3D-Druck
Prof. Dr. Haller 09.06.2016
Historie – Technologie - Verfahren
Graf v. Montgelas, Promenadeplatz München
Prof. Dr. Dieter Haller, HM Quelle: georgehart.com
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 Prototypen und Formen
Herstellung von Teilen
Herstellung von
Werkzeugen und
Werkzeugeinsätzen
Importieren von STL-Daten
(Dreiecksfacetten)
CAD- Daten
STL- Datei
CAD-
System Scanner
AutoCAD CATIA
SolidWorks
…
Slicing
Optimale Positionierung des zu fertigenden Teils auf der Maschine
Falls erforderlich, Stützkonstruktion erzeugen
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 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, Bändern oder 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
Vernetzen von flüssigem Photopolymer (Epoxidharze) durch UV Belichtung per Laser. Erstes kommerziell verfügbares Verfahren (1986/1987).
Zum Drucken komplexer Geometrien ist 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
Eigenschaften des
Stereolithographie –Verfahrens
● photoresistives Material
● Zugfestigkeit und E-Modul gering
● Frühere Materialien mit geringer Temperaturbeständigkeit 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
Stereolithographie Verfahren (SLA)
Hochpräzise, maßhaltig Hohe Kantenschärfe
Sehr hohe Detailauflösung
Sehr gute Oberflächenqualitäten
Engineering, Entwicklung, Urmodelle für Duplizierungsverfahren z.B.
Vakuumguss,
Hohe Investitions- und Betriebskosten begrenzte Werkstoffeigenschaften
KnowHow intensiv Benötigt spezielle
Werkstatteinrichtungen Projet 7000
Hersteller: 3D Systems
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
EOSINT M270 Hersteller: EOS
Herstellung metallischer Prototypen und Kleinserienwerkzeuge
Schichtdicke 0,02mm
Werkzeugstahl und Edelstahl
Komplexe Bauteile z.B. Werkzeuge zur Herstellung von Spritzgussteilen mit konturnahen Kühlkanälen
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Selektive Lasersintern von Metallen, genannt „Direktes Metall-Sintern“, Materialien:
Inconel, Kobalt-Chrom, Edelstähle, Aluminum,
Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Serienproduktion mit DirectTool
Spritzgusswerkzeug Produktionswerkzeug für elektrischen Stecker Stückzahl 240.000
/Quelle EOS/
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/
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
Beispiel Z-Printer Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Fa. Voxeljet, Friedberg
Hersteller von Systemen für
Sandformen mit riesigen Abmessungen (4 x 2 x 1 m).
Herstellbar sind großformatige Formen für große Gussteile oder z.B. Kulissen für Filmproduktionen.
Dr. Ederer
3D-Drucken
Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Prinzip:
Verlorene Sandform
CAD-Modell
Sandform Einbetten der
Sandform
Entformenl
Alu-Guss
…und action!
Actionszenen in aufwändigen Film- produktionen erfordern aufwändige Filmrequisiten.
Nachbauten von Aston Martins für
James Bond Filme.
Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Große Teile für Film,
Architektur, Design
oder Kunst
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
Das polnische Unternehmen „Zortrax“
erzielte bereits mit ihrem ersten Drucker eine Großbestellung seitens Dell von über 5000 Einheiten.
Der M200-Drucker greift das bewährte
Design des Ultimakers auf, fügt jedoch
ergänzend eine beheizte Druckplattform
hinzu.
Fortus 900mc
Hersteller: Stratasys
Leistungsstärkstes FDM-System Bauraum 914 x 610 x 914 mm Schichtdicke 0,178 … 0,33mm Werkzeuge und Endprodukte 9 verschiedene Thermoplaste:
ABS, PC, Nylon in unterschiedlichen Materialvarianten
PPSF, Ultem Fortus 250mc
Hersteller: Stratasys Tischgerät, bürotauglich
Beispiel FDM-Technologie Prof. Dr. Dieter Haller, HM
Aufdruck von flüssigem Photopolymer über Piezodruckkopf und Aushärtung durch UV- Belichtung.
Beispiel Objet 1000 Hersteller Stratasys Polyjetverfahren
100 verschiedene Materialien wie PC, ABS, PP, weiche gummiartige Materialien, transparent, verschiedene Farben
In einem Teil bis zu 14 Materialien Teilegröße 1000 x 800 x 500 mm Schichtdicke 0,016…0,03mm Ein-und Mehrkomponententeile Hart-Weichteile, kein Kleben
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
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
Prototyp von Ketten, funktionsfähig, Hergestellt mit Polyjet-Verfahren
Funktionsfähiger Prototyp einer Sprinkleranlage, hergestellt mit FDM-Technologie, Stratasys
Polyjet-Modeling 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
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
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 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
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 SLA Polymerdrucken
Sintern/Schmelzen
Selektives Lasersintern SLS Selektives Laserschmelzen SLM Selectives Masken Sintern SMS Elektronenstrahlschmelzen EBM Schicht-Laminat-Verfahren LLM
Extrusionsverfahren FDM
3D-Drucken 3DP
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
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.
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
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.
Barilla: Drucken von Teigwaren
TNO: 3D Drucken von Lebensmitteln für Pflegeheime
Trend: Drucken von Lebensmitteln Prof. Dr. Dieter Haller, HM
KATJES
Drucken von Fruchtgummi
3D-Doodler
Einfach den Stift vom
Papier abheben und in
der Luft zeichnen!
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.
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.
Dubai
Ziel:
bis 2030 bereits ein Viertel aller Gebäude aus dem 3D-Drucker
Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM
3D-Spinnendrucker
Freies Gestalten ohne eine Stützstruktur.
Druckt Kunststoff in der Luft.
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
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
Entwicklung neuer Materialien
Druckfähiges Material, welches das Nachwachsen
körpereigener Knochenzellen fördert (Knochenimplantate)
CARBON 3D
CLIP Verfahren (Continous Liquid Interface Production);
>>> extrem präzise und extrem schnell
Neue Systeme Prof. Dr. Dieter Haller, HM
