgt, muß der Datensatz das 3D-

Volumen vollständig und fehlerfrei beschreiben.

Ursprung der Daten:

• 3-D-CAD-Konstruktion

• Messwerte von Koordinatenmeßmaschinen

• Messwerte von CT- oder MRT-Scanner.



Genereller Vorteil der generativen Fertigung:

• Daten werden im Zuge des Fertigungsprozesses

nicht verändert.

• Es können geometrisch komplexe Strukturen

gefertigt werden, die mit traditionellen Verfahren

nicht oder nur sehr aufwendig zu realisieren sind.

Weiterer Vorteil gegenüber nicht-generativen

computergesteuerten Fertigungsverfahren:

• Alle heute verfügbaren generativen Maschinen

arbeiten mit dem gleichen von allen Maschinen

verarbeitbaren STL-Datensatz.



Bild 3.4: Komplexe, nur generativ herstellbare Geometrie



Bild 3.5: Prinzip der generativen Fertigung



Verfahrensschritte zur Herstellung von Bau-

teilen mittels Rapid Prototyping Verfahren

• Generierung der (mathematischen) Schichtinformation

(virtuell im Computer)

• Generierung des physikalischen Bauteils

(Schichtenmodells)

(physikalisch in der Rapid Prototyping Maschine)



3.2 Erzeugung der mathematischen

Schichtinformation (Geometrie)

Generierung des Datensatzes (des virtuellen Modells):

1. Vollständige Beschreibung des (Volumen-) Modells durch einen 3D-Datensatz;

2. Generierung der Einzelschichten und der darin enthaltenen geometrischen Schichtinformationen, („slicen“);

3. Abbildung/Umsetzung dieser geometrischen Schichtinformationen zur Erzeugung einer Schicht.



3.2.1 Erzeugung von 3D-Geometrien

3.2.1.1 Datenfluss und Schnittstellen

Grundlage aller Rapid Prototyping Verfahren:

- vollständiges 3D-CAD-Modell (als digitaler Datensatz)

wie der Datensatz erzeugt wird spielt keine Rolle

- geeignete Schnittstelle (STL, SLC, HPGL usw.)

zur Übertragung an die Maschine

- material-, verfahrens- uns anlagenspezifische Daten



• Weitere Festlegungen vor dem Bauprozess:

– Optimale Baurichtung

– Orientierung des Bauteils im Bauraum

– Platzierung auf der Bauplattform

– Verfahrensspezifische Besonderheiten:

Stützen, Entlastungsschnitte, Base, etc.

• Für Fertigung:

– Konstante Schichtdicke

– Kontur für jede Schicht„slicen“



• Adaptive Slice-Verfahren:

Es wird regelmäßig die Modellhöhe gemessen und

danach die aktuelle Schichtstärke berechnet

(bzw. die Anzahl der noch zu fertigenden Schichten)

Vermeidung der Baufehler in z-Richtung



Bild 3.6: Datenfluss beim Rapid Prototyping

(orientieren,

slicen)

(Stützen,

Baupara-

meter)



Wichtige (neutrale) Schnittstellen:

• IGES (lnitial Graphics Exchange Specification)

• VDAIS (Verband der Automobilhersteller - IGES-Schnittstelle)

• VDAFS (Verband der Automobilhersteller –Flächenschnittstelle)

• SET (Standard d‘échange et de transfer)

• STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data)

• DXF (Drawing Exchange Format)

• HPGL (Hewlett Packard Graphics Language)



Bild 3.7: Verallgemeinerte Darstellung der Datenwege im Rapid Prototyping



3.2.1.2 Modellierung dreidimensionaler

Körper im Computer mit 3D-CAD

Wer im Zuge seiner Produktentwicklung

Rapid Prototyping Verfahren verwenden will,

muss 3D-CAD routinemäßig einsetzen.

