Additive Fertigungsverfahren - Europa-Lehrmittel · 3 Vorwort Die Additive Fertigung, auch unter...

Bibliothek des technischen Wissens

Additive Fertigungsverfahren

RAPID PROTOTYPING • RAPID TOOLING • RAPID MANUFACTURING

1. Aufl age, mit Bilder-CD

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL • Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, Düsselberger Straße 23 • 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 50335

Berger Uwe

Hartmann Andreas

Schmid Dietmar

Titelei.indd 1Titelei.indd 1 22.08.13 14:0022.08.13 14:00

2

Die Autoren des Buches:

Berger, Uwe Dr.-Ing., Prof., Aalen

Hartmann, Andreas Dipl.-Ing. (FH), Stadtbergen

Schmid, Dietmar Dr.-Ing., Prof., Essingen

Lektorat und Leitung des Arbeitskreises: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen

Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfi ldern Agathe Schmid-König, Technische Illustration und Gestaltung, 64668 Rimbach Grafi sche Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar

Dem Buch wurden die neuesten Ausgaben der Normen und Gesetze zu Grunde gelegt. Verbindlich sind jedoch nur die Normblätter selbst und die amtlichen Gesetzestexte. Wie in Lehrbüchern üblich werden etwa bestehende Patente, Gebrauchsmuster oder Warenzeichen nicht erwähnt. Das Fehlen eines solchen Hinweises bedeutet daher nicht, dass die dargestellten Produkte frei davon sind. Die Bilder sind von den Autoren entworfen oder entstammen aus deren Arbeitsumfeld. Soweit Bilder, insbesondere Fotos einem Copyright Dritter unterliegen sind diese mit dem ©-Symbol und dem Urhebername versehen.

1. Aufl age 2013

Druck 5 4 3 2 1Alle Drucke derselben Aufl age sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur von Druckfehlern unverändert sind.

ISBN 978-3-8085-5033-5

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.

© 2013 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten http://www.europa-lehrmittel.de

Umschlaggestaltung: braunwerbeagentur, 42477 Radevormwald und Grafi k und Sound, 50679 Köln unter Verwendung von Fotos des Lektors

Satz: Grafi sche Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar

Druck: M. P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn


3

Vorwort

Die Additive Fertigung, auch unter den Begriffen Rapid Prototyping, Rapid-Technologien und generative Fertigungsverfahren bekannt, sind die neuen Technologien zur automatisierten Herstellung von Werkstücken bzw. von fast beliebigen räumlichen Gebilden direkt aus einer 3D-Darstellung im Computer.

Kennzeichnend ist eine Formgebung durch Zusammenfügen (Addition) elementarer Volumenelemente, meist von vielen sehr dünnen Schichten. Die Materialien sind vielfältig: Polymere, Metalle, Keramiken, Papier und auch biologisch lebende Zellen. Ebenso vielfältig sind die Anwendungen: Bauteile, Werkzeuge, Modelle, museale Repliken, Skulpturen, Textilien und transplantierbare Gewebe.

Beigefügt ist dem Buch eine CD mit den meisten Bildern. Damit können Lehrende, Schüler und Studierende das Wissens- und Erfahrungsmaterial des Buches mit Whiteboard oder Notebook gut präsentieren und in eigene Ausarbeitungen implementieren.

Hinweise und Verbesserungsvorschläge können dem Verlag und damit den Autoren unter der E-Mail Adresse [email protected] gerne mitgeteilt werden.

Herbst 2013 Die Autoren

Hier liegt ein Lehrbuch vor, das den heutigen Stand dieser Technologie mit einer umfassenden Darstellung aufzeigt und Anregungen zur Nutzung und zur Weiterentwicklung gibt. So ist dies ein Lehrbuch, das, unabhängig von einer spezifi schen Fachrichtung, für alle hilfreich ist, die sich mit räumlichen Gebilden auseinandersetzen, sei es im Design, in der Konstruktionstechnik, in der Produktion, in der Archäologie, in der Kunst, in der Architektur oder in der Medizin.


4 Inhaltsverzeichnis

1.1 Additive und subtraktive Fertigung. . . . . . .8

1.2 Systematik der additiven

Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

1.2.1 Gasförmiger Ausgangszustand . . . . . . . . .111.2.2 Flüssiger Ausgangszustand . . . . . . . . . . . .131.2.3 Fester Ausgangszustand . . . . . . . . . . . . . . .141.2.3.1 Drahtförmige Materialien . . . . . . . . . . . . . .151.2.3.2 Laminate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151.2.3.3 Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151.3 Stützstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

1.3.1 Schichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . .191.3.2 Stützstrukturgestaltung . . . . . . . . . . . . . . . .201.3.3 Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

2.1 Rapid Product Development (RPD) . . . . . .23

2.2 Modellarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

2.3 Rapid Prototyping (RP) . . . . . . . . . . . . . . . .27

2.4 Rapid Tooling (RT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

2.4.1 Direkte Herstellung von Formen und Werkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

2.4.2 Indirekte Herstellung von Formen und Werkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

2.5 Rapid Manufacturing (RM) . . . . . . . . . . . . .35

3.1 Entwicklungsgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

3.2 Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

3.2.1 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .403.2.1.1 Photopolymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . .443.2.1.2 Laser-Sintern(LS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .463.2.1.3 Extrudieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .473.2.1.4 Pulverdruck-Polymerisation . . . . . . . . . . . .483.2.2 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .483.2.3 Minerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .513.3 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

3.3.1 Integralbauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .543.3.2 Mode-Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .563.3.3 Zerstörungsfreie Archäologie . . . . . . . . . . .573.3.4 Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .593.3.5 Bio-Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603.3.5.1 Dentaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603.3.5.2 Prothetik und Herstellung von

chirurgischen Modellen . . . . . . . . . . . . . . .623.3.5.3 Hörakustik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .643.3.5.4 Tissue Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . .653.3.6 Personal-3D-Printer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .683.3.7 3D-MID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

4.1 Druckkopfsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

4.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .724.1.2 Pulververarbeitende Systeme . . . . . . . . . .734.1.2.1 Systemkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . .744.1.2.2 Postprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .794.1.2.3 Pulveraufbereiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .804.1.2.4 Infi ltrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .814.1.2.5 Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .824.1.2.6 Besondere Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . .844.1.3 Direkter Materialauftrag . . . . . . . . . . . . . . .864.1.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .864.1.3.2 Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .874.1.3.3 Materialien und Verfahren . . . . . . . . . . . . .874.1.3.4 Stützkonstrukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .884.1.3.5 Anforderungen an die Druckköpfe . . . . . . .894.1.3.6 Schichterzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .904.1.3.7 Postprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .924.1.3.8 Multi-Jet Modeling (MJM) . . . . . . . . . . . . .924.1.3.9 3D-Wax-Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .934.1.3.10 Poly-Jet-Modeling (PJM) . . . . . . . . . . . . . .954.1.4 Druckköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .964.1.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .964.1.4.2 Druckverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .974.1.4.3 Aufl ösung, Genauigkeit und Frequenz . .1014.1.4.4 Aufbau des Drucksystems . . . . . . . . . . . .1034.1.4.5 Sonderformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1044.2 Selektives Lasersintern (SLS). . . . . . . . . .105

