Die vorliegende Bachelorarbeit verschafft einen Überblick über das mSLA-Verfahren und liefert Richtlinien für die Handhabung, um eine eigenständige Nutzung dieses Verfahrens zu ermöglichen. Hierzu wird zunächst ein allgemeines Grundverständnis für die additive Fertigung vermittelt, um anschließend genauer das mSLA-Drucken anhand des Prusa SL1 zu thematisieren und mit dem bislang bekanntesten 3D-Druck-Verfahen dem FDM zu vergleichen. Die daraus folgenden Stärken und Schwächen des Verfahrens werden als Basis für eine Konstruktionsrichtline genutzt, welche ein bestmögliches Druckergebnis realisieren soll. Des Weiteren werden durch die Durchführung von Zugversuchen Optimaleinstellungen für Bauteile ermittelt, welche unter Krafteinflüssen stehen. Zuletzt liefert die Arbeit einen Ausblick über die Machbarkeit und die Reproduzierbarkeit, eines Werkzeugeinsatzes für das Spritzgießen von Zugproben. Diese Arbeit ist für Studierende, Forschende aber auch für Privatpersonen geeignet, welche sich dem Thema des mSLA-Druckens annähern wollen.
Immer kürzer werdende Entwicklungszeiten, zunehmende Variantenvielfalt und stetig steigende Individualisierung von Produkten haben zur Folge, dass Rapid Prototyping immer mehr an Bedeutung für die Industrie gewinnt und ihr Dasein als Schlüsseltechnologie gestärkt wird. Aufgrund steigender Komplexität von Bauteilen ist die additive Fertigung gefragter denn je. Während herkömmliche Fertigungsverfahren viele Restriktionen in Bezug auf die Herstellbarkeit besitzen, überzeugt das AM durch gestalterische Freiheiten, wie es kein anderer Verfahrenszweig bieten kann.
Die Potenziale dieser vergleichsweise noch recht neuartigen Fertigungsform sind enorm, wenn bedacht wird, dass bereits komplette Fahrzeuge, ganze Häuser oder auch Dentalimplantate und Organe hergestellt werden können. [1, 2] Aufgrund der Feststellung der Potenziale sind die ursprünglichen Verfahren der AM einer ständigen Progression unterzogen, um in speziellen Anwendungsgebieten noch besser agieren zu können. Dadurch entstand in den letzten Jahren eine fast schon unübersichtliche Anzahl an verschiedensten Druckern mit unterschiedlichsten Technologien. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren wächst auch der Umfang an verfügbaren Werkstoffen für nahezu jeden Anwendungszweck.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Vorgehensweise
2. Grundlagen des Additive Manufacturing
2.1 Additive Manufacturing
2.2 Anwendungsgebiete
2.3 Allgemeiner Prozessablauf
2.4 Technischer Reifegrad des AM
2.5 Übersicht der technologischen Prinzipien
3. Fused Deposition Modeling
3.1 Funktionsprinzip
3.2 Vor- und Nachteile des FDM-Verfahrens
3.2.1 Vorteile
3.2.2 Nachteile
4. Masked Stereolithographie (mSLA)
4.1 Funktionsprinzip
4.2 Entwicklung des Verfahrens
4.3 Polymerisation
4.4 Vor- und Nachteile des mSLA-Verfahrens
4.4.1 Vorteile
4.4.2 Nachteile
4.5 Materialübersicht Harze für den Prusa SL1
5. Umgang mit dem Prusa SL1 und dem CW1
5.1 Schutzmaßnahmen
5.2 Kurzanleitung
5.2.3 Drucken
5.2.4 Waschen
5.2.5 Trocknen und Härten
5.2.6 Aufräumen
6. Verfahrensvergleich mSLA vs. FMD
6.1 Optisch messbare Aspekte
6.2 Maßgenauigkeit
6.3 Oberflächenqualität
6.4 Stützstrukturen
6.5 Maschinenstundensatz
6.6 Fertigungszeiten
6.7 Materialeinzelkosten und Materialverbrauch
6.8 Ökologischer Fußabdruck
7. Konstruktionsrichtlinie
7.1 Minimale Wandstärke
7.2 Mindestbreite einer Nut
7.3 Mindestdurchmesser eines vertikalen Drahts
7.4 Mindestdurchmesser einer Bohrung
7.5 Maximalwinkel für Überhänge
7.6 Drucken von Brücken
7.7 Toleranzmaße für Passungen
