generative fertigungsverfahren urs schönbächler, bwz rapperswil

Generative

Fertigungsverfahren

Urs Schönbächler, BWZ Rapperswil

ist

Gesetz der freien

Marktwirtschaft:

• sichert Arbeitsplätze

• Ermöglicht Wohlstand

• Sorgt für sozialen Frieden

Der Stärkere frisst den Schwächerenoder

Der Schnellere frisst den Langsameren

Das gilt auch für unsere industrialisierte Welt:

Nokia Samsung; Apple

Produktentwicklung

einst

Zeichnungen von Hand; Prototypenherstellung durch konventionelle Fertigung wie Fräsen, Drehen ...

heute

Zeichnungen am PC; Prototypenherstellung durch

generative Fertigungsverfahren wie Rapid-Prototyping ...

Die Phasen der Produktentwicklung

Zahlenwerte

Quelle: BWL-Marketing

Hauptanwendung der generativen

Fertigungsverfahren

Einfluss der generativen Fertigungsverfahren

Die Anwendung von Rapid-Prototyping-Verfahren bringt in der Entwicklungsphase eines Projekts folgende Vorteile:

Kosteneinsparungen um bis zu 75%; davon 50% für die Modellherstellung.

2. Senkung der Kosten

Um bis zu 80% schneller.1. Verkürzung der

Entwicklungszeit

3. Verbesserung der Qualität

Es wird bereits zu einem früheren Zeitpunkt ein höherer Produktionsreifegrad erzielt.

4. Steigerung der Flexibilität

Veränderten Marktanforderungen kann schnell und wirkungsvoll durch serienidentische Prototypen begegnet werden.

Unterteilung

Generative Fertigungsverfahren

Rapid-Prototyping

Rapid-Tooling

Rapid-Manufacturing

Rapid rasch; schnell

Prototyping Muster; Urformvon etwas

Film; 1.01 min; Musterteilehttp://www.youtube.com/watch?v=wP4LK-1GmJg&feature=related

Rapid-Prototyping

Rapid rasch; schnell

Manufacturing Produktion; Fertigung

Film; 3.10 min; Anwendung gem. Bildhttp://www.youtube.com/watch?v=C--mzmrdGXM

Rapid-Manufacturing

Rapid rasch; schnell

Tooling Fertigungs-mittel; Werkzeuge

Film; 1.30 min; Anwendung g. Bildhttp://www.omega-plastics.co.uk

Rapid-Tooling

STLGiessharz-Werkzeug

Giessharz-Werkzeug

Praxisbeispiel

Quelle: Universität Magdeburg

Rapid-Prototyping-Verfahren

Nr. 2 der Verfahren

Nr. 1 der Verfahren

Nr. 3 der Verfahren

Nr. 4 der Verfahren

Rapid-Prototyping

SLS – Selektives Lasersintern

Rapid-Prototyping

SLS – Selektives Lasersintern

12

3

4

1

1

2

3

4

Film; 1.45 Min http://www.youtube.com/watch?v=6N7W1kPuBcg&feature=related

Rapid-Prototyping

SLS – Selektives Lasersintern

Vorteile • Geeignet für Kunststoffe und Metalle

• Die Werksstücke sind hoch belastbar

• Es können Modelle mit komplexer Geometrie und darin beweglichen Teilen hergestellt werden

• Die Modelle können gut nachbearbeitet werden. Bei Metallen ist auch Härten möglich

Nachteile • Raue Oberflächen bedingen Nacharbeit• Es ist ein Abkühl- (Kunststoff) oder ein

Nachhärteprozess (Metall) erforderlich

Quelle: Universität Magdeburg

Rapid-Prototyping-Verfahren

Nr. 2 der Verfahren

Nr. 1 der Verfahren

Nr. 3 der Verfahren

Nr. 4 der Verfahren

Rapid-Prototyping

STL - Stereolithographie

Quelle: Universität Aachen

Rapid-Prototyping

STL - Stereolithographie

Rapid-Prototyping

STL - Stereolithographie

Ein computergesteuerter UV-Laserstrahl bildet die jeweiligen Konturen der Schichten auf einem flüssigen Polymerharz ab. Dort, wo der Laserstrahl auf das Harz trifft, härtet dieses aus. Das entstehende Kunststoff-Modell wird um eine Schichtdicke in das Harz abgesenkt und die nächste, darüber liegende Schicht kann ausgehärtet werden.

