Entscheidungsmodelle, Best Practices und Anwendungsbeispiele. Am Beispiel Fused Layer Modeling (FLM)
E-Book, Deutsch, 206 Seiten
ISBN: 978-3-446-44124-8
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: Wasserzeichen (»Systemvoraussetzungen)
Additive Fertigungsverfahren finden nicht nur im Prototypen- und Werkzeugbau Anwendung, sondern kommen zunehmend auch in der industriellen Produktion zum Einsatz. Am Beispiel Fused Layer Modeling (FLM) zeigt Ihnen dieser Leitfaden, wie Sie 3D-Druck in Ihre Fertigungsprozesse integrieren. Er wendet sich an Geschäftsführer, Fertigungsleiter und Produktionsverantwortliche, die auf der Suche nach flexiblen Produktionswegen und maßgeschneiderten Kundenlösungen sind.
Das Buch beleuchtet die Potenziale, Herausforderungen und Anwendungsfelder des 3D-Drucks. Dabei wird auch auf Trends wie Industrie 4.0, Nachhaltigkeit und personalisierte Produktion eingegangen. Sie lernen die Besonderheiten des FLM-Produktentwicklungs- und Fertigungsprozesses sowie die gängigen additiven Systeme, Werkstoffe und Nachbearbeitungstechniken kennen. Weitere Themen sind der Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) sowie die Integration von Funktionen in additive Bauteile.
Darüber hinaus liefert das Buch Ihnen konkrete Entscheidungsgrundlagen für die Integration von 3D-Druck im Unternehmen – sei es als Ergänzung zu konventionellen Fertigungsverfahren oder als Stand-Alone-Lösung. Es stellt die Rahmenbedingungen, Anforderungen und Einflussfaktoren vor, die bei der Einführung von Additiven Fertigungsverfahren zu berücksichtigen sind. Ein Bewertungsschema unterstützt Sie dabei. Zahlreiche Anwendungsbeispiele aus der Industrie runden den Inhalt ab.
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1;Inhalt;6
2;Vorwort;10
3;1 Einführung in die Additive Fertigungstechnologie;14
3.1;1.1 Entwicklung Additiver Fertigungsverfahren im Überblick;14
3.2;1.2 Einordnung der Verfahren Fused Deposition Modeling (FDM)/Fused Layer Modeling (FLM);17
3.3;1.3 Gemeinsamkeiten und Unterschiede Additiver Fertigungsverfahren;20
3.3.1;1.3.1 Vergleichbare Parameter;20
3.3.2;1.3.2 Besonderheiten des FDM/FLM-Verfahrens;23
3.4;1.4 Der Produktentstehungsprozess bei Additiven Fertigungsverfahren;23
3.4.1;1.4.1 Vorteile gegenüber der konventionellen Produktentwicklung;23
3.4.2;1.4.2 Datenerstellung – von der CAD- zur STL-Datei;29
3.4.3;1.4.3 3D-Scanning – alternative Wege der Datenerzeugung;32
3.4.4;1.4.4 Reverse Engineering – vom Bauteilscan zum Objekt;34
3.4.5;1.4.5 Bauteilerstellung;35
3.4.6;1.4.6 Nachbearbeitung;39
3.5;1.5 Trends im 3D-Druck-Umfeld;42
3.5.1;1.5.1 Der 3D-Druck als disruptive Technologie;42
3.5.2;1.5.2 3D-Druck und Industrie 4.0;43
3.5.3;1.5.3 3D-Druck und personalisierte Produktion;44
3.5.4;1.5.4 3D-Druck und Nachhaltigkeit;47
4;2 Additive Prozesstechnologie;48
4.1;2.1 Fused Deposition Modeling (FDM);48
4.1.1;2.1.1 FDM-Materialien;49
4.1.2;2.1.2 FDM-Anlagen (Label Stratasys) in der Übersicht;54
4.1.3;2.1.3 MakerBot;60
4.2;2.2 Fused Layer Modeling (FLM)-Systeme;62
4.3;2.3 Thermoplastische Stützmaterialien;69
4.3.1;2.3.1 Entfernung von Stützmaterialien bei FDM-Systemen;70
4.3.2;2.3.2 Entfernung von Stützmaterialien bei FLM-Systemen;72
4.4;2.4 Additive Fertigung von Faser-Kunststoff-Verbund-(FKV-)Bauteilen;81
4.4.1;2.4.1 Faser-Kunststoff-Verbund mittels SLS;81
4.4.2;2.4.2 Faser-Kunststoff-Verbund mittels FDM/FLM;82
4.5;2.5 Integration von Funktionen;86
4.6;2.6 Oberflächenbearbeitung von FDM-/FLM-gefertigten Bauteilen;90
4.6.1;2.6.1 Sandstrahlen;92
4.6.2;2.6.2 Gleitschleifen;93