4.2.1 Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1054.2.2 LS-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1064.2.2.1 Teilevorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1074.2.2.2 AnfertigungNachbearbeitung . . . . . . . . . .1084.2.2.3 Nachbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1094.2.3 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1094.2.4 LS-Baumaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1104.2.5 Erzielbare Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . .1114.2.6 Maschinen-Realisierungen . . . . . . . . . . . .1114.2.7 Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . .1124.3 Selektives Maskensintern (SMS) . . . . . . .113

4.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1134.3.2 Verfahren mit direkter Belichtung . . . . . .1144.3.3 Verfahren mit Abbildeoptik . . . . . . . . . . . .1154.3.4 Materialien und Beispiele für Teile . . . . . .1164.4 Selektives Strahlschmelzen

(SLM, SEBM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117

4.4.1 Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1174.4.2 Der Strahlschmelzprozess . . . . . . . . . . . . .1174.4.2.1 Teilevorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1184.4.2.2 Anfertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1184.4.3 Strahlquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung 7

2 Prozessketten 23

3 Potenziale Additiver Fertigung 37

4 Prozessarten 72


5Inhaltsverzeichnis

4.4.3.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1184.4.3.2 Elektronenstrahlschmelzen (EBM) . . . . . .1194.4.4 Baumaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1194.4.5 Erzielbare Genauigkeiten . . . . . . . . . . . . .1194.4.6 Maschinen-Realisierungen . . . . . . . . . . . .1194.5 Layer Laminated Manufacturing (LLM) . .121

4.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1214.5.2 Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1234.5.3 LLM-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1234.5.4.1 Laminated Oject Modeling (LOM) . . . . . .1234.5.4.2 Paper Laminated Technology (PLT) . . . . .1254.5.4.3 MCor-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1264.5.4.4 PVC Laminated Technology . . . . . . . . . . .1284.5.4.5 Layer Milling Process (LMC) . . . . . . . . . . .1294.5.4.6 Ultrasonic Additive Manufacturing

(UAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1304.6 Fused Layer Modeling (FLM) . . . . . . . . . .131

4.6.1 Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1314.6.2 FLM-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1324.6.2.1 Teilevorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1324.6.2.2 Anfertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1344.6.2.3 Nachbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1354.6.3 Extrusionsköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1354.6.4 FLM-Baumaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . .1354.6.5 Erzielbare Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . .1364.6.6 Maschinen-Realisierungen . . . . . . . . . . . .1364.6.7 Anwendungsbereiche und

Folgeprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1374.7 Stereolithographie (STL) . . . . . . . . . . . . .138

4.7.1 Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1384.7.2 Stereolithographie-Prozess . . . . . . . . . . . .1384.7.2.1 Teilevorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1394.7.2.2 Anfertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1404.7.2.3 Nachbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1414.7.3 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1414.7.4 STL-Baumaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . .1424.7.5 Erzielbare Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . .1434.7.6 Maschinen-Realisierungen . . . . . . . . . . . .1434.7.7 Anwendungsbereiche und

Folgeprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1444.8 Flächige UV-Belichtungsverfahren . . . . .146

4.8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1464.8.2 Belichtungstechnologie . . . . . . . . . . . . . . .1484.8.2.1 Selektiv fl ächige Belichtung . . . . . . . . . . .1494.8.2.2 Belichtung mit DLP . . . . . . . . . . . . . . . . . .1494.8.2.3 Belichtung mit Mikroshutter . . . . . . . . . . .1504.8.3 Bauprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1514.8.3.1 Solid Ground Curing . . . . . . . . . . . . . . . . .1514.8.3.2 Stationäre Belichtung von oben . . . . . . . .1514.8.3.3 Stationäre Belichtung von unten . . . . . . .1524.8.3.4 Bewegte Belichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . .153

5.1 CAD-Datenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154

5.1.1 CAD-Flächenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . .1545.1.2 Volumenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1565.2 Voxelmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

5.3 Schnittstellenformate . . . . . . . . . . . . . . . .157

5.3.1 STL-Format. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1575.3.2 SLC-Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1585.3.3 VRML-Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1595.3.4 IGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1605.3.5 VDAFS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1615.3.6 STEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161

6.1 Allgemeines und Anwendungen . . . . . . .162

6.2 Scannen mit Lichtoptik . . . . . . . . . . . . . . .163

6.2.1 3D-Digitalisierung, Beispiel . . . . . . . . . . . .1656.2.2 Optische 3D-Aufnahmetechniken . . . . . . .1676.2.2.1 Lichtschnittverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . .1676.2.2.2 Phasen-Schiebe-Verfahren . . . . . . . . . . . .1686.2.2.3 Moire´-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1686.2.2.4 Photogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1696.2.2.5 Aotofokus-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . .1706.2.2.6 Lichtlaufzeitsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . .1716.2.2.7 Theodolit-Messsysteme . . . . . . . . . . . . . .1716.3 Röntgen-Computertomographie (CT) . . .172

6.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1726.3.2 Funktionsweise und Technik . . . . . . . . . . .1736.3.2.1 Röntgen CT in der industriellen

Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1736.3.2.2 Aufl ösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174

7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176

7.2 Szenensteuerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177

7.3 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178

7.4 Augmented Reality, Mixed Reality . . . . .179

7.5 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179

8 Fallbeispiele 180

Fachwörterbuch Deutsch-Englisch, Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210

Professional-Dictionary English-German, Index . .215

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220

Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223

5 3D-Datenfl uss 72

6 3D-Scannen 72

7 Virtuelle Umgebung 176


6 U.S. Patent 4,575,330

Auszug aus US Patent Nr. 4,575,330


Baudatenüber-tragen

Schichtauftragen

Bauplatt-form

Bauplattformeine Schichtabsenken

Zonenweiseverfestigen

Bauteile entnehmenNachbearbeitung

Bild 1: Stereolithographie-Prozess

Bild 2: Rapid-Prototyping-Schrittkette

Bild 3: Im Stereolithographieverfahren hergestellte

Gehörkapsel

7

Im Jahr 1986 wurde ein neuartiges Fertigungsver-fahren patentiert1, welches die direkte Herstellung gegenständlicher Objekte aus einem 3D-Com-putermodell ermöglichen sollte. Als Werkstoff diente hierzu ein fl üssiger Kunststoff, der durch Belichtung mit einem Laserstrahl zonenweise ver-festigt werden konnte und durch Abfahren ebener Bahnkurven jeweils in übereinanderliegenden dünnen Schichten die Fertigung komplexester Teilegeometrien ermöglichte.

