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Prof. Dr. Dieter Haller, HM
3D-Druck
Prof. Dr. Haller
14.03.2015
Historie – Technologie - Verfahren
Graf v. Montgelas,
Promenadeplatz München
Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Quelle: georgehart.com
Begriffe Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Generative (oder additive) Fertigungsverfahren
(landläufig „3D-Drucken“)
Grundlage: Schichtaufbau-Prinzip (1983)
● Generierung einer Schicht (x-y Ebene)
● Verbinden dieser Schicht mit der
vorhergehenden (in z-Richtung)
Pionier Charles Hull, 75
Gründer der Fa. 3D-Systems
Begriffe Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Generative Fertigungsverfahren
Rapid Prototyping
Rapid Manufacturing/
Direct Manufacturing
Rapid Tooling
Herstellung von Prototypenund Formen
Herstellung von Teilen
Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen
Importieren von STL-Daten
(Dreiecksfacetten)
CAD-Daten
STL-Datei
CAD-System
Scanner
AutoCADCATIASolidWorks…
Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Slicing
Optimale Positionierung des zu fertigenden Teils auf der Maschine
Falls erforderlich, Stützkonstruktionerzeugen
Optimale Ausnutzung der Bauplattfporm
Erzeugung maschinenspezifischer Daten
Skalierung des Teils (Vergrößern, Verkleinern)
Sichtbarmachen von Hinterschneidungen und Überhängen
Open-Source-
Programme:
z.B. „CURA“
Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Prinzipien Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Prinzipien der Schichtzeugung
1.) Generieren aus der festen Phase
• An- oder Aufschmelzen und Verfestigen von Pulvern oder Granulaten (Sinter- und Schmelzverfahren)
• Ausschneiden oder Ausfräsen aus Folien, Bändernoder Platten (Schicht-Laminat-Verfahren)
• An- oder Aufschmelzen und Verfestigen von festen Materialien (Extrusionsverfahren)
• Verkleben von Granulaten oder Pulvern durch Binder(3D-Printing)
Prinzipien Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Prinzipien der Schichtzeugung
2.) Generieren aus der flüssigen Phase
• Verfestigung, z.B. durch Polymerisation flüssiger oder teigiger Materialien
(laser- oder lampengestützte Stereolithograhie, Polymerdrucken)
3.) Generieren aus der Gasphase
• Physikalisches Abscheiden von Aerosolen
• Chemisches Abscheiden aus der Gasphase
Stereolithographie Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Vernetzen von flüssigem Photopolymer (Epoxidharze)
durch UV Belichtung per Laser. Erstes kommerziell
verfügbares Verfahren (1986/1987).
Zum Drucken komplexer Geometrienist Träger- oder Stützmaterial erforderlich, z.B. bei
- Hinterschnitten- Überhängen- Filigranen Strukturen- bei Bauteilen, die „in der Luft
hängen“
Stützmaterial muss nach dem Druckvorgang entfernt werden!
Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Stützmaterial verursacht
Kosten durch zusätzlichen Materialverbrauch
Zusätzliche und teilweise zeitintensive Nacharbeiten
Probleme beim Lösen des Support-Materials
Verminderte Oberflächenqualität durch bleibende
Rückstände
Erhöhte Druckdauer
Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Eigenschaften des Stereolithographie –Verfahrens
● photoresistives Material
● Zugfestigkeit und E-Modul gering
● Frühere Materialien mit geringerTemperaturbeständigkeit und Kriechneigung, nicht so bei Epoxidharzen
● 2-stufiges Verfahren: zunächst 95%ige Vernetzung des Materials in der Anlage,dann völlige Aushärtung unter intensiver UV—Behandlung.
● Stützstrukturen erforderlich. Bauteil und Stütze aus demselben Material.
● Aufbau großer Teile aus kleineren möglich.