4.6.3;2.6.3 PPSF-Nachbearbeitungstechnik;94
4.6.4;2.6.4 Finishing Touch Smoothing Station;95
4.7;2.7 Integration von Additiven Systemen in die Fertigung;97
4.7.1;2.7.1 Besonderheiten und Einsatzmöglichkeiten der Additiven Fertigung;97
4.7.2;2.7.2 Materialise – ein Beispiel einer Additive Manufacturing-Fabrik;99
5;3 3D-Druck als ergänzendes oder alternatives Fertigungsverfahren – Auswahlprozesse und Entscheidungsmodelle;106
5.1;3.1 Anwendungsfelder des 3D-Drucks;107
5.1.1;3.1.1 Rapid Prototyping – 3D-Druck in der Produktentwicklung;108
5.1.2;3.1.2 Rapid Tooling – 3D-Druck im Werkzeug- und Formenbau;111
5.1.3;3.1.3 Rapid Manufacturing – 3D-Druck in der Fertigung;115
5.1.4;3.1.4 Weitere Anwendungsfelder;126
5.1.5;3.1.5 Handlungsfelder der Additiven Fertigung;130
5.1.6;3.1.6 Typische 3D-Druck-Branchen;132
5.2;3.2 Die fertigungsgerechte Konstruktion – Besonderheiten beim Einsatz von 3D-Druck (Beispiel: FLM);133
5.2.1;3.2.1 Mechanische Belastung;134
5.2.2;3.2.2 Qualität;135
5.2.3;3.2.3 Druckzeit und Materialverbrauch;138
5.2.4;3.2.4 Zusammenfassung;142
5.3;3.3 Rahmenbedingungen für die Einführung von 3D-Druck im Unternehmen;144
5.3.1;3.3.1 Die CAx-Kette;144
5.3.2;3.3.2 ERP und PPS;146
5.3.3;3.3.3 CRM und Co-Creation;147
5.3.4;3.3.4 Die Wertschöpfungskette – eine Potenzialanalyse;150
5.3.5;3.3.5 Qualitätssicherung (Simulation statt Prüfung);151
5.4;3.4 Kosten und Nutzen;153
5.5;3.5 Der Auswahlprozess zur Einführung von 3D-Druck im Unternehmen (Beispiel: FLM);155
5.5.1;3.5.1 Anforderungen ermitteln;155
5.5.2;3.5.2 Best Practise: Good Practise;162
5.5.3;3.5.3 Lessons learned;164
5.6;3.6 Zusammenfassung und Ausblick;165
6;4 Anwendungsbeispiele;170
6.1;4.1 Segway-Ersatzteile aus dem 3D-Drucker (Sewato);170
6.2;4.2 Der Oktopus Sipho Aktuator (Fraunhofer IPA);174
6.3;4.3 Clear Cast Integration – Lichtleiter-Integration in FDM-Bauteilen (Covestro AG und Fraunhofer IPA);178
6.4;4.4 Hybrider Leichtbau-Industrie-Hocker (Volkswagen und Fraunhofer IPA);182
6.5;4.5 Verbundwerkstoff-Bauteile durch verlorene FDM-Formen erzeugen (Stratasys);185
6.6;4.6 FDM in der Luft- und Raumfahrt (Airbus und ULA);189
6.7;4.7 Funktionales Werkzeuggehäuse (WS Engineering und Suhner);192
6.8;4.8 Vorrichtungsbau mit FDM (BMW);194
6.9;4.9 FDM-Fertigung bei der NASA;195
6.10;4.10 Mit FDM erzeugte iPhone-Halterung (Pedal Brain);197
6.11;4.11 Über das Smartphone gesteuerte Schlösser (Kisi);198
6.12;4.12 Additiver Fahrrad- und Brückenbau aus Metall (MX3D);199
7;Stichwortverzeichnis;204
2. Additive Prozesstechnologie 2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) Wie bereits erwähnt, verbirgt sich hinter dem Begriff und dem System Fused Deposition Modeling (FDM) das Unternehmen Stratasys. Es ist ein amerikanisches Unternehmen, welches ursprünglich im Bundesstaat Minnesota gegründet wurde und inzwischen den Hauptsitz nach Rehovot in Israel verlegt hat. Der Sitz in Eden Prairie wurde dennoch beibehalten. Stratasys verkaufte seine erste Fused-Deposition-Modeling-Maschine 1991 und hat seitdem die größte Anzahl von additiven Fertigungsanlagen auf den Markt gebracht. Neben MakerBot im Jahr 2013 hat Stratasys 2012 den Anlagenhersteller Objet Geometries übernommen. Auch wurde der Bereich der Dienstleistung, die bei Stratasys durch RedEye abgedeckt wurde, durch die Integration der Unternehmen Solid Concepts und Harvest Technologies erweitert. Das Anlagenportfolio von Stratasys im FDM-Bereich reicht von Desktop-Modellen bis hin zu Produktionssystemen für die Kleinserienfertigung. Die FDM-Anlagen von Stratasys (siehe Abschnitt 2.1.2) unterscheiden sich in einigen