Diesem sogenannten Stereolithographieverfah-ren2 folgten sehr bald eine Reihe von alternativen Verfahren, die allesamt den schichtweisen Auf-bau von 3D-Objekten aus einem digitalen Compu-termodell heraus gemeinsam haben (Bild 1). Das herzustellende Teil wächst hierbei Bauschicht für Bauschicht auf einer Plattform auf, wobei in der Regel die oberste Schicht durch Absenken der Bauplattform auf konstantem Niveau gehalten wird. Derartige in 21/2-D-Technik erfolgende Her-stellungsverfahren werden auch als additive oder als generative Fertigungsverfahren bezeichnet.

Da diese neuartigen Fertigungsverfahren zu-nächst für den Prototypenbau innerhalb kurzer Zeitfristen prädestiniert schienen, wurde für sie der Begriff Rapid-Prototyping geprägt (Bild 2).

Nachdem bald immer leistungsfähigere Werk-stoffe entwickelt wurden, eröffneten sich auch neue und innovative Möglichkeiten, Werkzeuge mittels dieser Verfahren in sehr kurzen Zeitspan-nen bereitzustellen. Damit war der Weg zum so genannten Rapid-Tooling geebnet, welches die Herstellung von kleinen und mittleren Losgrößen in Serienwerkstoffen erlaubt.

Die jüngste Phase der Entwicklung zielt darauf ab, serienidentische Endnutzerteile im direkten, werkzeuglosen Verfahren herzustellen, was als Rapid-Manufacturing bezeichnet wird. Der Schlüssel für die Effi zienz von Rapid-Prototyping, Rapid-Tooling oder Rapid-Manufacturing liegt im Wegfall von jeglichen Werkzeugen und Formen für die Herstellung eines Bauteils sowie in einer wesentlich vereinfachten Maschinenkinematik, da der Bauprozess in der Regel schichtweise in 21/2-D-Technik3 erfolgt. Bild 3 zeigt als Anwen-dungsbeispiel von Rapid-Manufacturing ein im Stereolithographieverfahren hergestelltes Ohr-passstück für ein Hörgerät.

Auf dem Gebiet der Medizintechnik lassen sich durch schichtweises Aufbauen von 3D-Strukturen komplexester Gestalt bislang unerreichte An-

1 Einführung wendungen erschließen. Das so genannte Tissue-Engineering bzw. Bio-Engineering stellt die Her-stellung künstlicher Organe für die regenerative medizinische Behandlung für die Zukunft in Aus-sicht.

1 U.S. Patent 4,575,330; Erfi nder: Charles W. Hull2 Hull hatte die Idee, abgeleitet aus der Flachdrucktechnik (z. B.

der Lithographie), durch wiederholtes übereinander Drucken von dünnen Schichten räumliche Gebilde herzustellen, siehe Seite 6.

3 21/2-D-Technik. Begriff aus der NC-Technologie: Bahnerzeugung in der X-Y-Ebene und Zustellung in Z-Richtung.

Kapitel-1.indd 7Kapitel-1.indd 7 22.08.13 14:0322.08.13 14:03

Bild 3: Scaffold, Stützwerk für Knochensubstanz in

der regenerativen Medizin

Bild 2: Schichtweiser Aufbau einer Schneckenhauses

(Cassis cornuta)

Klassifizierungs der

Fertigungsverfahren

nach DIN 8580

1. Urformen

6. Stoffeigen- schaften ändern

5. Beschichten 4. Fügen

3. Trennen

2. Umformen

Bild 1: Einteilung der Fertigungsverfahren (DIN 8580)

8 1 Einführung

1.1 Additive und subtraktive

Fertigung

Die Fertigungsverfahren werden nach DIN 8580 in sechs Hauptgruppen eingeteilt (Bild 1):1. Urformen, 2. Umformen,3. Trennen, 4. Fügen,5. Beschichten, 6. Stoffeigenschaft ändern.

Die in den Hauptgruppen 1 bis 4 eingesetzten Ver-fahren bestimmen die Form des Werkstücks und seinen stoffl ichen Zusammenhalt, die Verfahren der Hauptgruppen 5 und 6 zielen auf die Beein-fl ussung seiner Stoffeigenschaften ab.

Die ständige Weiterentwicklung der oben genann-ten Fertigungsverfahren ist ein Merkmal der Evo-lution des Menschen. Aber während diese vom Menschen genutzten Verfahren Werkzeuge und Formen benötigen, arbeitet die Natur mit völlig anderen Mitteln. Der Aufbau der von ihr erzeugten Strukturen erfolgt von innen heraus werkzeuglos und formlos. Ihre Materialien sind Kohlenwasser-stoffe, Kalzium- und Siliziumverbindungen, und ihre Baupläne liegen als genetischer Kode in der DNA (Desoxyribonukleinsäuren) vor. Die für den Bauprozess erforderliche Energie wird chemisch, z. B. durch Verbrennung von Kohlenstoff undSauerstoff bei Mensch und Tier, bzw. durch Foto-synthese, wie in der Pfl anzenwelt, erzeugt. Der Aufbau des Gehäuses einer Meeresschnecke ver-läuft schichtweise (Bild 2).

Die chemische Grundsubstanz ist Kalziumkar-bonat. Dieser natürlichen Feinstruktur steht die

synthetische Architektur eines sogenannten Scaf-

folds (engl., Gerüst) gegenüber, das im Bio-Engi-neering mit einem in additiver Technik arbeiten-den 3D-Drucker hergestellt wurde (Bild 3).


Detail

Bild 3: Treppenförmige Oberfl ächenstruktur eines

im FLM-Verfahren (Fused Layer Modeling)

hergestellten Teils

Detail

Bild 2: Treppenförmige Oberfl ächenstruktur eines im

3DP-Verfahren (3D-Printing) hergestellten Teils

Detail

Bild 1: Treppenförmige Oberfl ächenstruktur eines

im SL-Verfahren (Stereolithographie) her-

gestellten Teils

91.1 Additive und subtraktive Fertigung

Es wird als Stützwerk bei der künstlichen Er-zeugung organischer Knochensubstanz in der Chirurgie benötigt. Der Herstellungsprozess für dieses Stützwerk verläuft in Anlehnung an die Bauweise des Schneckenhauses. Zunächst bil-den aufeinanderfolgende Polymerschichten eine Matrixstruktur, in welcher sich Kalziumkarbonat ablagern kann. Nach und nach verschwindet die Polymermatrix und das mineralisierte 3D-Objekt bleibt übrig.

Erst seit den 1980er Jahren werden neuartige Fer-tigungsverfahren erforscht und entwickelt, die auf dieses Bauprinzip der Natur zurückgreifen. Man möchte Werkstücke beliebiger Komplexität und mit natürlichen Oberfl ächen in technischen Mate-rialien herzustellen. Auf die Anwendung von For-men und Werkzeugen soll man verzichten können.

