Prüfungsvorbereitung Fertigungssysteme 1 PDF

Prüfungsvorbereitung Fertigungssysteme 1/ 3D-Druck 3D-Druck 1. Einordnung und Begriffsbestimmung 1.1. Begriffsbestimmung - Generative Fertigungsverfahren – Additive Manufacturing (AM) o Bezeichnen Herstellprozesse, um aus (virtuellen) 3D Daten direkt dreidime...

Prüfungsvorbereitung Fertigungssysteme 1/ 3D-Druck 3D-Druck 1. Einordnung und Begriffsbestimmung 1.1. Begriffsbestimmung - Generative Fertigungsverfahren – Additive Manufacturing (AM) o Bezeichnen Herstellprozesse, um aus (virtuellen) 3D Daten direkt dreidimensionale physische Objekte zu fertigen. § Genormte Bezeichnung: Generative Fertigungsverfahren, Additive Manufacturing o 3D-Printing bzw. 3D-Drucken à verdrängt zunehmend alle anderen Bezeichnungen. (Begriff ist einfach zu vermitteln und wird sich wahrscheinlich durchsetzen. o ! Verwechslungsgefahr mit dem gleichnamigen Pulver-Binder- Verfahren („Three Dimensional Printing (3DP)“)! o Alle Fertigungsverfahren, die Bauteile durch Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen (Voxel’n), vorzugsweise schichtweise, automatisiert herstellen. à Sie automatisieren das Schichtprinzip § Kennzeichnend: Automatischer (computergesteuerter) Aufbau Während des Herstellprozesses entstehen Geometrie und simultan auch die Stoffeigenschaften Scheibenweiser Aufbau von Körpern 2 ½ D-Prozess Treppenstufeneffekt o 1.2. Eigenschaften der Generativen Fertigungsverfahren - Kennzeichnend:  o Die Bauteile können grundsätzlich in jeder beliebigen Orientierung gebaut werden. o Alle Maschinen können den gleichen STL-Datensatz verarbeiten STL-Daten: sind schnell skalierbar o Kein Einsatz produktspezifischer Werkzeuge notwendig o Komplexe bzw. nur bedingt herstellbare Geometrien sind herstellbar. o Materialen: Formsand, Stärkepulver, Metalle, Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, Keramik und Werkstoffe für die Bio- Medizin. 1.3. Einteilung der Technologie der Generativen Fertigungsverfahren in Abhängigkeit von ihren Anwendungen - Anwendungsebenen Rapid Prototyping (RP) – Konzeptmodelle o Wenn ein RP-Modell der 3D Visualisierung dient, nennt man es Konzeptmodell, Solid Image (dreidimensionales Bild) oder Mock-Up (Attrappe, Lehrmodell) oder „show-and-tell“ Modelle. o Die Verfahren heißen analog Solid Imaging oder Concept Modeling. o Konzeptmodelle dienen dazu, eine Grundkonstruktion abzusichern. - Anwendungsebenen Rapid Prototyping (RP) – Funktionsprototypen o Wenn ein RP-Bauteil einzelne Funktionen aufweist und zur Absicherung von Produkteigenschaften eingesetzt wird, nennt man es Funktionsprototyp und den Herstellungsprozess „Functional Prototyping“. - Anwendungsebene Rapid Manufacturing (RM) o Rapid Manufacturing bezeichnet die Anwendung der Generativen Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen, die die Eigenschaften von Endprodukten aufweisen. o Diese können sowohl Positive (z.B. Stecker) und dergleichen als Einzelstücke oder in Kleinserien, als auch Negativer, also Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze, sein.  o Herstellung von Bauteilen (Positiven) à Direct Manufacturing (DM) Herstellung von Werkzeugeinsätzen und Werkzeugen – Direct Tooling o Weitere gebräuchliche Begriffe: e-Manufacturing, Digital Manufacturing, Tool-less Fabrication und andere. - Anwendungsebenen Rapid Manufacturing (RM) – Direct Manufacturing (DM) o Direct Manufacturing (DM) fußt auf der gleichen Technologie wie das Rapid Prototyping und verwendet die (fast) gleichen Maschinen. à typische Produktsmaschinen o Ziel à Fertigung von Bauteilen mit Endprodukt-Charakter. o Die Realisierung von DM ist abhänging von: § Den verfügbaren Materialien und Prozessen, § Der geforderten Genauigkeit und § Den Herstellungskosten (wettbewerbsfähiger Preis). - Anwendungsebenen Rapid Manufacturing (RM) – Direct Tooling o Direct Tooling bezeichnet die generative Herstellung von Werkzeugeinsätzen, Werkzeugen und Formen. - Anwendungsebenen Prototyping Tooling o Prototypen Tooling bezeichnet die Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen aus Modell und Prototypmaterialien, beispielsweise aus Stereolithographiematerial. à Deshalb dem Functional Prototyping zuzuordnen. - Anwendungsebenen Indirect Prototyping o Die Begriffe Indirect Prototyping und Indirect Tooling bezeichnen keine Generativen Verfahren. o Indirekt heißen Prozessketten, die auf dem Abformen von generativ gefertigten Urmodellen basieren, selbst aber nicht-generativ arbeiten. o Wenn durch indirekte Verfahren (Prototypen)-Bauteile (Positive)n entstehen, nennt man den Prozess Indirect Prototyping. o Wenn durch indirekt Verfahren Negative (Formen) entstehen, heißt der Prozess Indirect Tooling. - Anwendungsebenen Indirect Manufacturing o Wenn durch indirekte Verfahren Bauteile mit Endprodukt-Charakter entstehen, heißt der Prozess Indirect Manufacturing. 1.4. Integration von AM in den Produktentstehungsprozess - Neue Anforderungen – neue Verfahren o Erfolgreiche Produktentwicklung: § Produkt bei höchster Qualität § Zu niedrigsten Kosten § In kürzester Zeit à schnelle – sichere – preiswerte Fertigung o Veränderte Randbedingungen für die Produktentwicklung  § Nicht konkrete oder sich schnell änderne Kundenwünsche § Wachsende Bedeutung von Design § Individualisierung der Produkte § Umweltrelevanz § Sinkende Produktlebensdauer § Preisverfall o Konsequenzen für die Produktentwicklung § Rationalisierungsdruck für Fertigung und Verwaltung à Lean-Production – Lean-Managment – „Just-intime” Abläufe Schneller und rationeller machen „Speicher“ abbauen § Rationalisierungsdruck für Produktentwicklung à neue Produktentwicklungsstrategien § Ziele: Verkürzung der Entwicklungszeit Senkung der Kosten Steigerung der Flexibilität Verbesserung der Qualität o Zuordnung der Modelldefinitionen zur Gliederung der Fertigungsverfahren und den Produktentstehungsphasen nach VDI 2221, VDID und NCG o Industrielle Produktentstehung: à Umfasst die Zeitspanne von der ersten Produktidee bis zur Präsentation des Produktes auf dem Markt. à Umfasst die Entwicklung des Produktes, die Entwicklung und Fertigung der Produktionsmittel, sowie die Fertigung des Produktes § Ziel: Zeitspanne so kurz wie möglich halten à deshalb Teilprozesse optimieren  § Aufgrund ihrer Eigenschaften sin die Generativen fertigungsverfahren in besonderem Maße geeignet, vorhandene Prozesse zu verbessern, neuartige Produkte oder Produkteigenschaften zu realisieren und die Entwicklung neuartiger Produktentwicklungsstrategien zu unterstützen! o Direct Tooling – additive und substrative Prozesse o Individualisierte Produktion § Möglichkeit der Herstellung individuell veränderter Produkte gegeben! à Realisierung des sogenannten „Customizing“ à mit werkzeuggebundenen Verfahren schwer umzusetzen o Hauptsächliche Einsatzgebiete der AM-Verfahren 2. Fused Layer Modeling (FLM, extrudierende Verfahren) 2.1. Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase – Fused Layer Modeling (FLM) - Extrudierende Verfahren o Bekannt als Fused Deposition Modeling – FDM o Generischer Name: Extrusionsverfahren oder englisch Fused Layer Modelling – FLM o Für Werkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit o Das aufgebrachte Volumen erstarrt durch Wärmeleitung in das Bauteil o Materialzufuhr und Materialauftrag gemeinsam mittels einer Düse o Relativ großer Materialquerschnitt à Detaillierungsgrad sinkt o Materialien: große Palette: ABS, PLA (Polyactide), PC, ASA, ULTEM, TPE (TPU), PETG, PA6, Endlos- und