Film; 5.03 Min http://www.youtube.com/watch?v=eKk2vRysioEFilm; 2.10 Min http://www.youtube.com/watch?v=BUfh5wxj3qA&feature=related

Rapid-Prototyping

STL - Stereolithographie

Vorteile • Sehr gute Modellgenauigkeit und Detailtreue

• Hohe Oberflächengüte

• Die Modelle können durchgefärbt oder lackiert werden

• Die Modelle können mechanisch gut nachbearbeitet werden

Nachteile • Material: Nur durch UV-Licht aushärtbare Harze können verwendet werden

• Es ist ein Nachhärteprozess erforderlich

Quelle: Universität Magdeburg

Rapid-Prototyping-Verfahren

Nr. 2 der Verfahren

Nr. 1 der Verfahren

Nr. 3 der Verfahren

Nr. 4 der Verfahren

Rapid-Prototyping

3D-Printing

Scheinwerferlicht BMW-MINI

Rapid-Prototyping

3D-Printing

Film; 5.54 Minhttp://www.youtube.com/watch?v=HMQ8-B9Fp-c&feature=fvsr

Film; 1.17 Min http://www.youtube.com/watch?v=sNyIOPrXhd8&feature=related

1. Generation: Technologie mit Kunststoffpulver

2. Generation:Verfahren ähnlich Tinten-strahldrucker; durch UV-Licht aushärtbarer Kunststoff

Das Verfahren im Überblick

Objet-Verfahren (2. Generation)

1. Anlage Typ „Eden350“ 220V/16A, Büroumgebung, Netzwerk

3. Der Druckkopf 768 Düsen, Lebensdauer ca. 3.000 h

4. Das Kartuschensystem je 2 kg oder 3.6 kg Inhalt

2. Das Verfahren 0.016/0.030mm Schichtstärke, UV-Aushärtung

5. Einlesen der STL-Daten autom. Platzierung und Supportauslegung

7. Das Material-Managementsystem Materialberechnung und Information

7. Der Bauprozess Geschwindigkeit in „Z“ von ca. 1cm/h

8. Das fertige Modell mit Support Das Modell ist sofort ausgehärtet

Das Verfahren im Überblick

Objet-Verfahren (2. Generation)

Das Verfahren im Überblick

10. Der Reinigungsprozess Entfernen des Support‘s mit Wasserstrahl

12. Genauigkeiten Zwischen 0.05 und 0.1 mm

11. Das fertiggestellte Modell Sehr gute Oberfläche und Genauigkeit

9. Das Reinigungsgerät Handelsübliche Geräte mit ca. 60 Bar Druck

Objet-Verfahren (2. Generation)

Das Verfahren im Überblick

13. Lackieren Grundieren und Lackieren der Modelle

14. Kleben Verkleben einzelner Segmente

16. Vervielfältigung Vakuumguss über Silikonwerkzeuge

15. Bedampfen Bedampfen mit Aluminium

Objet-Verfahren (2. Generation)

Die Funktionsweise der „PolyJet Technologie“

Druckkopf aus 4/8 Segmenten Aufspritzen von 5 Millionen

Tropfen/Sekunde a. 9 Piktoliter Simultanes Aufspritzen von “Build &

Support” - Material; auch 2K-Werkstoffe sind dadurch möglich

Erzeugen von sehr dünnen Schichten von nur 0.016 mm bzw. 0.030 mm

Sofortige Aushärtung des Harzes durch UV-Licht

Objet-Verfahren (2. Generation)

Maschinenansicht

Ein “Bad” ist nicht vorhanden = das Teil ist trocken Das fertige Bauteil kann lediglich mit Hilfe eines “Spachtels” von

der Grundplatte entfernt werden Das Material des Bauteils ist nicht toxisch (giftig)

Objet-Verfahren (2. Generation)

Rapid-Prototyping

3D-Printing (2. Generation)Vorteile • Gute Modellgenauigkeit und Detailtreue

• Verschiedene Kunststoffe in unterschiedlichen Härtegraden sind möglich

• Modelle können in 2K-Ausführung hergestellt werden

• Grosse Farbenvielfalt

Nachteile • Material: Nur durch UV-Licht aushärtbare Harze können verwendet werden

• Die Modelle sind «zerbrechlicher» als z.B. solche des SLS- oder STL-Verfahrens

• Kein Abfall

Quelle: Universität Magdeburg

Rapid-Prototyping-Verfahren

Nr. 2 der Verfahren

Nr. 1 der Verfahren

Nr. 3 der Verfahren

Nr. 4 der Verfahren

Rapid-Prototyping

FDM - Fused Deposition Modelling

Rapid-Prototyping

FDM - Fused Deposition Modelling Das FDM-Verfahren generiert das Bauteil aus thermoplastischem Draht.