3D-CAD-Modell = Digitales Produktmodell



CAD-Modelltypen:

• Eckenmodell (Objekt wird nur durch Eckpunkte

beschrieben nicht verwendbar für RP)

• Kantenmodell (Objekt wird nur durch Begren-

zungslinien dargestellt, d.h. fehlende Information über

exakte Lage von Fläche und Volumen nicht

empfehlenswert für RP)

• Flächenmodell (Objekt wird durch seine inneren

und äußeren Begrenzungsflächen beschrieben, d.h.

Information über exakte Lage von Fläche und Volu-

men (Normalenvektor) ist bekannt gut geeignet für

RP)



• Volumenmodelle (Objekt wird durch sein Volumen

beschrieben, d.h. Information über Orientierung von

Fläche und Volumen) ist bekannt optimal für RP)

– Grundkörpermodelle (CSG)

(Objekt wird durch das Verknüpfen von

Grundkörpern – Primitives – definiert, d.h.

Flächen sind nicht explizit bekannt sondern

müssen bei der Ausgabe als STL-Datei vom

Programm berechnet werden)



– Flächenbegrenzungsmodelle (BRep)

(Objekt wird durch seine Einzelflächen und die

Lage des Volumens definiert)

– Hybridmodelle vereinigen die Vorteile beider

Modellarten

(enthalten Elemente von CSG und Brep)



Bemerkung:

• Die Dimension der Objekte ist zu unterscheiden von der

Dimension des umgebenden Objektraumes.

Dimension von Objekten

und Objektraum

P(x) P(x,y) P(x,y,z)



Bild 3.8: CAD-Elemente und Modelltypen



Bild 3.9: CSG-Baum eines Grundkörpermodells



Bild 3.10: Ausgewählte Arbeitsschritte



Anforderungen an CAD-Modelle

• 3D-Volumenmodellierer (Hybridmodell)

• Schnittstelle für den Export von Daten (STL)

• Parametrische 3D-Konstruktionen (Parameter

statt feste Maßvorgaben)

• Durchgängige Datenbasis (alle Module des

CAD-Programms greifen auf eine gemeinsame

Datenbasis zu)

• Redundanzfreiheit (keine doppelt gespeicherter

Daten)



• Offene Systeme (zur Verknüpfung mit Modulen

freier Hersteller)

• Assoziativität (bei Änderungen werden alle

Abhängigkeiten überprüft und modifiziert)



3.2.1.3 Modellierung dreidimensionaler

Körper aus Meßwerten

„Reverse Engineering“:

physikalisches Modell 3D-CAD-Modell

Umsetzung von (niederwertigen) Punktdaten in

(höherwertige) Flächendaten

(Flächenrückführung)

polygonale Flächen

Dreiecksflächen



Bsp: Ente - Punktewolke



Triangulierte Flächen



Texturiertes Modell



Messdatenerfassung

• manuelles Messen (Meßschieber, Maßband, etc.)

• automatisch arbeitende Meßsysteme

– mechanische Abtaster

– berührungslose Abtaster

• aktive 3D-Scanner

• passive 3D-Scanner



Komplexität der Messaufgabe:

• Erforderliche Messgenauigkeiten

• Größe und Gewicht des Messobjektes

• Werkstoff und Oberflächenzustand des

Messobjektes

• Kosten für Messwertaufnahme und Verarbeitung.



