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  • Praktikum

    Rapid Prototyping und Rapid Tooling

    FRITZ-SÜCHTING-INSTITUT FÜR MASCHINENWESEN DER TECHNISCHEN UNIVERSITÄT CLAUSTHAL

    Professor Dr.-Ing. Norbert Müller

    Bearb.: D. Trenke Datum: 14.02.2002

    IMW TU Clausthal

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    Praktikum WS 2001/2002

    Rapid Prototyping und Rapid Tooling

    23.07.01 dt Institut für Maschinenwesen - TU Clausthal Prof. Dr.-Ing. Norbert Müller Blatt 1/2

    Inhaltsverzeichnis

    1. Einleitung 01

    2. Rapid Tooling Verfahren 02 2.1 Stereolithographie (STL) 03 2.2 Selective Laser Sintering (SLS) 04 2.3 Fused Deposition Modelling (FDM) 05 2.4 Layer Objekt Manufacturing (LOM) 06 2.5 Model Maker (MM) 07

    3. Der DMLS-Bauprozess 08

    4. Konstruktionsregeln 12 4.1 Geometrien 12 4.2 Bohrungen 13 4.3 Genauigkeit 14 4.4 Minimale Strukturen 14 4.5 Nuten / Entformungsschrägrn 14 4.6 Rippen 15 4.7 Stifte 15 4.8 Angusskanäle 15 4.9 Kühlkanäle 16 4.10 Bearbeitungszugaben 16 4.11 Einbau ins Stammwerkzeug 16

    5. Datenaufbereitung 17 5.1 Das CAD-Konstruktionsprogramm 17 5.2 Erzeugen der STL-Daten 19

    6. Erzeugen der Schichtinformationen 20

    7. Einrichten des Bauprozesses 21 7.1 Einrichten des „Jobs“ 21 7.2 Einrichten der RT-Anlage 22

    7.2.1 Prozessparameter 23 7.2.2 Laserleistung 23 7.2.3 Schichtdicke 23 7.2.4 Belichtung 23

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    Praktikum WS 2001/2002

    Rapid Prototyping und Rapid Tooling

    14.02.02 dt Institut für Maschinenwesen - TU Clausthal Prof. Dr.-Ing. Norbert Müller Blatt 2/2

    8. Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften 26 8.1 Mechanische Festigkeit 26 8.2 Oberflächenqualität 27

    9. Belichtungsparameter 28 9.1 Begriffsbestimmung 28 9.2 Strahlkompensation 28

    9.2.1 Strahlkompensation der Kontur 28 9.2.2 Strahlkompensation beim Füllen 29

    9.3 Hatchvarianten 30 9.4 Fülltypen 30

    9.4.1 Sorted / Unsorted 30 9.4.2 Up-Down-Skin 32 9.4.3 Square 33 9.4.4 Shifted 34 9.4.5 Stripes 34 9.4.6 UpDown-Stripes 35

    9.5 Zusammenfassung 35

    10. Nachbearbeitung Lasergesinterter Bauteile 36 10.1 Infiltration mit Hochtemperatur-Epoxid-Harz 36 10.2 Weitere Infiltrationsmethoden 37

    10.2.1 Infiltration mit Zinn 37 10.3 Verdichtendes Strahlen 38 10.4 Zusammenfassung 38

    11. Qualitätserzeugung bei der Produktentstehung 39

    Anhang A) Verfahrensübersicht 40

    Anhang B) Prozessparameter und ihr Einfluss 41

    Anhang C) Verwendete Abkürzungen 42

    Anhang D) Literatur 43

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    Praktikum WS 2001/2002

    Rapid Prototyping und Rapid Tooling

    14.02.2002 dt Institut für Maschinenwesen - TU Clausthal Prof. Dr.-Ing. Norbert Müller Blatt 1/43

    1. Einleitung:

    Beim Rapid Prototyping und Rapid Tooling handelt es sich um ein generierendes Fertigungsverfahren, bei dem ein Laser dünne Materialschichten aufsintert und so schichtweise ein Bauteil erzeugt. Vorraussetzung hierfür ist, dass die 3D-CAD-Konstruktion zuvor in entsprechende Schichtinformationen zerlegt wurde, die dann vom Laser abgefahren werden.

    In diesem Praktikum wird speziell das Verfahren des Direct Metal Laser Sinterings (DMLS) der Firma EOS betrachtet. Als Metallpulver dient dabei eine Bronze-Nickel-Vermischung mit der Handelsbezeichnung DirectMetal 50-V2.

    Der große Vorteil dieses RT-Verfahrens liegt in der Möglichkeit, sehr schnell Werkzeuge (z. B. Formen für Vorab- und Kleinserien) oder Prototypen mit seriennahen Materialeigenschaften herzustellen. Diese Bauteile müssen dementsprechend hohe Maß- und Formgenauigkeiten, mechanische Festigkeitswerte, Strukturen und Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen.

    Die Qualität der gesinterten Bauteile wird dabei nicht nur vom eigentlichen Bauprozess oder dem verwendeten Werkstoff bestimmt, sondern beginnt bereits bei der Rapid Tooling gerechten Konstruktion und der sorgfältigen Datenaufbereitung. Anschließend muss die richtige Wahl der Belichtungsparameter und der Belichtungsstrategie erfolgen. Am Ende dieser Kette können die Werkstücke durch entsprechende Nachbearbeitungstechniken noch veredelt werden.