Aspekten, sei es hinsichtlich des Bauvolumens, der Materialbandbreite, des Stützmaterials sowie der zusätzlichen Anforderungen, wie zum Beispiel Waschanlagen oder Aufstellort. Wie bei allen Additiven Extrusionssystemen kommen bei FDM-Anlagen nur thermoplastische Kunststoffe, sowohl für den Modell- als auch den Stützbereich, zum Einsatz. Thermoplaste sind die einzigen Kunststoffe, die sich beliebig oft erhitzen und erstarren lassen, wenn die thermische Zersetzungstemperatur nicht überschritten wird. Diese Eigenschaft macht sie attraktiv und konkurrenzlos im Bereich der Additiven Fertigung. 2.1.1 FDM-Materialien Sowohl das Modell- als auch das Stützmaterial liegen als thermoplastisches Filament mit einem Durchmesser von 1,75 mm vor. Je nach Anlagentyp wird das Filament auf Rollen oder in Kartuschen bereitgestellt. Grundsätzlich sind FDM-Anlagen (Label Stratasys) mit zwei Schmelzeinheiten ausgestattet, wobei eine für das Modellmaterial und die zweite für das Stützmaterial vorgesehen ist. Das thermoplastische Filament wird mechanisch in die Schmelzdüsen gefördert und durch diese extrudiert. Die dabei entstehenden Extrusionsraupen werden dann über Achsbewegungen gezielt und schichtweise aufgetragen. Bei FDM-Anlagen handelt es sich immer um ein Drei-Achssystem in Portalanordnung. Die XY-Auflösung der Anlagen wird durch den Düsendurchmesser bestimmt. Sie ist meist fix und nicht variabel. Die Z-Auflösung wird über eine Achse realisiert und ist somit bei einigen FDM-Anlagen einstellbar (siehe Bild 2.1). Bild 2.1 Der FDM-Prozess (Quelle: FhG IPA) Weiterhin wird bei FDM-Anlagen mit Bauplatten oder speziellen Folien gearbeitet, auf die im ersten Schritt zehn Schichten Stützmaterial aufgebracht werden. Wichtig für den Prozess ist sowohl die gute Verbindung von Stützmaterial mit der Bauplatte oder Folie als auch die Verbindung mit dem Modellmaterial. Auf die zehn Schichten Stützmaterial, die eine Ausgleichsfunktion haben, wird im Folgeschritt Modellmaterial aufgebracht. Dadurch entsteht schichtweise das gewünschte Bauteil. Stützmaterial wird bei diesem Additiven Prozess auch bei Überhängen benötigt, die größer als 45° sind. Nachdem das Bauteil additiv erzeugt wurde, muss die Stützstruktur in einem weiteren Schritt entfernt werden. HINWEIS: Je nach eingesetztem Modellmaterial ist das Stützmaterial mechanisch entfernbar oder löslich. Bei mechanisch entfernbarem Stützmaterial ist darauf zu achten, dass Hohlräume oder filigrane Bauteilsegmente nicht realisierbar oder zumindest problematisch sein können. Das lösliche Stützmaterial wird chemisch in einer erwärmten und umgewälzten Flüssigkeit aufgelöst. Hier ist darauf zu achten, dass Hohlräume mit mindestens einer Öffnung versehen sind, um das Eindringen der Flüssigkeit zu ermöglichen. Das Bauteil sollte nach dem Auflösen des Stützmaterials in klarem Wasser für einige Stunden gereinigt werden, um Reste der Entstützungsflüssigkeit zu entfernen. Ein weiteres Feature der Stratasys-FDM-Anlagen ist die Möglichkeit, verschiedene Füllstrategien direkt durch die Bahnplanung zu erzeugen. Bei Stratasys wird hauptsächlich die Rectilinear-Strategie genutzt, die einer 45°-Schraffur ähnelt (siehe Bild 2.2). In jeder Schicht werden die Bahnen um 90° gedreht, um eine bessere Schichthaftung zu erzeugen. Je nachdem, wie weit die Bahnen auseinander liegen, kann so eine massive Füllung oder eine quadratische Hohlstruktur erzeugt werden, die keine Stützung benötigt. Bild 2.2 Bahnen der Rectilinear-Füllstrategie (Quelle: http://manual.slic3r.org/expert-mode/infill) Bei FDM-Anlagen gibt es