Ermöglicht wird dies durch die Fortschritte in der Computertechnologie, in der grafi schen 3D-Datenverarbeitung und in der digitalen 3D-Messtechnik. Ein digitales 3D-Abbild des herzu-stellenden Werkstücks ist die Grundlage für den additiven Herstellungsprozess.

Der Begriff Additive Fertigung (engl. additive ma-nufacturing, Kurzbezeichnung AM), hat sich aus dem angelsächsischen Sprachraum verbreitet und verbildlicht den fundamentalen Unterschied der neuen Techniken zu den traditionellen, sub-

traktiv wirkenden Herstellungsverfahren. Auch zu den urformenden und umformenden Ver-fahren besteht der deutliche Unterschied, dass kein Formwerkzeug gefertigt werden muss, was wiederum einen subtraktiv wirkenden vorange-henden Vorgang erfordern würde.

Die derzeit industriell angewandten additiv wir-kenden Fertigungsverfahren sind 21/2-D-Tech-niken. Sie arbeiten direkt-generativ. Direkt be-deutet, dass die Geometrie des zu erzeugenden Gegenstands unmittelbar aus der digitalen, d. h. in der EDV vorliegenden Darstellung abgeleitet wird. Generativ besagt, dass das Teilevolumen schichtenweise anwächst, bis es sein Endvolu-men gemäß dem digitalen Modell einnimmt.

Treppenförmige Strukturen sind charakteristisch für additiv hergestellt Oberfl ächen. Sie treten umso auffälliger in Erscheinung, je fl acher die so gefertigten Schrägen sind. Am Beispiel einer sphärischen Oberfl äche wird dieser Effekt deut-lich.

Additive Fertigungsverfahren arbeiten werkzeuglos und ohne Form. Das Volumen eines Objekts wird dabei schichtweise oder direkt in drei Dimensionen gemäß einem digitalen Computermodell aufgebaut.

Die Bilder 1 bis 3 zeigen die Oberfl ächenstruktur an SL-, 3DP- und FLM-Teilen, die in Bauschicht-stärken von 0,1 mm hergestellt wurden.


Grundzustand

des Werkstoffs

gasförmig

flüssig

fest

Physikalisch auftragen (5.8) Chemischauftragen(5.9)

Erstarren(1.1)

Verkleben(4.8)

Verschmelzen(4.6)

Zusammen-setzen (4.1)

Extrudieren(1.2)

4

3

2

1

Bild 1: Technische Realisierungsmöglichkeiten additiver Herstellungsprozesse

10 1 Einführung

1.2 Systematik der additiven

Fertigungsverfahren

DIN 8580 ordnet die Produktionsprozesse inGruppen und untergliedert diese nach den ein-gesetzten Fertigungsverfahren. Die technischen Realisierungsmöglichkeiten generativer Herstel-lungsprozesse beruhen darauf, dass abhängig vom Baumaterial, das fest, fl üssig oder gasför-mig sein kann, ein geeignetes Fertigungsver-fahren nach DIN 8580 zum schichtweisen Aufbau des Werkstücks genutzt wird. Zum Beispiel wird das schichtweise Urformen aus dem fl üssigen Zu-stand beim Stereo-lithograpieverfahren genutzt, die entsprechende Klassifi zierungsnummer ist 1.1 (Bild 1).

Verschmelzen aus dem festen Zustand (4.6) wird bei den Lasersinter- und Laserstrahlschmelzver-fahren eingesetzt, Extrudieren (1.2) beim Fused-Layer-Modeling-Verfahren.

Eine Vielzahl entsprechender Wirkprinzipien ist erprobt, aber nicht alle sind erfolgreich kommer-zialisiert worden.

Der gasförmige Aggregatzustand ermöglicht das additive Aufbringen feinster Schichten und ist da-her die Basistechnologie für die Halbleiter- und Elektronikbranche. Das additive Auftragen aus der Festphase ist Grundlage für die Herstellung großformatiger Werkstücke mittels draht- oder pulverstrahlbasierten Auftragsschweißens oder pulverbettbasierten Strahlschmelzens, beispiels-weise in den Branchen des Maschinenbaus oder der Luft- und Raumfahrttechnik. Sind feinere Oberfl ächen an Teilen mittleren und kleineren Formats gefordert, wie z. B. in der Medizintech-nik oder allgemein für Feingussanwendungen, so bietet sich die additive Fertigung aus der Flüssig-phase an.

Additive Herstellungsprozesse können realisiert werden, indem der Werkstoff im festen Zustand schichtweise oder entlang einer 3D-Bahn auf einem Trägermedium aufgebracht und verfestigt wird. Hier-für werden Werkstoffe aus Kunststoffen, Metallen und Mineralen eingesetzt. Das Baumaterial kann in Drahtform, als Laminat oder als Pulver vorliegen. Die Verbindung kann durch Verkleben, Verbacken oder Verschmelzen erfolgen.


NiCr Ta Ta2O5 Au

Keramik

Bild 2: Beispiel einer Dünnschichtschaltung in der

Elektronik

SiCä4 + 2H2 Si + 4HCä

Si-Substrat1240 °C

Graphitunterlage

GasförmigerDotierungsstoff

H2 SiCä4

Ofen

Bild 3: Wirkprinzip CVD-Epitaxie, Beispiel Silizium-

epitaxie aus der Gasphase

Bauwerkstoff − gasförmig

Material physikalisch aufbringenMaterial chemisch aufbringen

Epitaxie-verfahren

PVD − Indirekte Strukturierungdurch Masken-technik

Direkte Strukturierungdurch Laser-/Ionenstrahl

Thermisches VerdampfenLaserstrahlverdampfenKathodenzerstäubungLichtbogenverdampfenMolekularstrahlepitaxie (MBE)

IonenstrahlgestütztesAuftragen (IBAD)LDS-Verfahren

Bild 1: Vom gasförmigen Zustand des Werkstoffs ausgehende additive Herstellungsverfahren

111.2 Systematik der additiven Fertigungsverfahren

1.2.1 Gasförmiger Ausgangszustand

Bei den Verfahren, die auf gasförmigem Zustand des Werkstoffs beruhen unterschiedet man zwi-schen dem Grundprinzip des chemischen und dem des physikalischen Auftragens zur Bau-schichterzeugung (Bild 1).

Beides wird im Entwicklungsgang der Halbleiter-technologie beginnend in den 1970er Jahren für die so genannte Dünnschichttechnologie genutzt (Bild 2). Die Dünnschichttechnologie zielt haupt-sächlich auf die Herstellung von Leiterplatten der Elektronik ab, bei denen zwar die Anzahl der Schichten gering ist, diese jedoch in der Regel aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sind. Vorzugsweise geht es hierbei um die Her-stellung von halbleitenden, metallischen oder di-elektrischen Schichten, die üblicherweise dünner als 1 µm sind. Diese werden aus der Gasphase durch eine chemische Reaktion (CVD, chemical

vapor deposition) oder aus der Dampfphase (PVD,

physical vapor deposition) sowie der ionisierten Phase durch einen physikalischen Vorgang auf einem Trägermedium (Substrat) aufgebracht. Zur Strukturierung der Schichten können Laserbear-beitung, Ionenstrahlbearbeitung oder fotolitho-grafi sche Maskentechnik eingesetzt werden.