Stereolithographie Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selectives Laser Sintern (SLS)
Kunststoffpulver: niedrige Schmelzpunkte
Metall-Polymer-Pulver:polymerumhülltes Metallpulver. 2-stufiger Prozess: Im Polymer befinden sich Metallteilchen: Durch Wärmezufuhr Austreiben des Polymers. Im nächsten Schritt Infiltrieren eines niedrig-schmel-zenden Metalls.
Metall-Metall-Pulver: anstelle des Polymers Verwendung eines niedrigschmelzenden Metallpulvers. Mechanische Eigenschaften begrenzt.
Einkomponenten-Metallpulver: für Endprodukte
Sintern = Diffusion unter Druck, Temperatur und Zeit.
-> SLS: nur Temperatur
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Neue technische
Möglichkeiten
3D-Kühlkanäle
■ 3D-Kühl-und Temperierkanäle
■ Optimierte Werkzeuge
■ Verbesserter Spritzgussprozess
(genauere Teile, weniger Verzug,
kürzere Zykluszeiten)
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Blechumformung mit
Direct Tool
Prototyp-Werkzeug für Metallteile
Aus 2,5 mm Stahlblech
Schließkraft 33 Tonnen
/Quelle EOS/
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Blasformwerkzeug mit
DirectTool
Werkzeug zur Serienproduktion
von PET-Flaschen
Kombination mit konventionellem
Produktionswerkzeug
Mit integrierten Kühlkanal-
einsätzen, damit enorme
Verkürzung der Zykluszeiten
/Quelle EOS/
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Teileherstellung ohne Werkzeug
DirectPart
► Rapid Manufacturing ohne Werkzeug
► Rasche Verfügbarkeit
► Testen von Varianten
/Quelle EOS/
3D-Drucken Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Schichtweise Verfestigung eines Pulverwerkstoffs durch Aufdruck
eines flüssigen Binders. Prinzip: Tintenstrahldrucken.
3D-Drucken
Fa. Z Corporation
vollfarbig, sehr schnell, sehr produktiv,
niedrige Materialfolgekosten,
niedrige Instandhaltungskosten,
einfache Bedienbarkeit,
Stützmaterial wird recycelt
Erste Funktionsprüfung, Variantenerprobung,
Formfindung, Kommunikation, Präsentation,
Design, Entwicklung, Marketing, Vertrieb,
Anschauungsmodelle
3D-Drucken Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Prinzip:
Verlorene Sandform
CAD-Modell
SandformEinbetten der
Sandform
Entformenl
Alu-Guss
…und action!
Actionszenen in aufwändigen Film-produktionen erfordern aufwändigeFilmrequisiten.
Nachbauten von Aston Martins für James Bond Filme.
Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Große Teile für Film,Architektur, Designoder Kunst
Fused Deposition Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Erfinder: Scott Crump, Gründer
von Stratasys
FDM-Technologie(Fused Deposition Modeling)
Stratasys
Schichtweiser Teileaufbau
aus einem halbflüssig erhitz-
ten Thermoplasten.
Zwei Materialien: Modell- und
Stützmaterial. Das Druckmate-
rial wird zum Druckkopf geführt,
der sich entlang der X- und Y-
Achsen bewegt.
Nach Beendigung des
Druckvorgangs muss das
Stützmaterial mechanisch oder
chemisch entfernt werden.
Extrusionsverfahren
(Fused Layer Modeling, FLM)
Einzeldüsen: FDM
Mehrfachdüsen: Multi-Jet (3D-Systems)
Beispiel FDM-Technologie Prof. Dr. Dieter Haller, HM
ULTIMAKER II
Fa. ULTIMAKER
FABBSTER G
Fa. SINTERMASK
REPLICATOR 2
Fa. MAKERBOT
Aufdruck von flüssigem Photopolymer über
Piezodruckkopf und Aushärtung durch UV-
Belichtung.
Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Variation der Materialeigen-
schaften über das Bauteil
hinweg
- hart-weich
- lokal geänderte Zusammen-
setzungen
- diskontinuierliche
Verteilungen
- farbige Bauteile
Herstellung traditionell
nicht herstellbarer Teile
Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Die RP-Anlagen von Objet sind aufgrund
ihrer hohen Auflösung und Genauigkeit für
verschiedene Anwendungen im Dental-
Markt hervorragend geeignet.
Neben der Herstellung von Urmodellen, für
den Abguss oder als Werkzeug für das
Vakuumtiefziehen von transparenten
Kunststoffschienen zur Zahnkorrektur,
werden diese Anlagen für die Prototypen-
herstellung von Produkten der Dental-
Industrie eingesetzt.
Testmöglichkeit bei Hochschule
München
Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Prototyp von Ketten, funktionsfähig,Hergestellt mit Polyjet-Verfahren
Funktionsfähiger Prototyp einer Sprinkleranlage, hergestellt mit FDM-Technologie, Stratasys
Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Laminated Layer Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Ausschneiden der Kontur aus Folien (Papier, Kunststoff,…) mit Messer oder Laser.
Verkleben dieser Schicht mit der vorherigen Schicht.
Laminated Layer Modelling (LLM)
Laminated Layer Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Zur Erreichung einer hohen Genauigkeit sind geringe Foliendicken erforderlich.
Am Ende des Bauprozesses Beseitigung der Folienreste vom Bauteil.
Selektives Laserschmelzen Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Lasersintern und Laserschmelzen
Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von (Werk-)Stoffen.
Dabei werden feinkörnige, keramische oder metallische Stoffe – oft unter
erhöhtem Druck – erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der
Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt
(Form) des Werkstückes erhalten bleibt.
Das Prinzip des Lasersinterns beruht auf der Verfestigung durch lokales
Versintern der Pulverpartikel;
Beim Laserschmelzen werden die Pulverpartikel lokal aufgeschmolzen.
Selektives Laserschmelzen Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Das Selektive Laserschmelzen dient zur
Herstellung von Bauteilen aus
pulverförmigen Materialien (z.B.
Metallpulver) eingesetzt. Die Bauteile
werden schichtweise aufgebaut.
Schichtenaufbau vergleichbar mit dem
Stereolithographie-Verfahren.
Bauplattform in z-Richtung verschiebbar.
Absenkung der Bauplattform.
Auftragen des Metallpulvers.
Belichtung mit Laserstrahl.
Alternativ: Materialzufuhr über Düse
Laserbeschichten Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Das Pulver wird direkt in ein vom Laser
erzeugtes Schmelzbad eingebracht.
Laserbeschichten/ Laserauftragsschweißen
Selektives Laserschmelzen Prof. Dr. Dieter Haller, HM
SLM (selective laser melting)
SLM ist eines von mehreren
Strahlschmelz-Verfahren, das zur
Herstellung von metallischen
Bauteilen erforscht und
weiterentwickelt wurde.
Sehr viele Freiheitsgrade bei der
Gestaltung der Turbinenschaufel:
Hohlräume und/oder Gitterstrukturen
in ein und demselben Verfahren
herstellbar.
Realisierung von Entwässerungs-
schlitzen, Beheizungsöffnungen
und/oder sonstigen Löchern. Leichtere Montage von Trieb-
werken durch Baugruppen mit
z.B. 6 Schaufeln
Mikro-Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Mikrostereolithographie
Mikrosintern
Mikrobauteile durch selektives
Laserschmelzen
Herstellung von Mikrobauteilen
TU Wien Zwei-Photonen-Lithographie.
Kritische Temperatur wird im Kreuzungs-
zweier Laser-Strahlen erreicht.
Die Nachbildung des Wiener Stephans-
doms ist geometrisch etwas vereinfacht,
aber unvorstellbar klein:
Nur etwas über 50 µm misst das Modell.