7.8 Aushöhlen eines Objektes
7.9 Stützen und Grundschicht
7.10 Kurzübersicht
8. Werkstoffprüfung
8.1 Grundlagen Zugversuch
8.1.7 Zugprüfmaschine
8.1.8 Zugprobe
8.2 Durchführung
8.3 Auswertung
8.3.1 Auswirkung der Ausrichtung auf dem Druckbett
8.3.2 Auswirkung der Belichtungszeit
8.3.3 Auswirkung der Nachhärtezeit
8.3.4 Auswirkung der Schichtdicke
8.3.5 Abgeleitete optimale Einstellungen
8.3.6 Vergleich zu ABS like Resin
8.3.7 Vergleich der Messwerte mit den Herstellerangaben
9. Machbarkeit eines Spritzgussformeinsatzes
9.1 Grundlagen des Spritzgießens
9.1.1 Verfahrensablauf
9.1.2 Werkzeugaufbau
9.2 Auslegung und Konstruktion des Formeinsatzes
9.3 Materialauswahl und Fertigung
9.4 Ausblick zu nötigen Nacharbeitsschritten
9.5 Ausblick zur Maßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit
9.6 Ausblick zur wirtschaftlichen Relevanz des Rapid Tooling
10. Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Bachelorthesis untersucht das Werkstoffverhalten sowie die Anwendungsmöglichkeiten des mSLA-Druckverfahrens (maskierte Stereolithographie) am Beispiel des Prusa SL1. Ziel ist es, eine fertigungsgerechte Konstruktionsrichtlinie zu erstellen, die Druckqualität und Stabilität optimiert, und die wirtschaftliche sowie technische Machbarkeit von additiv gefertigten Spritzgussformeinsätzen zu evaluieren.
- Grundlagen und Prozessverständnis der additiven Fertigung.
- Verfahrensvergleich zwischen mSLA und FDM hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Kriterien.
- Ableitung einer umfassenden Konstruktionsrichtlinie für mSLA-Bauteile.
- Optimierung von Bauteileigenschaften durch experimentelle Zugversuche.
- Validierung der Machbarkeit von Spritzgussformeinsätzen mittels Rapid Tooling.
Auszug aus dem Buch
8.3.1 Auswirkung der Ausrichtung auf dem Druckbett
Um zu testen, ob die Anordnung auf dem Druckbett einen Einfluss auf die Belastbarkeit der Bauteile hat, werden Zugproben auf drei verschiedene Arten wie in Abbildung 67 zu sehen ist angeordnet.
Die restlichen Einflussgrößen wie Schichtdicke, Belichtungszeit und Nachhärtezeit bleiben unverändert bei den Standardeinstellungen. Die Ergebnisse der Zugversuche werden in Nennspannung-Totaldehnungs-Diagramm in Abbildung 68 sowie in Form von Kennzahlen in Tabelle 2 dargestellt.
Es zeigt sich, dass die stehende Probe die höchste Zugfestigkeit als auch die größte Dehnung aufweist. Bei gleicher anliegender Spannung dehnt sich die liegend flache Probe am wenigsten, besitz dabei am meisten Steifigkeit und damit den höchsten E-modul. Die Zähigkeit der stehenden Probe lässt sich durch die schematische Abbildung 69 erklären.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Diese Einleitung motiviert die Arbeit durch die wachsende Bedeutung des Rapid Prototyping und definiert das Ziel, ein tieferes Verständnis für das mSLA-Verfahren zu schaffen.
2. Grundlagen des Additive Manufacturing: Dieses Kapitel erläutert die Definitionen, Anwendungsgebiete und Prozessabläufe der additiven Fertigung sowie den technischen Reifegrad und technologische Prinzipien.
3. Fused Deposition Modeling: Der Fokus liegt auf dem Funktionsprinzip, den Vor- und Nachteilen sowie der Verwendung des FDM-Verfahrens als Vergleichsbasis.
4. Masked Stereolithographie (mSLA): Dieser Abschnitt beschreibt das mSLA-Verfahren, dessen Entwicklung, die chemischen Grundlagen der Polymerisation sowie die verfügbaren Materialharze.
5. Umgang mit dem Prusa SL1 und dem CW1: Hier werden notwendige Schutzmaßnahmen und eine kompakte Kurzanleitung zur Bedienung der Prusa-Hardware bereitgestellt.