Das Wirkprinzip von CVD beruht auf der che-mischen Reaktion diffundierender Gasmoleküle auf der erhitzten Oberfl äche eines Substrats. Hierbei werden auch feine Vertiefungen gleich-mäßig beschichtet, so dass ein konformes Auf-tragen an 3D-Strukturen möglich ist.

Zu CVD gehören die aus der Gasphase heraus wirkenden Epitaxieverfahren (altgriech. epi – auf, taxis – Anordnung). Bei diesen werden auf einem

Substrat bei Prozesstemperaturen zwischen 900 °C und 1100 °C Schichten mit gleichartiger kristalliner Gitterstruktur aufgebaut (Bild 3).


550 °C

1,33·10-6 Pa

925 °C

Substrat

Molekular-strahlofen

PumpePolykristallinesGaAs-Pulver

Bild 1: PVD, Wirkprinzip der Molekularstrahl-Epitaxie

© PLATIT AG

Bild 2: PVD-Beschichten mit Sputter-Anlage

Drehtischzur Aufnahme von

Trägersubstrat

Lasermit Optik

Bild 3: Blick in den Arbeitsraum einer LDS-Anlage

12 1 Einführung

Bei den physikalisch wirkenden schichtbauenden Verfahren kann zwischen direktem und indirektem Strukturieren der erzeugten Schicht unterschie-den werden. Bei Letzterem liegt das Beschich-tungsmaterial als chemische Verbindung in Form eines Targets in einer Vakuumkammer vor. Dieses wird mit einem Laser- oder Ionenstrahl beschos-sen oder thermisch zum Verdampfen gebracht. Die so freigesetzten Moleküle schlagen sich auf dem Substrat nieder. Die Prozesstemperaturen liegen unterhalb von 600 °C.

Zu den physikalisch wirkenden Verfahren, die aus der Dampfphase heraus für additive Herstellungs-vorgänge genutzt werden, gehören das

• thermische Verdampfen,

• das Laserstrahlverdampfen,

• das Lichtbogenverdampfen und

• die Katodenzerstäubung (Sputtering).

Hierbei wird zunächst vom festen Aggregatzu-stand ausgehend in die Dampfphase übergeführt. Im Falle der Molekularstrahlepitaxie werden auf einem Substrat Schichten mit gleichartiger kri-stalliner Gitterstruktur aufgebaut (Bild 1). Beim

„Sputtering” können keramische Verbindungen abgeschieden werden (Bid 2).

Die Strukturierung der Oberfl ächen kann bei den genannten Verfahren durch fotolithografi sche Maskentechnik erfolgen.

Additive Herstellungsprozesse können realisiertwerden, indem der Werkstoff aus seiner Gaspha-se durch eine chemische Reaktion oder aus seiner Dampfphase durch einen physikalischen Prozess schichtweise oder punktweise im 3D-Bauraum auf einem Trägermedium aufgebracht und verfestigt wird.

Die direkte Strukturierung dünner Schichten ermög-licht das Ionenstrahl-gestützte Auftragen (IBAD Ion beam assisted deposition). Die kinetische Energie der Ionen beträgt dabei zwischen 10 eV und 1000 eV.

Die additive Laser-Direktstrukturierung nach dem LDS-Verfahren (LDS, laser direct structuring) ermög-licht die Herstellung von metallisierten Leiterbahn-strukturen auf 3D-Bauteiloberflächen aus Kunststoff (Bild 3). Dabei wird das Trägersubstrat aus Polymer zunächst mit einem Infrarotlaser selektiv für das Beschichten mit Kupfer aktiviert, worauf im folgenden weitere aus Nickel und Gold bestehende Schichten stromlos abgeschieden werden.


CO2-Laser

Optik Bewegter Spiegel(Scanner)

Wischer

Gefüllte Bauwanne

Bauteil

Stütz-strukturen

Bauplattform

Bild 2: SL-Verfahren

Wischer

DLP-Projektor

Bauteil

Stützstrukturen

BauplattformBaubehälter

Bild 3: DLP-Verfahren

Material flächigaufbringen

Material selektivaufbringen

3D-Generierung

DurchScannen

mitLaserstrahlverfestigen

(SL)

Zeilenweisedurch

Belichtenverfestigen

(MLS)

Über Maskeverfestigen

Verfestigen durch

Belichten (PJM)

Verfestigendurch Wärme(MJM)

Holo-grafisch

verfestigen

Mit sichkreuzenden

Strahlenverfestigen

Flüssigen Werkstoff verfestigen

Bild 1: Vom fl üssigen Zustand des Werkstoffs ausgehend verfestigen


1.2.2 Flüssiger Ausgangszustand

In fl üssiger Form vorliegender Werkstoff kann im additiv wirkenden Herstellungsvorgang nach ver-schiedenen Prinzipien aufgebracht und verfestigt werden (Bild 1). Es wird unterschieden zwischen

• den indirekt aufbauenden Verfahren, bei denen die Grundfäche des Bauraums ebenenweise vollständig benetzt und dann selektiv verfestigt wird,

• den direkt aufbauenden Verfahren, bei denen diese Grundfl äche direkt und selektiv benetzt und danach vollständig verfestigt wird, und

• den Verfahren, bei denen das Bauvolumen nicht in 2 1/2-D-Technik sondern dreidimensio-nal verfestigt wird. Letzteres ist bislang nur an-satzweise verwirklicht, z. B. durch Anwendung sich räumlich schneidender Laserstrahlen oder durch holografi sche Belichtung.

Die Verfestigung der fl üssigen oder der pasten-förmigen Materialien erfolgt durch Polymerisa-tion, bei welcher in einer chemischen Reaktion ungesättigte, aus kleinen Molekülen bestehende Kohlenwasserstoffverbindungen, sogenannte Mo-nomere, sich zu langen Molekülketten, Polymeren, verbinden und sich bei dieser Vernetzung verfe-stigen. Dieser Vorgang wird durch Zuführung von Energie in Form von Licht oder Wärme initiiert.

In den zuerst genannten Verfahren wird die Flüs-sigkeitsschicht durch einen mechanisch oder hydraulisch wirkenden Schieber fl ächig aufgetra-gen. Im folgenden Prozessschritt kann dann die Polymerisation selektiv eingeleitet werden, in-

dem eine Volumenschnittebene nach der anderen in 2D-Bahnen von einem Laserstrahl verfestigt wird (Stereolithographie – SL, Bild 2), in einem einzigen Verfahrvorgang mit einer Zeile von fein-fokussierten UV-Lichtpunkten überstrichen wird (Micro Light Switching – MLS) oder über eine dy-namisch erzeugte Fotomaske auf einen Schlag be-lichtet wird (Digital Light Processing – DLP, Bild 3).