Kurzfasern (CFK, GFK, Kevlar) o „Metallische Filamente“ o Vorgefertigte (farbige) Drähte mit Durchmessern von meist 1,75; 2,85 oder 3 mm o Für gute Layerverbindung à „Ausquetschen“ o 2 Düsensysteme: 1 Baumaterial und 1 Supportmaterial à Support z. teil wasserlösliches Material PVA (polyvinylacetat) oder leicht entfernbar (break-away) - „Echte“ Extrudierende Verfahren o Screw Extrusion Additive Manufacturing (SEAM, Fraunhofer IWU) § Plastifiziereinheit zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen sowie faserverstärkten und hochgefüllten Kunststoffen in Form von Kunststoffgranulaten § Austragsleistung bis 7 kg/h o Arburg Kunststoffe-Freiformen (AKF) § Einsatz von Standard- Kunststoffgranulat § ein beheizter Plastifizierzylinder mit Schnecke erzeugt die Schmelze. § Austragseinheit mit getaktetem Verschluss § Auch den Drop on Demand (DoD) – Verfahren zuzuordnen - „Extrudierende“ Verfahren – Generatives Laser-Draht-Auftragschweißen o Unterschied zum Laser-Pulver-Auftragschweißen, gute Oberflächenqualität, sowie geringe chemische Reaktivität aufgrund der kleineren spezifischen Oberfläche. o Materialzufuhr ist schwerkraftunabhängig o Grundsätzlich alle in Drahtform verfügbaren Werkstoffe verarbeitbar: Werkzeug- und Edelstähle, INCONEL625 und INCONEl718, TiAl6V4, ALMg5 sowie Bronze und Zn-Basis-Modelllegierung - Vorteile o Extrusionsverfahren  § Einfaches Prinzip und meist einfache (preiswerte) Anlagen § Aber auch industrielle Systeme verfügbar (industrielle FLM- Drucker, Laser-Draht-Auftragschwießen) § Die Verwendung unterschiedlicher Materialen innerhalb eines Bauprozesses ist möglich. § Thermoplastische Kunststoffe: Materialen ähnlich der Serienwerkstoffen oder sogar chemisch identisch § Endlos- und auch Kurzfasern verarbeitbar (CFK, GFK) § „Metallische Filamente“ § Neu: bis 0,1 mm Düsen, Auto Düsenwechsel, Filamentwechsel, Mehrfachdüsen, Granulatverarbeitung, Auto-Bed-Leveling, KI-Tools zur Prozessüberwachung und hoher Vorschub - Nachteile o Extrusionsverfahren § Detaillierungsgrad (Extrusionsbreite) und Oberflächenqualität gering § Ansatz am Konturanfang- bzw. -ende § Gewisse Materialien neigen zur Fädenbildung oder zur Bildung von Kondenswasser. à Materialtrocknung! § Preiswerte Maschinen à große Düsenquerschnitte also recht grob und ausgeprägte Anisotropien § Relativ langsame Verfahrgeschwindigkeiten o Ballistische Verfahren à Drop on Demand (DoD) Verfahren § Aufschmelzen und anschließendes Verfestigen durch Abkühlung à das Material wird mittels Düse, in Form von einzelnen Tröpfchen auf das Modell aufgebracht. § Im Gegensatz zu extrudierenden Verfahren à i.d.R. berührungsfrei § Material auf- oder angeschmolzen: Materialpalette à thermoplastische Materialien § Auftreffende Materialkügelchen schmelzen einen genügend großen Teil der Umgebung an und verbinden sich somit fest mit dem Bauteil § Supportmaterial zum Teil auswaschbar § Vorteile Wachsdrucker erzeugen kleine Kügelchen Detaillierungsgrad steigt Einfacher Material- oder Farbwechsel während des Bauprozesses § Nachteil Häufig: verfügbare Materialien nur Wachse Fused Deposition Modeling – FDM (Statasys) - Aufschmelzen drahtförmiger Werkstoffe - Zufuhr der teigigen Schmelze durch eine beheizte Düse à Schichtbildung durch Erstarrung aufgrund der Wärmeleitung in das Bauteil - Werkstoffpalette o Thermoplaste: Polycarbonat und ABS, aber auch Hochleistungskunststoffe und „gefüllte Werkstoffe“ - Anwendungsbereiche o Konzeptmodelle, Funktionsprototypen, Endprodukte, serienidentische Bauteile über Feinguss, Tooling über Abformverfahren o - Datenformate/ Software o Eine leicht zu bedienende, aber umfangreiche Software o Vorbereitung und Steuerung des Bauprozesse (Eingelesen werden vollständige und