Messmaschinen:

• Koordinatenmessgerät: berührende, nicht

berührende, schaltende oder messenden

Meßsysteme

• LASER-Triangulation: im Bereich einiger

Zentimeter Entfernung vom Messobjekt



Tabelle 3.1: Vor- und Nachteile berührender (taktiler) und berührungs-

loser Meßsysteme



Aufbau einer 3D-Messmaschine:

Bild 3.11: a) 3D-Meßmaschine b) Einstifttaster c) Mehrstifttaster



Bild 3.12: Auflösungsgrenze der Oberfläche beim Einsatz eines Kugeltasters



Bild 3.13: Mögliche Messstrategie zur Erfassung räumlicher Flächen

(Punktraster - Linie - Fläche)



Bild 3.14: Vermessung eines KFZ-Karosserie mittels eines

Koordinatenmessgerätes



Bild 3.15: Triangulationsverfahren. a) Triangulation,

b) Aktive Triangulation



Bild 3.16: 3D-LASER-Scanner (L2000 3D-Scan)



Bild 3.17: 3D-Scan-Book (Dimension 3D-System)



Bild 3.18: Die Bildansichten mit dem 3D-Scan-Book



Bild 3.19: Das Silhouettenschnittverfahren



3.2.2 Erzeugung der mathematischen

Schichten (geometrische Schichtinformation)

3D-CAD-Volumenmodell wird mathematisch in

gleichen Schichten zerlegt („slicen“)

• Oberfläche mit kleinsten Dreiecken überziehen

Dreiecks- oder Triangulationsverfahren

STL-Datensatzes (Industriestandard)

• beliebig in Schichten schneiden

Schnitte direkt in das CAD-Modell. (direkte Methode)

CLI- (SLC-) Datensatz.



3.2.2.1 STL-Format („Standard Transformation

Language“)

• Industriestandard (nicht standardisiert)

• Die einfache Beschreibung der Oberfläche

ermöglicht das problemlose Schneiden an jeder

beliebigen z-Koordinate (ohne CAD-Programm).

• nur ein Datenelement ; kaum Syntaxfehler

(Normalenvektor und Koordinaten der Eckpunkte)

• kleinere Fehler können mit wenig Aufwand repariert

werden

• Dreieck stellt höherwertige Geometrieinformation

dar (als der Vektor eines Konturzuges - CLI)



• Daten können gedreht, vergrößert oder verkleinert –

d.h. skaliert – werden (ohne dass eine CAD-Programm

verfügbar sein muß).

1. Eckpunkt

3. Eckpunkt

Flächen-

normale

Bild 3.20: Darstellung einer Dreiecksfacette („Patch“)

2. Eckpunkt



solid Untitled1

facet normal 0.00000000E+000 0.00000000E+000 1.00000000E+000

outer loop

vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000

vertex -1.96850394E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000

vertex -1.96850394E+000 0.00000000E+000 1.96850394E+000

endloop

endfacet

facet normal 0.00000000E+000 0.00000000E+000 1.00000000E+000

outer loop

vertex -1.96850394E+000 0.00000000E+000 1.96850394E+000

vertex 0.00000000E+000 0.00000000E+000 1.96850394E+000

vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000

endloop

endfacet

……………..

facet normal 0.00000000E+000 1.00000000E+000 0.00000000E+000

outer loop

vertex 1.96850394E+000 1.96850394E+000 0.00000000E+000

vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 0.00000000E+000

vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000

endloop

endfacet

endsolid Untitled1

Flächennormale

1. Eckpunkt

2. Eckpunkt

3. Eckpunkt

Tabelle 2.1: ASCII-Beschreibung einer STL-Schnittstelle



Bild 3.21: Einfluß der Größe der Dreiecksflächen auf die

Approximation einer Verrundung.



Bild A1.1: Punktewolke (6570 Punkte)

Beispiel: Hand



Bild A1.2: Anfangstriangulierung (4693 Punkte, 8832 Dreiecke)



Bild A1.3: Triangulierung mit geschlossenen Löchern (4693 Punkte,

8841 Dreiecke)



Bild A1.4: Triangulierung mit geglättetem Rand



Bild A1.5: Triangulierung einer Hand (3257 Punkte, 5569 Dreiecke)



Fehler bei der Umsetzung der CAD-internen

Geometriedaten in STL-Daten

• Konstruktionsfehler

– fehlerhafte Vereinigung von Einzelelementen im CAD;

(wirken sich primär bei Schicht-Laminat-Verfahren

aus durch mögliche zusätzliche Schnitte aus.)