KunststoffeMineraleMetalle

Feste Bauwerkstoffe auftragen

Laminate aufbringen

DrahtförmigeMaterialienauftragen

Pulvermaterialien verbinden

Verschmelzen

Strahlschmelzenvon Metallen

3D-Drucken(3DP)

Verbacken Verkleben

FormgebendesSchweißenvon Metallen(WAAM)

Extrudieren vonKunststoffen(FLM)

Verkleben vonKunststoffen (LLM)

Fügen von Metallen

Laser (SLM)Elektronen-strahl (EBM)

Masken-Versintern(MS)

Laser-Sintern(LS)

KunststoffeMineraleMetalle

KunststoffeMinerale

4321

Bild 2: Vom festen Zustand des Werkstoffs ausgehend auftragen

Linearachse(Y-Achse)

Druckkopf

Druckachse(X-Achse)

UV-Lampe

Vertikalachse(Z-Achse)

Stützmaterial

Bauteil

Bauplattform

Bild 1: PJM-Verfahren

14 1 Einführung

In den selektiv benetzenden Verfahren wird das fl üssige Baumaterial auf die zu verfestigenden Bereiche des jeweiligen Volumenschnitts durch hin- und herfahrende Düsenköpfe aufgebracht. Entweder wird das Baumaterial im Druckkopf thermisch verfl üssigt und durch Wärmeabfuhr auf dem Bauteil verfestigt (Multi-Jet Modeling – MJM) oder bei Raumtemperatur aufgebracht und durch Belichten verfestigt (Poly-Jet Modeling – PJM, Bild 1).

Auch gibt es bei festen AM-Materialien, ver-glichen mit den fl üssigen, eine größere Band-breite bezüglich Materialkosten, Materialdurch-satz und Materialeffi zienz. Etliche dieser Verfahren, wie z. B. LS, FLM und 3DP, können preisgünstige Serienmaterialien verarbeiten. Die Materialeffi zi-enz bezieht sich auf die Verwertungsrate des ein-gesetzten Baumaterials. Sie kann zwischen 10 % und 90 % liegen. Der Materialdurchsatz und damit die Baugeschwindigkeit kann bei WAAM (Wire and Arc AM), als dem leistungsfähigsten AM-Ver-fahren, mehrere kg/h betragen.

Additive Herstellungsprozesse können realisiert werden, indem der Werkstoff im fl üssigen Zustand schichtweise oder entlang einer 3D-Bahn auf einem Trägermedium aufgebracht und verfestigt wird.

1.2.3 Fester Ausgangszustand

Bei den auf festen Baumaterialien basierenden Wirkprinzipien für eine Additive Fertigung liegt der Werkstoff in Draht- oder Strangform, als La-minat bzw. Blech oder in Form von Pulvern vor. Bei festen Materialien ist die größte Vielfalt für Anwendungen additiv wirkender Verfahren mög-lich, da sowohl Kunststoffe als auch unterschied-lichste Metalle und Metalllegierungen, aber auch mineralische Werkstoffe wie Sande, Keramiken bis hin zu Kompositwerkstoffen eingesetzt wer-den können (Bild 2).


10 mm

Bild 2: Im LLM-Verfahren hergestelltes Anschauungs-

modell

Bild 1: Im FLM-Verfahren hergestelltes Bauteil


1.2.3.1 Drahtförmige Materialien

Draht- oder strangförmige Baumaterialien für Additive Fertigungsverfahren bestehen üblicher-weise aus Kunststoffen, die durch erhitzte Düsen extrudiert werden und in zeilenförmigen Bahnen Schicht für Schicht das 3D-Teil erzeugen (Bild 1).

Die so aufgebauten Teile erhalten ihre Stabilität durch Aufschmelzen auf bereits gefertigte Schich-ten. Diese können vom selben Materialtyp sein, mit entsprechenden Sollbruchstellen, wenn es sich um Stützstrukturen für überhängende Par-tien des Bauteils handelt. Eine andere Realisie-rungsmöglichkeit für Stützstrukturen besteht da-rin, dass man hierfür ein zweites Material einsetzt, das im Wärmebad oder in einem Ätzbad gelöst werden kann. Dies erfordert höheren technischen Aufwand, da mit mehreren Extrusionsköpfen ge-arbeitet werden muss.

Metallische Drähte werden beim sogenannten formgebenden Auftragsschweißen eingesetzt (WAAM-Verfahren: Wire + Arc Additive Manu-facture).

Die auf dem Extrudieren von Kunststoffen be-ruhenden Verfahren werden unter dem Begriff Fused Layer Modeling (FLM) geführt.

1.2.3.2 Laminate

Laminate bieten eine hohe Flexibilität bezüglich des Einsatzes von Werkstoffen für den genera-tiven Herstellungsprozess. Es können Kunststoff-folien, Papiere, Metallbleche aber auch Kompo-sitmaterialien genutzt werden. Die aufeinander gesetzten Schichten können verklebt aber auch, wie im metallischen Fall, verstiftet oder ultra-schallgeschweißt (UC – ultrasonic consolidation) werden. Die entsprechenden Verfahren werden mit Layer Laminated Manufacturing (LLM) be-zeichnet.

Bei aus Laminat hergestellten Bauteilen kann die natürliche Orientierung der Bauschichten beispielsweise für die Realisierung von fl exiblen Bänderscharnieren vorteilhaft genutzt werden (Bild 2).

1.2.3.3 Pulver

Pulverförmige Baumaterialen sind inzwischen in einer großen Vielfalt auf metallischer, minera-

lischer und organischer Basis verfügbar. Die auf-einander aufgebrachten Schichten können durch

• Verkleben,

• Verbacken oder

• Verschmelzen

miteinander verbunden werden.

Je nachdem, ob eine oder mehrere Materialkom-ponenten zur Verbindung beitragen, spricht man von einem direkten oder einem indirekten Pro-zess. In Bild 2, vorhergehende Seite sind die Ver-fahren gegenübergestellt.

Additive Herstellungsprozesse können realisiert werden, indem der Werkstoff im festen Zustand schichtweise auf einem Trägermedium aufgebracht und verfestigt wird. Hierfür werden Werkstoffe aus Kunststoffen, Metallen und Mineralen eingesetzt. Das Baumaterial kann in Drahtform, als Laminat oder als Pulver vorliegen. Die Verbindung kann durchVerkleben, Verbacken oder Verschmelzen erfolgen.