fehlerfreie STL-Daten) o Automatisches Slicen und Versehen mit Stützstukturen o Berechnung des Extrusionspfades und Optimierung des Bauprozesses o Interne Übertragung der Baudaten an die Maschinensteuerung SSL- Format (Statasys System Language) o Es könne auch SLC-Dateien eingelesen werden à Bauzeitabschätzung und Modul zur Optimierung des Bauprozesses - Prinzip der Schichtgenerierung o Drähte auf Rollen oder in Kassetten (Catridges) o Düsenkopfführung x-y-Plotter in de Bauebene o Schicht beenden à Grundplatte um eine Schichtdicke abgesenkt o Das Rohmaterial wird einem elektrisch beheizten Düsenkopf bis knapp unter Schmelztemperatur erhitzt und trifft im teigigen Zustand auf die vorangegangene Schicht o Der Düsenabstand sowie der Volumenstrom werden so aufeinander abgestimmt, dass Spurbreiten zwischen 0,254 und 2,54 mm und Schichtdicken zwischen 0,127 und 0,330 mm resultieren.  o Dazu wird der Düsenkopfabstand auf etwa die Hälfte des Düsendurchmessers eingestellt à leicht ovaler Flüssigkeitsquerschnitt, dessen Hauptabmessung als Row Width (RW) bezeichnet wird. o Optimale Schichtquerschnitte: Breiten-Höhenverhältnis zwischen 3,5 bis 6 o Durch dieses „Aufquetschen“ der Schicht entstehen in Abhängigkeit von Oberflächenspannung und Viskosität (als Funktion der Temperatur) solide Strukturen und Relativ glatte Oberflächen. à Abschwächung von deutlich sichtbaren wurstähnlichen Strukturen o Der Startpunkt jeder einzelnen Schicht kann automatisch verschoben werden. o Die Bauparameter sind in z-Richtung und über einzelne Bereiche jedes Bauteils einstellbar. - Geometriedetails o Die Bauteile müssen in der Praxis immer mit einer Borderline versehen werden à setzt sich aus kreisförmigen Elementen zusammen o Radius an den Außenecken entsteht automatisch o Innenkonturen werden automatisch immer schwarz - Stützen o Notwendig für überstehende Modellabschnitte und als Basis (obwohl das Material sehr schnell verfestigt) o Break Away Support System (BASS): Stützen lassen sich schnell, ohne Beschädigung des Modells und ohne Werkzeuge durch Abbrechen von Hand entfernen à spröderer Stütz-Werkstoff als beim Bauteil o Das BASS-Verfahren gibt es für die Polycarbonat-Familien PC, PC-ISO und das Polyphynylsuldonen (PPSFF) o Ein WaterWorks (WW) genanntes Stützmaterial kann in einer Waschstation automatisch entfernt werden. o „WaveWash Support Cleaning System“ setzt sich trotz Sicherheitsauflagen immer mehr durch. - uPrint SE Plus o Modellmaterial: ABSPlus in Elfenbein, Weiß, Blau, fluoreszierend Gelb, Schwarz, Rot, Nektarine, Oliv oder Grau o Stützmaterial: SR-30, löslich, WaveWash Support Cleaning System o Bauvolumen: 203 mm x 203 mm x 152 mm o Schichtstärke: 0,254 mm oder 0,330 mm - Unterschiede im Druck von ABS und PLA o PLA § Bei Polylactid, kurz PLA (vom englischen Wort „polylactic acid“); handelt es sich um einen biologisch abbaubaren Kunststoff (Biopolymer), welcher aus nachwachsenden Rohstoffen (Maisstärke oder Zuckerrohr) hergestellt wird § Chemisch gesehen gehört PLA der Gruppe der Polyester an und besteht aus vielen aneinandergereihten Milchsäuremonomoren. § Typische PLA-Erzeugnisse sind Verpackungsmaterialien, Folien, Dosen, Becher. o ABS § Bei Acrylnitril-Butadien-Styrol, kurz ABS genannt, handelt es sich um einen amorphen Thermoplasten, der sich durch hohe Festigkeitswerte, gute Medienbeständigkeit, hohe Härte und gute Kratzfestigkeit auszeichnet. § Aufgebaut ist ABS aus drei verschiedenen Monomoren: Acrylnitril, (1,3-) Butadien und Styrol. § Folglich zählt ABS zu den Terpolymeren. § Der 1946 erstmals hergestellte Kunststoff besitz in seiner „natürlichen Färbung“ gelblichen Charakter. § Typisches ABS-Erzeugnisse sind z.B. Lego-Bausteine. o Für den 3D-Druk-Anwender stellt sich