drei Modellfüllungen: vollgefüllt Sparse hohe Dichte Sparse geringe Dichte Mit der Einstellung „Sparse geringe Dichte“ lässt sich die größte Menge Modellmaterial einsparen und gleichzeitig Leichtbau erzeugen. „Sparse“ steht bei Stratasys für eine quadratische Hohlstruktur, die über den Abstand der parallelen Bahnen in der Größe der einzelnen Quadrate und damit der Dichte variiert werden kann. Nachteil dieser Füllung ist, dass die Bauteile nicht so belastbar wie vollgefüllte Bauteile sind und dass, insbesondere bei löslichem Stützmaterial, Flüssigkeit in das Innere des Bauteils eindringen kann, was zu längeren Säuberungs- und Trocknungsphasen führt. Die aktuellen Modellmaterialien für FDM-Anlagen unter dem Label Stratasys sind im Folgenden aufgeführt. ABSplus ABSplus bietet eine mehrfarbige Farbpalette und lässt sich mit einem Großteil der FDM-Anlagen von Stratasys verarbeiten. Es sind neun Farben verfügbar. Zusätzlich gibt es die Option der benutzerdefinierten Farben. Der Farbwechsel kann bei FDM-Anlagen nur schichtweise erfolgen. ABSplus ist schlagfest, spröde und kompatibel mit löslichem Stützmaterial. ABS steht für Acrylnitril-Butadien-Styrol und findet vornehmlich Einsatz in Haushalts- und Konsumprodukten. ABSi ABSi ist ein transparenter Thermoplast. Dieser ist in drei verschiedenen Farben verfügbar und speziell für den Automobilbau, die Luftfahrt und für medizinische Geräte geeignet. Hochtransparente Bauteile können wegen der Schichtbildung mittels FDM nicht erzeugt werden. Auch der Werkstoff ABSi ist kompatibel mit löslichem Stützmaterial. ABS-M30 ABS-M30 ist zu 25 bis 70 % belastbarer als herkömmliches ABS und lässt sich dadurch direkt für mechanisch anspruchsvolle Anwendungen, wie den Werkzeug- oder Musterbau, einsetzen. ABS-M30 ist kompatibel mit löslichem Stützmaterial. ABS-M30i Mit ABS-M30i hat Stratasys einen Kunststoff im Programm, der Gamma- oder EtO-sterilisiert werden kann. Sterilisation bezeichnet die Abtötung aller lebenden Organismen, was zum Beispiel in der Chirurgie sehr wichtig ist. EtO-Sterilisation wird mit Ethylenoxid durchgeführt, wohingegen Gamma-Sterilisation strahlungsbasiert ist. Die Kompatibilität mit löslichem Stützmaterial ist zusätzlich gegeben. ABS-ESD7 ABS-ESD7 ist eine weitere Variation von ABSplus, dass sich dadurch auszeichnet, dass es statische Elektrizität ableiten kann. Dies ist in der Elektrotechnik eine wichtige Funktionalität, da viele Bauteile durch statische Elektrizität zum Versagen gebracht werden können. Auch bei diesem Material ist die Kompatibilität mit löslichem Stützmaterial gegeben. ASA ASA steht für Acrylester-Styrol-Acrylnitril und ist wie ABS ein weiteres Terpolymer, das hochwertige, glänzende und kratzfeste Oberflächen bildet. Zusätzlich ist es UV-beständig und in zehn unterschiedlichen Farben erhältlich. Die Kompatibilität mit löslichem Stützmaterial ist auch bei ASA gegeben. FDM Nylon 12 Zu den Anwendungen von FDM Nylon 12 im Luft-, Raumfahrt- und Automobilbereich zählen kundenspezifische Produktionswerkzeuge, Montagevorrichtungen und Prototypen für die Innenverkleidung, Lufteinlassbauteile mit geringer Wärmeleitfähigkeit und Antennenabdeckungen. Dieses breite Einsatzspektrum ist auf die sehr hohe Schlagfestigkeit sowie die chemische Beständigkeit des thermoplastischen Materials zurückzuführen. FDM Nylon 12 ist schwarz und kompatibel mit dem Stützmaterial SR-110 von Stratasys. PC Polycarbonat ist ein hochwertiger Kunststoff mit hohen Biege- und Zugfestigkeiten. Diese Eigenschaften des Werkstoffs können insbesondere für die Herstellung von...