1. Bauplattform absenken2. Pulver auftragen3. Aufgetragenes Pulver bedrucken

Bauteil

Beschichter(Recoater)

BaubehälterBauplattform

Linearantrieb(Y-Achse)

Druckkopf

Druckachse(X-Achse)

Bild 1: 3DP-Verfahren

Bild 3: Kunststoffpulveraufbereitung in Siebstation

CO2-Laser

OptikBewegter Spiegel

Walzenbeschichter

Pulvertank

Bauteil

BauplattformPulvertank

Bild 2: Lasersinter-Verfahren

Bauplattform

Bauteil

Pulver-tank

Walzen-beschichter

Tonerwalze

Toner-wischer

Tonermaske

Infrarotstrahler

Maskenträger(Glasscheibe)

Bild 4: Maskensintern

16 1 Einführung

Beim pulververarbeitenden 3D-Druckverfahren

(3D-Printing – 3DP) wird ein fl üssiger Binder mit-tels Düsenkopf selektiv auf einen Pulverwerkstoff gedruckt und so das Modell Schicht für Schicht aufgebaut. Mehrere Modelle können hierbei ne-ben- und übereinander im Pulverbett liegen und benötigen daher keine Stützgeometrie (Bild 1). Als Werkstoffe kommen Kunststoffe und Minerale zum Einsatz.

Der Bauprozess beim Laser-Sintern (LS), auch als selektives Lasersintern (SLS – Selective Laser Sintering) bezeichnet, erfolgt wie allen additiven Verfahren in Schichten (Bild 2). Die einzelnen Körnchen des Baumaterials bestehen aus Kunst-stoff (Bild 3) oder aus polymerummanteltem Glas, Sand oder Metall. Die Körnchen verschmelzen partiell (verbacken) durch den Laserstrahl und halten das Materialgefüge zusammen. Im Bau-prozess ungenutztes Material kann in einer Sieb-station aufbereitet werden (Bild 3).

Beim Masken-Sintern (MS), auch selektives Mas-kensintern (SMS), wird die Pulverschicht über eine jeweils neu erzeugte Tonermaske fl ächig mit Infrarotlicht bestrahlt und Kunststoffpulver auf diese Weise selektiv verfestigt. Beide Verfahren erzeugen somit die Verbindung gewissermaßen durch ein Verbacken der Polymerummantelungen (Bild 4).

Kunststoffpulver verarbeitende AM-Verfahren sind Lasersintern, Maskensintern, Extrudieren und Pul-verdruck-Polymerisation (Bild 1, folgende Seite). Alternativ zu Kunststoffen können auch beliebige an-organische, mineralische Materialien im AM-Prozess extrudiert werden, sofern diese in einen pastösen Zustand versetzbar sind.


AM-Verfahren

Kunststoffpulver

Maskensintern

Extrudieren

Pulverdruck-Polymerisation

Lasersintern SLS

SMS

FDM

3DP

Bild 1: AM-Prozesse mit Verarbeitung von Kunststoff-

pulver

Strahlschmelzen

von Metallen

Laser

Laser Cladding

Laser Cusing

Selective Laser Melting

Direktes Laserformen

Direct Metal Laser Sintering

Electron Beam MeltingElektronenstrahl

Pulverstrahl-basiert

Pulverbett-basiert

MechanischeStrahlablenkung

Magnetische Strahlablenkung

Bild 2: Laser-Melting-Verfahren

171.4 Produkterzeugung

Beim Strahlschmelzen (Laser Melting, Über-sicht in Bild 2) können verschiedene Bindungs-mechanismen realisiert werden. Die Porosität des verfestigten Materials hängt vom Umfang der zugeführten Energie ab. Es kann eine grobe Einteilung je nach Verwendung von Laser- oder Elektronenstrahl zum Verfestigen des Metallpul-vers vorgenommen werden. Bei den laserbasier-ten Systemen wird mit magneto-mechanischer Strahlablenkung1 (schwenkbare Spiegel) gear-beitet.

Das Verfahren des Laser-Claddings ermöglicht im Gegensatz zu den üblichen, pulverbettbasierten Schichtbauverfahren einen Aufbau durch Abfah-ren gekrümmter Flächen. Das Metallpulver wird über Düsen aufgebracht und im Laserfokus ver-schmolzen.

Das EBM-Verfahren nutzt die magnetische Ab-lenkung von Elektronenstrahlen. Die Elektronen-

strahlablenkung ermöglicht größere Ablenkge-schwindigkeiten als die Laserstrahlablenkung.

1 Diese Technik gibt es typischerweise bei den traditionellen elektro-mechanischen Messgeräten, den Galvanometern und bei den schnellaufzeichnenden Messschreibern, den Spiegelgalvano-metern. So bezeichnet man diese Art der Laserstrahlablenkung auch galvanometrische Ablenkung.

Metallpulverbettbasierte AM-Verfahren ermöglichen das Herstellen sehr dünner Schichtdicken (20 µm) und feinster Strukturen. Nachteilig sind die relativ niedri-gen Auftragsraten von ca. 0,01 kg/h und die Begren-zung der Arbeitsfläche wegen Laserauslenkung und Bauraumkapselung. Bei pulverstrahlbasierten Verfah-ren liegt die Auftragsrate um eine Größenordnung darüber (ca. 0,1 kg/h), die realisierbaren Bauschicht-stärken betragen jedoch 0,1 bis 1 mm. Der Bauraum unterliegt keinen technologischen Beschränkungen.


Stützstruktur

Bauplattform

Bild 3: Feste Verbindungen mit der Bauteilplattform

AbgebröseltesStützmaterial

Guss

Modell

Stützstruktur

Bild 2: Entfernen der Stützstruktur

Trennschicht

Bauteil

Bauteil-verzug,

Bauplattform

Ungebundenes Material

Bauteilabsinken

Stützstruktur

Bauteil-absinken

Bild 1: Baufehler bei Teilen ohne Stützelemente

18 1 Einführung

1.3 Stützstrukturen

Stützstrukturen (Supports1) verhindern als zusätz-liches Baumaterial ein Absinken von Bauteilen im Bauraum oder deren Verzug. Die Gefahr für Ab-sinken und Verzug ist besonders groß, solange die Bauteile noch nicht ihre Endfestigkeit erreicht haben. Ein Verzug (Curling) kann durch ungleich-mäßiges Abkühlen oder ungleichmäßiges Ab-trocknen bzw. Abbinden eines Bauteils entstehen. Der Verzug bedeutet in erster Linie den Verlust der Maßhaltigkeit eines Bauteils (Bild 1).

Das Absinken eines Bauteils oder eines Bauteil-abschnitts kann zu Formabweichung oder im schlimmsten Fall zu einer Trennschicht führen. Eine Trennschicht bedeutet die Unterbrechung des Schichtverbunds und damit auch des Bauteils (Bild 1).

Stützstrukturen werden vorwiegend bei Ver-fahren eingesetzt, bei denen das Baumaterial während des Auftrags fl üssig oder fl ießfähig ist. Bei pulververarbeitenden Systemen stützt in er-ster Linie das ungebundene Pulver die Bauteile. Nimmt die Bauteildichte während der Herstel-lung stark zu, können die Bauteile im Pulverbett absinken. Deshalb können auch hier Stützstruk-turen zur Abstützung eingesetzt werden. Bei der thermischen Herstellung großer Bauteile oder bei Bauteilen mit ungünstigen Querschnittsprüngen aus Pulvermaterial können Stützstrukturen einem Verzug vorbeugen. Bei metallpulverbasierten Pro-zessen kann über die Stützstruktur Wärme in die Bauplattform abgeführt werden.