Über einen Vorschub wird der Draht einer Düse zugeführt und dort bis kurz unter Schmelztemperatur erhitzt.

Das halbflüssige Material wird – konturgemäß - als neue Schicht auf die schon bestehende Struktur aufgebracht und erkaltet beim Kontakt mit der schon festen unterliegenden Schicht sofort.

Die einzelnen Schichten haften aneinander, da bei der Auftragung der heißen neuen Schicht, die unterliegende lokal und temporär aufschmilzt und so eine Verbindung eingeht

Werkstoffe: PA, PE, ABS, Feinguss-Wachs u.a.

Film; 1.25 Minhttp://www.youtube.com/watch?v=SPtkOmP_HoA

Film; 1.40 Min Minhttp://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=cFcWFB0FlLo

Rapid-Prototyping

Vorteile • Relativ einfache Verfahrenstechnik

• Kein Laser erforderlich

• Kein Materialverlust

• Vielfältige Auswahl an Kunststoffen

Nachteile • Feine Konturen, Schlitze, Rippen und dünnwandige Konturen sind nicht möglich

• Nur für kleine Teile geeignet

FDM - Fused Deposition Modelling

Quelle: Universität Magdeburg

Rapid-Prototyping-Verfahren

Nr. 2 der Verfahren

Nr. 1 der Verfahren

Nr. 3 der Verfahren

Nr. 4 der Verfahren

Rapid-Prototyping

LLM - Layer Laminated Modelling Ein mit Klebstoff beschichtetes Material aus Papier-, Kunststoff- oder Metallfolie wird Schicht (Layer) für Schicht auf eine Bauplattform bzw. auf das teilfertige Modell aufgeklebt (laminated). Mit Hilfe eines Laserstrahles wird der Umriß der Kontur einer jeden Slice-Schicht nachgezeichnet und geschnitten.

Film; 0.45 Minhttp://www.youtube.com/watch?v=Z1WNA6tdfWM

Rapid-Prototyping

Vorteile • Schnelles Verfahren

• Keine Nachhärteprozesse erforderlich

• Praktisch keine inneren Spannungen und dadurch verursachte Verformungen

Nachteile • Nicht für feine Konturen in z-Richtung geeignet

LLM - Layer Laminated Modelling

• Komplexe Bauteile sind nicht möglich

• Es können keine Bauteile ineinander verschachtelt werden.

• Viel Abfall = unbrauchbares Restmaterial

Quelle: Universität Magdeburg

Rapid-Prototyping-Verfahren

Rapid-Manufacturing

Kunststoffspritzguss-Werkzeug

Film; 6.35 Min; Herstellung des Metallkernshttp://www.youtube.com/watch?v=UI7aMxCc0Fo&feature=related

Rapid-ManufacturingHerstellung eines Kunststoff-Spritzgusswerkzeugs mit Hilfe des SLS-Verfahrens (Selektives Lasersintern)

Rapid-Manufacturing

Vakuumgiessen mit Silikonformen

Häufig reicht ein einzelner Prototyp nicht aus. Es braucht Teile für Testversuche, Präsentationen, Photoshootings usw.

Rapid-Manufacturing

Vakuumgiessen mit Silikonformen

Ausgehend von einem einzelnen Prototypen - typischerweise einem Teil das in SLS, Stereolithographie oder 3-D-Printing gefertigt worden ist - erlaubt das Vakuumgiessen die Herstellung einer Kleinserie.

Mit einer Silikonform können bis zu 30 Abgüsse in gleich bleibender Qualität hergestellt werden.

Die Palette der verwendeten PUR Giessharze reicht von Thermoplasten, bis hin zu Elastomer ähnlichen Duroplasten. Auch Teile in Zwei-Komponenten-Ausführung sind möglich.

Durch Oberflächenbehandlungen kann den Werkstücken ein Aussehen verpasst werden, sodass sie von Serienteilen fast nicht mehr zu unterscheiden sind.

Rapid-Manufacturing

Vakuumgiessen mit Silikonformen

Film; 9.19 Min; Form aus Silikon herstellen und Kunststoffteil giessenhttp://www.youtube.com/watch?v=48UwkzNqREA&feature=related

Film; 4.43 Min; Form aus Silikon herstellenhttp://www.youtube.com/watch?v=Aof-KQX8G_g

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