meist die Frage, welches Filament-Material für das zu druckende Bauteil am besten geeignet ist. o Die dargestellten Werte repräsentieren Eigenschaften von Standard- PLA und Standard-ABS und stehen somit nicht für Eigenschaften spezieller PLA- und ABS-Filamente, wie bspw. „flexible-PLA“ etc. o Lässt sich einfacher drucken und es treten keine nennenswerten Probleme auf. o ABS ist schwieriger beim Drucken o Darunter wird das Aufwölben eines Bauteils infolge der Schichtbauweise und der daraus resultierenden Eigenspannungen verstanden. o Des weiteren neigt ABS zu einer schlechteren Haftung auf der Bauplattform, während bei PLA diese Haftungsprobleme in dieser Form nicht auftreten. (Die Probleme können auch bei PLA auftreten.) o Diese Probleme lassen sich durch das Auftragen von „Blue Masking Tape“ (blauen Krepp-Klebeband), (starkem) Haarspray oder „angerautem“ Kapton-Tape auf der Heizbettoberfläche lösen. o Ebenso kann eine bessere Adhäsion des Bauteils durch konstruktive Maßnahmen an der STL-Datei ermöglicht werden, indem beispielsweise die Auflagefläche der untersten Schicht vergrößert wird. à wird zum Teil automatisch generiert o ABS ist somit für fortgeschrittene Anwender zu empfehlen, da hier gewisse Erfahrungswerte vorhanden sein sollten. à bzw. der Anlagenhersteller stellt entsprechende Parameter bereit o Die Schmelztemperaturen für PLA-Filament liegen rund 160 – 190 °C (Tabelle) und somit deutlich unterhalb der Schmelztemperaturen von ABS mit etwas 210 – 240 °C. o Die Vorarbeitstemperatur der Filamente sollte deutlich höher gewählt werden o Die exakten Temperaturen sind von den verwendeten Filamenten und der Druckerdüse anhängig. o Die Temperatur des Heizbetts muss hierbei stets unterhalb der Erweichungstemperatur des Filaments liegen, da sich das Bauteil ansonsten plastisch verformt. o Bei PLA wird ein beheiztes Bett nicht zwingend benötigt, bei ABS ist es ein unverzichtbarer Bestandteil. o Eine Nachbehandlung der Teile durch Fräsen, Bohren, Drehen, Beschichten, etc. ist bei ABS aufgrund der guten Schlagzähigkeits- Eigenschaften besser möglich als bei PLA. o PLA besitzt gute mechanisch-physikalische Eigenschaften. Sofern keine speziellen Anforderungen an das Bauteil gestellt werden, wie z.B. extrem hohe Festigkeitswerte oder hohe Witterungsbeständigkeit für eine Außeneinsatz, hat sich PLA als zuverlässiges und gut druckbares Material bewährt. o Im Allgemeinen ist PLA etwas härter und spröder als ABS, verbunden mit einer höheren Oberflächenhärte. o Die Zugfestigkeiit und Biegefestigkeit von PLA ist höher. o ABS ist „weicher“, leichter plastisch verformbar und besser nachbearbeitbar. o ABS wird bei höheren Temperaturen gedruckt, schrmupft aber beim Abkühlen mit ca. 8% deutlich mehr, als PLA. - Herstellung von Metallteilen mittels FLM-3D-Drucks o Marktführer: Ultrafuse 316L Filament von BASF (ca. 150€/kg) o Metallpulver (>80%) gemischt mit schmelzbare Polymer (Binder) wird mittels FLM gedruckt. o Teile mit hoher mechanischer und chemischer Beständigkeit herstellbar, analog Laserstrahlschmelzen à Prüfen! Auch Restbinderanteile. o Überdimensionierung des Druckteils erforderlich, das das Teil beim thermischen Entfernen des Binders und beim Sintern schrumpft. o Druck mittels handelsüblichem FLM-3D-Drucker (sehr harte Düse aus Stahl bzw. mit Rubinspitze benötigt, wegen Abrasivität des Stahlpulvers) o Binder wird bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen thermisch entfernt („ausgebrannt“) o Teil wird bei hohen Temperaturen gesintert („gebacken“) - FLM-Druck mit Verbundwerkstoffen o Hauptsächlich Carbonfasern (CFK), auch vereinzelt Glasfaser (GFK) o Hauptziel: erhöhte Festigkeit der Druckteile o Filament mit Kurzfasern/ Chopped Fiber § Fasersegmente (