3D-Drucken - Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM)

Andreas Gebhardt, Julia Kessler, Laura Thurn

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Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM)

2016

234 Seiten

Format: PDF, ePUB

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ISBN: 9783446448452

 

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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