6. Verfahrensvergleich mSLA vs. FMD: Ein detaillierter Vergleich der beiden Verfahren anhand von Parametern wie Maßgenauigkeit, Oberflächenqualität, Kosten und ökologischem Fußabdruck.
7. Konstruktionsrichtlinie: Basierend auf praktischen Versuchen wird eine Richtlinie für fertigungsgerechtes Konstruieren für den Prusa SL1 hergeleitet.
8. Werkstoffprüfung: Dieses Kapitel behandelt die experimentelle Ermittlung von Materialkennwerten durch Zugversuche und die Optimierung der Parametereinstellungen.
9. Machbarkeit eines Spritzgussformeinsatzes: Die Arbeit validiert die Nutzung des mSLA-Verfahrens für den Bereich des Rapid Tooling durch die Konstruktion und Untersuchung eines Spritzgussformeinsatzes.
10. Fazit und Ausblick: Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten im Bereich des mSLA-Drucks.
Schlüsselwörter
Additive Fertigung, mSLA, Stereolithographie, Prusa SL1, Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Spritzgießen, Werkstoffprüfung, Konstruktionsrichtlinie, 3D-Druck, Zugversuch, Polymerisation, FDM, Formeinsatz, Prozessoptimierung.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Hauptziel dieser Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, ein umfassendes Verständnis für das mSLA-Druckverfahren zu schaffen und auf Basis experimenteller Untersuchungen eine Konstruktionsrichtlinie sowie eine Validierung für den Einsatz im Rapid Tooling zu liefern.
Welche Fertigungsverfahren werden miteinander verglichen?
Die Arbeit vergleicht das maskierte Stereolithographie-Verfahren (mSLA), repräsentiert durch den Prusa SL1, mit dem Fused Deposition Modeling (FDM), repräsentiert durch den Prusa MINI.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Werkstoffprüfung angewandt?
Es werden standardisierte Zugversuche gemäß DIN EN ISO 527 durchgeführt, um Festigkeits- und Verformungskennwerte unter verschiedenen Parametereinstellungen zu ermitteln.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Arbeit deckt die theoretischen Grundlagen des 3D-Drucks, einen praxisnahen Verfahrensvergleich, die Erstellung von Design-Richtlinien und die Untersuchung der Machbarkeit von 3D-gedruckten Spritzgussformeinsätzen ab.
Welche Herausforderungen bei der Nutzung von mSLA-Druckern werden thematisiert?
Besonders die Materialhandhabung, notwendige Schutzmaßnahmen aufgrund hautunverträglicher Harze sowie der Prozess der Nachbearbeitung (Waschen, Trocknen, Härten) werden detailliert behandelt.
Was charakterisiert die mSLA-Technologie im Vergleich zum FDM-Druck?
mSLA zeichnet sich durch eine höhere Maßgenauigkeit und Oberflächengüte aus, erfordert jedoch einen höheren Aufwand bei der Nachbearbeitung und verursacht höhere Materialkosten.
Warum wird im Rahmen dieser Arbeit ein Spritzgussformeinsatz gedruckt?
Der gedruckte Formeinsatz dient der Validierung, ob das mSLA-Verfahren für Anwendungen im Rapid Tooling geeignet ist, um kostengünstig und schnell Erprobungswerkzeuge herzustellen.
Welchen Einfluss haben die Belichtungs- und Nachhärtezeiten auf das Material?
Die Untersuchung zeigt, dass sowohl Belichtungs- als auch Nachhärtezeiten die Steifigkeit und Zugfestigkeit der Bauteile signifikant beeinflussen und somit für optimale Ergebnisse präzise kalibriert werden müssen.
Welche Rolle spielt die Ausrichtung der Bauteile auf dem Druckbett?
Die Ausrichtung beeinflusst die mechanischen Eigenschaften (z.B. Zugfestigkeit), da die Z-Achse durch den schichtweisen Aufbau und die variierende Belichtung unterschiedliche Materialstrukturen aufweist.
Warum scheiterte der erste Testdruck des Formeinsatzes mit dem High Temp Resin?
Die Arbeit identifiziert die Materialseite als Fehlerursache, da trotz Prozessoptimierungen kein stabiler Druck erreicht werden konnte, und schlägt alternative Materialien für zukünftige Forschungsarbeiten vor.
- Arbeit zitieren
- Felix Bär (Autor:in), 2021, Untersuchungen des Werkstoffverhaltens und der Anwendungsmöglichkeiten von 3D-mSLA-Druckern, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1031737