Bild 3.22: Auswirkungen fehlerhaft vereinigter Körper



• Umsetzungsfehler

– Approximation der mathematisch exakten Kontur

durch gerade Dreiecke, d.h. keine direkte Umsetzung

von gekrümmten Formelementen möglich -

Ungenauigkeit;

– Verzerrung von Formelementen durch den gewählten

Approximationsgrad;



Bild 3.23: a) Sekantenfehler bei der Annäherung eines Kreises durch

4 (f/4), 8 (f/8) oder 12 Geradenabschnitte (f/12)

b) Einfluss der Anzahl der Dreiecke auf die Modellierung

einer Kugel (STL)



• Syntaktische Darstellungsfehler

(Beschreibungsfehler)

– Lücken zwischen Dreiecksfacetten (Berandungsfehler)

– Doppelte Dreiecksfacetten (Überlappungen)

– Falsche Orientierung einzelner Facetten

(Fehlorientierung)

Fertigung ist nur mit Einschränkung oder über-

haupt nicht möglich.



Bild 3.24: Mögliche Fehler im STL-Datenfile



Bild 3.25: Einfluss nicht exakt berandeter Flächenmodelle auf die

Erzeugung von Schichtmodellen



3.2.2.2 CLI-/SLC-Format

(konturorientierte Schnittstelle)

• CLI: Systemübergreifende, anlagenneutrale Form

der Datenübergabe

• SLC: anlagenspezifische Zusatzinformationen zu

den geometrischen Grunddaten

kann nicht zwischen den verschiedenen gene-

rativen Fertigungssystemen ausgetauscht

werden.

• Schnitterzeugung erfolgt direkt im CAD

(am mathematisch exaktes Objekt)



Bild 3.26: Direkte Konturgenerierung aus einem 3D-CAD (SLC)



• Polyline-Anweisung (für jede Schicht):

– Außenkontur (mathematisch positiv)

– Innenkontur (mathematisch negativ)

Konturen müssen geschlossen sein, d.h. Endpunkt =

Anfangspunkt

In einer Ebene können beliebig viele Konturen existieren

• Aber: Daten können nachträglich nicht mehr skaliert

werden (da kein Bezug zur Höhenkoordinate)



Bild 3.27: Darstellung von Konturen im CLI-Datenformat



Bild: 3.28: Fehler im CLI-File und ihre Auswirkungen



3.2.2.3 PLY- und VRML-Format

Insbesondere für farbige Bauteile und solche, die mit

kontinuierlich über den Querschnitt veränderlichen

Eigenschaften (Graded Material) hergestellt werden.

(Diese können nicht mit STL-Datensätzen beschrieben

werden, da die Beschreibung immer das gesamte Drei-

eck betrifft.)

• PLY – „Polygon-File-Format“

• VRML – „Virtual Reality Modeling Language“

(ISO-Standard seit 1997)



3.3 Elemente zur Erzeugung der

physischen Schicht

a) Schicht wird entsprechend der geometri-

schen Schichtinformation auf der Bauebe-

ne (x,y-Ebene) abgefahren;

( Bewegungselement)

b) Schicht wird simultan gemäß einem

physikalischen Prinzip physisch erzeugt.

( generierendes/konturierendes Element)



3.3.1 Bewegungselemente

definieren die Geometrie des Bauteils

– Plotter

x-y-Positioniersysteme mit getrennten Achsen

Antrieb: Zahnriemen, Zahnstangen, Linearantriebe

– Scanner (nur bei Lasereinsatz)

frei programmierbare Ablenksysteme, die den

Laserstrahl auf der Bauebene bewegen.

(für hohe Scan-Geschwindigkeiten müssen die

Spiegel leicht sein)



• Problem: Projektion ist im Zentrum scharf am Rande

aber unscharf.