Zum Herstellen von winzigen maß-
geschneiderten Strukturen
Hochpräziser 3D-Drucker der TU Wien
bricht Geschwindigkeitsrekorde
(Bild: TU Wien)
Mikro-Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selektives Maskensintern
Kernidee:
Während bei SLS die Laserquelle punktförmig
wirkt, wird hier mit einem flächig wirkenden IR-
Strahler eine Maske belichtet.
-> damit Aufschmelzen einer ganzen Bauebene
Selektives Masekensintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selektives Maskensintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selektives Maskensintern
Maske aus IR-absorbieren-
dem Material wird auf eine
Glasscheibe gedruckt.
Anschließend werden mit
einem Infrarot-Strahler alle
nicht durch die Maske
bedeckten Bereiche in der
Schnittebene belichtet und
aufgeschmolzen.
Beseitigung des
Restmaterials erforderlich.
Selektives Maskensintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selektives Maskensintern
Vorteile des Verfahrens:
Durch die flächige Belichtung ist die Baugeschwindigkeit
unabhängig von der Größe der Baufläche.
Zum Vergleich beim SLS wird die Fläche linienförmig
abgefahren. Bauprozess hängt hier von der Baufläche ab.
Beim SLS-Verfahren wird mit monochromatischem Licht
des CO2-Lasers gearbeitet. Hierbei muss der zu
verarbeitende Kunststoff eine hohe Absorptionsfähigkeit im
entsprechenden Wellenbereich haben.
Durch die höhere Bandbreite des IR-Strahlers erweitert
sich hier die Materialpalette.
Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Übersicht:
Generative Verfahren
Polymerisation(Laser-) Stereolithographie SLAPolymerdrucken
Sintern/SchmelzenSelektives Lasersintern SLSSelektives Laserschmelzen SLMSelectives Masken Sintern SMSElektronenstrahlschmelzen EBM
Schicht-Laminat-Verfahren LLM
Extrusionsverfahren FDM
3D-Drucken 3DP
Nicht-Generative Fertigungsverfahren
Abformprozesse, die selbst nicht generativ sind, aber auf generativ hergestellten Urformen basieren
Silikonabguss
Vakuumgießen
Metallspritzen: Kst.-Teile mit metallischer Beschichtung
Metallische Werkzeuge zum Spritzgießen
…
Indirekte Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Harte Schale, komplexer Kern
Indirekte Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Beschichtung von
Kunststoff-RP-Teilen
mit metallischer Umhüllung
Steigerung von Festigkeit
und Elastizität
Neue Materialien Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Neues flexibles elasto-plastisches Druckmaterial
Herstellung traditionell
nicht herstellbarer Teile
Materialeinsparung Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Möglichkeiten für den Leichtbau
Variation von Wandstärke und Füllungsgrad
Materialien Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Studie: Könnte es sich rentieren, Haushaltsgegenstände
selbst zu drucken, anstelle diese zu kaufen?
Untersuchung von 20 Haushaltsgegenständen wie Duschköpfe,
Smartphone-Cases und Küchenutensilien. Einkaufspreise wurden ermittelt
und mit den eigenen Druckkosten verglichen. Produktkosten von rund
235€ bis 1465€. Kosten bei Eigenproduktion nur etwa 13€.
Anschaffungskosten eines (kostengünstigen) 3D-Druckers von rund 265€
bis 1515€. Je nach Drucker und der Anzahl der erzeugten Gegenstände
könnte sich so ein 3D-Drucker zwischen einigen Monaten bis wenigen
Jahren rentieren
Materialien Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Vision: Künftige Ersatzteillogistik
Anwendungen: Kraftwerkstechnik,
Flugzeugturbinen
Nach Expertenschätzungen entfallen 10% der
Betriebskosten bei Fluggesellschaften auf
Lagerung und Just-in-Time-Lieferung.
Drucken der Ersatzteile vor Ort („Repair-on-
demand“)
Beim Laserstrahlschmelzen Einsatz mehrerer
Druckköpfe zum schnellen Aufbau von Titan-
Teilen.