    Die Güte der Erzeugnisse hängt also nicht nur von rein maschinentechnischen Gesichtspunkten ab, sondern wird von einer ganzen Reihe von Faktoren bestimmt, die in der Produktentwicklung beginnen und beim „Finishing” enden.

    In diesem Praktikum wird beschrieben, wie speziell vom Konstrukteur und dem Maschinenbediener Einfluss auf die Qualität genommen werden kann. Die rein mechanischen und physikalischen Aspekte des Prozessablaufs stehen im Hintergrund. Dabei wird auf zahlreiche praktische Erfahrungen zurückgegriffen, die beim Konstruieren, der Datenaufbereitung und Maschinenbedienung gewonnen wurden.

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    Praktikum WS 2001/2002

    Rapid Prototyping und Rapid Tooling

    14.02.2002 dt Institut für Maschinenwesen - TU Clausthal Prof. Dr.-Ing. Norbert Müller Blatt 2/43

    2. Rapid Tooling Verfahren

    Unter Rapid Tooling versteht man alle Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen und Formen für den Prototypenbau. Hierfür werden gleiche bzw. ähnliche Verfahren wie beim Rapid Prototyping eingesetzt. Dies gilt sowohl für das Modell (Positiv) als auch für die Form (Negativ), die meist für nachgeschaltete Gieß- bzw. Spritzverfahren verwendet werden. Beim Rapid Tooling können die vorliegenden CAD-Daten jedoch häufig nicht direkt verwendet werden: sie müssen aus fertigungstechnischen Gründen nochmals überarbeitet werden (z. B. Formschrägen, Schrumpffaktoren usw.). Die bisherigen Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen verursachen bis zu 80 % der Kosten der Serienwerkzeuge. Mit Hilfe der Rapid-Verfahren wird ein Modell des späteren Werkzeuges erstellt. Diese Werkzeugmodelle können direkt verwendet werden oder die Modelle können als Werkzeuge in Metall abgegossen werden. Nach der Fertigbearbeitung der Werkzeuge stehen sie für die unterschiedlichen Verarbeitungsvorgänge zur Verfügung. Die Bandbreite möglicher Prozessketten umfasst nicht nur die Rapid-Technologien an sich, sondern auch zahlreiche Mischformen und Kombinationen mit herkömmlichen Techniken wie z. B. dem HSC-Fräsen. Das Rapid Prototyping Verfahren ist das Bindeglied zwischen Entwurf und Produktion. Dabei werden vor dem eigentlichen Fertigungsprozess die 3D-Geometriedaten einer CAD- Konstruktion in viele horizontale Schichten zerlegt (Slice-Prozess). Diese Schichten dienen den unterschiedlichen Verfahren als Fertigungsinformation. Danach werden die einzelnen Querschnitte durch eines der unten aufgeführten Verfahren in reale Schichten zusammen- gesetzt. Dabei baut sich Schicht für Schicht ein vollständig generiertes Modell der CAD- Daten auf: es lassen sich auf diese Weise die kompliziertesten Konturen und räumliche Geometrien in kürzester Zeit realisieren. Zur Zeit gibt es sechs unterschiedliche Prozesse im Rahmen der Rapid Prototyping Verfahren die wirtschaftlich von Bedeutung sind:

    • Stereolithographie (STL) • Selective Laser Sintering (SLS) • Fused Deposition Modelling (FDM) • Layer Object Manufacturing (LOM) • Model Maker (MM) • Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

    http://www.rz.fh-offenburg.de/ma/main_labore_rpd_rapidprototyping.htm http://www.rz.fh-offenburg.de/ma/main_labore_rpd_rapidprototyping_stl.htm http://www.rz.fh-offenburg.de/ma/main_labore_rpd_rapidprototyping_sls.htm http://www.rz.fh-offenburg.de/ma/main_labore_rpd_rapidprototyping_fdm.htm http://www.rz.fh-offenburg.de/ma/main_labore_rpd_rapidprototyping_lom.htm http://www.rz.fh-offenburg.de/ma/main_labore_rpd_rapidprototyping_mjm.htm

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    Praktikum WS 2001/2002

    Rapid Prototyping und Rapid Tooling

    14.02.2002 dt Institut für Maschinenwesen - TU Clausthal Prof. Dr.-Ing. Norbert Müller Blatt 3/43

    2.1 Stereolithographie ( STL ) Grundprinzip: Materialien:

    Schichtweises Aushärten von flüssigen Polymeren durch UV-Laser Epoxid- und Acrylharze

    Bei der Stereolithographie wird das Modell auf einer höhenverstellbaren Bauteilplattform aufgebaut. Durch den Einsatz von UV-Licht wird das verwendete Harz vernetzt und die Bauteilgeometrie härtet Schicht für Schicht aus. Nach der Belichtung einer Schicht wird die Bauteilplattform um eine Schichtdicke in den Harzbehälter abgesenkt. Um eine glatte Oberfläche des Harzes zu erreichen, wird die Oberfläche mit Hilfe eines Wischervorgang