– Abhilfe: Planfeldlinse (Brennpunkt außerhalb der

optischen Achse)

Bild 3.29: Scan-Optik zur Abbildung der

Schichtinformation auf der Bauebene



3.3.2 Generierende und konturierende Elemente

Generierende Elemente erzeugen die Schicht

(Laser, Extruder, Druckköpfe)

Konturierende Elemente beranden die Schicht

(Laser, Messer, Fräser)

Impact-Verfahren: mech. Wechselwirkung mit der

Schicht (berührende Verfahren)

Messer – Fräser – Extruder

Non-Impact Verfahren: keine mech. Wechselwir-

kung mit der Schicht (berührungslose Verfahren)

Laser – Druckköpfe



3.3.2.1 Lasergestützte Konturierung /

Generierung

Der energiereiche Strahl kann auf extrem

kleine Durchmesser fokussiert werden.

Er kann gepulst oder kontinuierlich sein.

• zum schneiden und sintern: ( = 10 600 nm):

CO2-Laser

• Polymerisation: ( < 500 nm)

Ar-Ionen-/HeCd-Laser (früher)

Festkörperlaser (heute)



Vektorverfahren:

• Konturelemente werden aus geometrischen

Grundelementen (Primitives) erzeugt.

• Kontur kann um einen halben

Strahldurchmesserversetzt werden.

(Strahlweitenkompensation, beam width

compensation)

• Dauer der Generierung hängt von der Komplexität

der Schicht ab.

genauestes und langsamstes Verfahren



Rasterverfahren:

• Kontur wird zeilenweise generiert

( Treppenstufeneffekt in x-y-Ebene)

• Dauer der Generierung hängt nicht von der Komplexität der Schicht ab.

Schneller als Vektorverfahren



Maskenverfahren:

• geometrisch ähnliche, aber maßstäblich verkleinerte

Maske der Schichtkontur wird hergestellt und mittels

einer Energiequelle (UV-Lampe) durchleuchtet.

• Belichtung erfolgt auf einmal und ist unabhängig von

der Komplexität der Schichtinformation.

schnellstes Verfahren



Bild 3.30: a) Vektor-, b) Raster- und c) Maskenverfahren zur Abbildung

der geometrischen Schichtinformationen auf der Schicht



Zu fertigendes Teil Maske

(Positiv-Teil): (Negativ-Teil):

Maskenverfahren:



3.3.2.2 Konturierung / Generierung ohne Laser

a) Druckköpfe (Inkjet-Systeme)

Auftragen von flüssigem Baumaterial

Lokales Einbringen von flüssigem Binder ins

Pulverbett

1.) Bubble-Jet- oder thermische Druckköpfe

– mehrere hundert Düsen pro Druckkopf

– Düsen : 20 – 50 m

– Volumen : 4 – 30 pl

Das thermische System ist vergleichsweise

langsam.



2.) Piezo-Druckköpfe

– ca. 50 – 100 Düsen pro Druckkopf

– Düsen : 20 – 50 m

– Volumen : 2 pl

Das elektro-mechanische Verfahren lässt sich

präziser und schneller steuern als das thermische.



b) Extruder

Das Material wird in eine beheizte Kammer gefördert

und dort durch Wärme in einen pastösen Zustand

überführt.

Durch eine Düse wird das Material extrudiert und als

Schicht auf das Bauteil aufgetragen.

Mehrere parallel arbeitende Düsen sind möglich.

c) Schneidmesser

Konturierung von Folien aus Papier, Kunstsoff und

Keramik.



3.3.3 Schichterzeugendes Element

Setzt sich zusammen aus aufeinander abgestimmten

Bewegungselementen und generierenden Elementen.

Stellt das Werkzeug der generativen Maschine dar.

Ob ein schichterzeugendes Element generiert oder

konturiert hängt vom physikalischen Prinzip der

Schichtentstehung ab.

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