Trends Baubranche Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Contour Crafting Anwendungsbereich: Bauindustrie
Ähnlich dem FDM werden einzelne Betonschichten
nacheinander großformatig aufgetragen, wodurch
unvergleichbar schnell z.B. Grundrisse zukünftiger
Unterkünfte entstehen können.
D-Shape-Prozess Prof. Dr. Dieter Haller, HM
„Radiolaria“ ist eine dreidimensionale
Struktur von Shiro Studio aus London.
D-Shape ist weltweit der größte
binderbasierte 3D-Plotter auf Basis von
Sand oder mineralischem Staub mit
einer Abmessung von bis zu 12 m.
Die drei Kubikmeter große Struktur ist
ein Modell für einen geplanten zehn
Meter hohen Pavillon, der 2010 in
Pontedera in Italien gebaut werden soll.
Der Prototyp ist 3m groß und wird in
einer Schichtstärke von jeweils fünf bis
zehn Millimeter generiert
Trend: Große Abmessungen Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Größere Abmessungen der Teile
Idee: Drucken von Möbelstücken
Trend: Drucken von Lebensmitteln Prof. Dr. Dieter Haller, HM
COCOJET
3D Systems bietet in Zusammenarbeit mit dem Süßwarenhersteller
HERSHEY (größter Schokolade-Hersteller in USA) einen
Schokoladedrucker an.
Trend: Drucken von Lebensmitteln Prof. Dr. Dieter Haller, HM
TNO arbeitet derzeit an der Entwicklung von neuen Lebensmittel 3D-
Druckern zur Ausstattung von Pflegeheimen.
Idee: Drucken für Patienten mit Kau- und Schluckproblemen. Dabei sollen
breiförmige Lebensmittel in einem Druckvorgang zu einem vollständigen
Gericht verarbeitet werden.
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
3D-Doodler
Einfach den Stift vom
Papier abheben und in
der Luft zeichnen!
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Schuhe aus dem 3D-Drucker
Trend: Individualisierung
3D-Drucken von Kleidern
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
ISPO 2015
München
Erstmals Vorstellung des
Prototyps eines 3D-gedruckten
Skischuhs
Herstellung durch Selective
Lasersintering (SLS) aus
Windform SP, einem Verbund-
werkstoff auf Basis von Polyamid
und Carbonfasern.
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Der swissPen
verarbeitet 1,75
Millimeter dickes
Plastik-Filament in
verschiedenen Farben,
das im Inneren auf
über 200 Grad erhitzt
wird. Mit den
geschmolzenen
Strängen kann der
Anwender dann wie
mit einem normalen
Stift malen.
swissPen
Objekte aus verschmolzenem
PLA- oder ABS-Kunststoff.
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
3D-Spinnendrucker
Freies Gestalten ohne eine Stützstruktur.
Druckt Kunststoff in der Luft.
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
3D-
Spinnendrucker
4 Extruder
Gedruckt wird eine
lineare Spur und 3
Wellen, die um 120°
zueinander versetzt
sind.
Diese stützen das
linienförmige Objekt.
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Zielsetzung:
Herstellung von künst-
lichen Geweben unter
Laborbedingungen
Behandlung von
Defekten, z.B. durch
Traumata, Tumore
oder Fehlbildungen
CANTER:
Centrum für Angewandtes Tissue
Engineering und Regenerative Medizin,
Forschungsnetzwerk zwischen Hochschule
München, LMU, TU München und Partnern.
Tissue
Engineering
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Geschäftsmodelle
Dienstleistungen:
Herstellung von Prototypen und Teilen
Designobjekte
Ersatzteil-Fertigung
Nutzung neuartiger Herstellungsverfahren:
Flexiblere Reaktion auf Kundenwünsche
Neuartige Produkte:
Neuartige Formen und Materialien
Individualisierte Produkte, z.B. Hörgeräteschalen