Bei vielen Verfahren gehen die Bauteile während des Bauvorgangs eine feste Verbindung mit der Bauplattform ein (Bild 3). Zur besseren Entfer-nung der Bauteile besteht die Anbindung zwi-schen den Bauteilen und der Bauplattform in der Regel aus einer Stützkonstruktion.

Die Baudaten der Stützstrukturen werden im Preprozess automatisch von der Maschinensoft-ware erstellt und können vom Bediener optimiertwerden.

1 engl. support = Stütze, Träger, Aussteifung, Bettung

Die Stützstrukturen binden in der Regel direkt am Bauteil an. Nach Fertigstellung des Bauprozesses müssen die Stützstrukturen im Postprozess entfernt werden (Bild 2).


Stützstruktur

Bauteil

10 mm

Bild 2: Stützstruktur bei Fused Layer Modeling (FLM)

1. Materialauftrag (Baumaterial/Stützmaterial)



Bauteil

Bauteil

Bauteil

Bauteil

Stütz-strukturen

Bauplattform

UngebundenesBaumaterial

Bauplattform

Stützen

1. Flächiger Materialauftrag

2. Materialschicht selektiv verfestigen

1. Flächiger Materialauftrag

Direkt aufbauendes Verfahren

Indirekt aufbauendes Verfahren

Bild 1: Stützstruktur bei direkt aufbauenden Verfahren

191.3 Stützstrukturen

1.3.1 Schichtbauprinzipien

In Hinblick auf die Stützkonstruktion können Schichtbauverfahren in drei Gruppen eingeteilt werden:• Direkt aufbauende Verfahren,• Indirekt aufbauende Verfahren,• Laminierende Verfahren.

• Selektiver Auftrag eines erwärmten Wachses oder Kunstoffs mit einem Druckkopf und Aus-härtung durch Abkühlen, z. B. 3D-Waxprinting oder Multijet-Modeling.

Schichtbauprinzip bei indirekt aufbauenden

Verfahren

Bei den indirekt aufbauenden Verfahren (Bild 1,

unten) wird formloses Baumaterial fl ächig auf-getragen und anschließend selektiv gehärtet. Das Baumaterial kann sowohl fl üssig oder pastös als auch pulverförmig sein.

Schichtbauprinzip bei direkt aufbauenden

Verfahren

Bei den direkt aufbauenden Verfahren (Bild 1,

oben) wird das Baumaterial, samt Stützmaterialmit jeder Schicht, direkt und selektiv (nur an den vorgegebenen Stellen) aufgetragen und an-schließend verfestigt.

Das Baumaterial ist während des Auftrags fl üssig bzw. fl ießfähig. Die Stützkonstruktion besteht aus einem weiteren Baumaterial. Nach dem Auftrag härtet es durch thermische oder durch chemische Prozesse aus.

Verfahren sind zum Beispiel:• Selektiver Auftrag eines UV-reaktiven Harzes

mit einem Druckkopf und fl ächige Aushärtung mit einer UV-Lampe, z. B. Poly-Jet Modeling.

• Selektiver Auftrag eines heiß extrudiertenKunstoffs mit einer Düse und Aushärtung durch Abkühlen, z. B. Fused Layer Modeling (Bild 2),


StützstrukturStützstruktur

DetailDetail

Bild 2: Stützstruktur bei SL

Stütz-struktur

Detail

Bild 1: Stützstruktur bei SLM

Detail

Stütz-struktur

Bild 3: Stützstruktur bei DLP

20 1 Einführung

Die Stützstrukturen werden hier aus dem Bauma-terial selbst erstellt. Verfahren sind zum Beispiel:

• Selektives Verschmelzen oder Sintern von fl ä-chig aufgetragenem Pulver mit energiereicher Strahlung z. B. Laserintern (Bild 1).

• Selektives verkleben von fl ächig aufgetra-genem Pulver mit einem Binderdruckkopf, z. B. 3D-Printing.

• Selektives polymerisieren eines photosensi-tive Harzes mit UV-Strahlung, z. B. Stereolitho-graphie (Bild 2) oder Digital Light Processing (Bild 3).

Ein besonderes Verfahren zur Herstellung von Stützstrukturen zeigt das Solid Ground Curing

(SGC). Hier wird zunächst eine Schicht aus fl üs-sigem UV-reaktivem Polymerharz aufgetragen und anschließend durch eine Maskenbelichtung mit UV-Strahlung selektiv verfestigt. Anschlie-ßend werden die nicht verfestigten Reste des Harzes abgesaugt und die entstandenen Frei-räume mit fl üssigem Wachs aufgefüllt. Danach drückt eine Kühlplatte auf das Baufeld die das Wachs erstarren lässt. Zur Nivellierung der er-stellten Schicht wird deren Oberfl äche überfräst und der Beschichtungsprozess mit Harz beginnt von neuem.

Schichtbauprinzip bei laminierenden Verfahren

Bei den laminierenden Verfahren werden wie-derholt Schichten aus Folien oder Platten mit-einander verklebt (laminiert). Aus den einzel-nen Schichten wird jeweils der entsprechende Bauteilquerschnitt ausgeschnitten oder gefräst. Da hier das unverbaute Baumaterial direkt und stützend am Bauteil anliegt, sind hier keine stüt-zenden Strukturen notwendig.

Durch das Auffüllen mit Wachs kann auf Stützstruk-turen verzichtet werden. Das Wachs liegt vollfl ächig am Bauteil an und kann rückstandslos entfernt wer-den. Eine Konstruktion von bauteilgemäßen Stütz-strukturen entfällt.

1.3.2 Stützstrukturgestaltung

Die Stützstrukturen bei direkt aufbauenden Ver-

fahren werden aus einem anderen Baumaterial als das Bauteil selbst aufgebaut. Zur besseren Entfernbarkeit weißt das Stützmaterial eine an-dere physikalische oder chemische Eigenschaft

als das Baumaterial selbst auf. So können Stütz-materialien mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Baumaterial in einem Ofen oder einem warmen Lösungsmittelbad vom Bauteil abgelöst werden.

Stützmaterialien die im Gegenteil zum Bauma-terial wasserlöslich sind können z. B. mit einem Wasserstrahl oder durch Erwärmen abgelöst werden. Bei direkt aufbauenden Verfahren liegen die Stützstrukturen in der Regel direkt und ganz-fl ächig am Bauteil an. So werden die Bauteile optimal unterstützt und können im Postprozess dennoch rückstandsfrei entfernt werden.


Additive Fertigungsverfahren - Europa-Lehrmittel · 3 Vorwort Die Additive Fertigung, auch unter...

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