Untersuchungen des Werkstoffverhaltens und der Anwendungsmöglichkeiten von 3D-mSLA-Druckern

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Nomenklatur

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 CW
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

11. Literaturverzeichnis

12. Anhänge

Vorwort

Die vorliegende Bachelorthesis entstand im Rahmen meines Wirtschaftsingenieursstudi­ums an der Hochschule Offenburg.

Mein Interesse für das Thema Additive Fertigung entwickelte sich sowohl durch private Nutzung eines 3D-Druckers als auch durch Berührungspunkte mit dem Thema während meines Studiums und meines Praxissemesters.

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Mitarbeitern der Hochschule Offenburg bedan­ken, die zum Gelingen meiner Abschlussarbeit beigetragen haben.

Ein besonderer Dank geht an Prof. Dr.-Ing. Stefan Junk und an B. Eng. Henning Einloth, die mich sowohl fachlich als auch organisatorisch jederzeit und vollumfänglich unterstütz­ten.

Ich wünsche Ihnen viel Freude beim Lesen dieser Bachelorarbeit.

Teningen, Februar 2021

Felix Bär

Kurzfassung

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.

Abstract

This bachelor thesis provides an overview of the mSLA process aswell as guidelines for handling to enable independent use of this process. To this end, a general basic under­standing of additive manufacturing is first conveyed, followed by a more detailed discussion of mSLA printing using the Prusa SL1 and a comparison with the best-known 3D printing process to date, FDM. The resulting strengths and weaknesses of the process are used as the basis for a design guideline, which should enable the best possible printing result. Fur­thermore, optimal settings for components that are under the influence of forces are deter­mined by carrying out tensile tests. Finally, the thesis provides an outlook on the feasibility and reproducibility of a mold insert for the injection molding of tensile specimens. This work is suitable for students, researchers but also for private persons who want to approach the topic of mSLA printing.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Einteilung der Fertigungsverfahren

Abbildung 2: Anwendungen Additiver Fertigungsverfahren

Abbildung 3: Prozessablauf des AM

Abbildung 4: STL-Dateien unterschiedlicher Auflösungen

Abbildung 5: Reifegrad des Additive Manufacturing nach

Abbildung 6: Technologieübersicht des Additive Manufacturing

Abbildung 7: Funktionsprinzip des FDM-Verfahrens

Abbildung 8: Vor-, und Nachteile des FDM-Verfahrens

Abbildung 9: Funktionsprinzip mSLA-Verfahren

Abbildung 10: Entwicklung der Stereolithographie von Laser SLA zu mSLA

Abbildung 11: schematische Polymerisation

Abbildung 12: Kettenabbruch durch Rekombination

Abbildung 13: Kettenabbruch durch Disproportionierung

Abbildung 14: identische Druckzeit von 2 h 5 min 58 s

Abbildung 15: Vor-, und Nachteile des mSLA-Verfahrens

Abbildung 16: Materialgruppierungen

Abbildung 17: Anwendungsbeispiel Castable Resin

Abbildung 18: Anwendungsbeispiel Dental Resin

Abbildung 19: Anwendungsbeispiel Tough Resin

Abbildung 20: Anwendungsbeispiel Standard Resin

Abbildung 21: Anwendungsbeispiel Flexible Resin

Abbildung 22: Preisgestaltung verschiedener Resingruppen

Abbildung 23: Materialhärte verschiedener Resingruppen

Abbildung 24: Schutzmaßnahmen für Prusa SL1 und CW

Abbildung 25: beispielhafte Augendusche

Abbildung 26: Testobjekt Verfahrensvergleich

Abbildung 27: Qualität der Schriftgravuren

Abbildung 28: Brücken im Vergleich

Abbildung 29: Pyramide im Vergleich

Abbildung 30: Überhang im Vergleich

Abbildung 31: durchschnittliche Maßabweichungen der Außenmaße

Abbildung 32: durchschnittliche Maßabweichungen der Innenmaße

Abbildung 33: Gesamtmaßabweichung der Verfahren

Abbildung 34: Oberflächenmessung in X-Y-, und in Z-Richtung

Abbildung 35: Rugotest 1

Abbildung 36: Oberflächenqualitäten im Vergleich

Abbildung 37: Stützstrukturen vom SL1 (links) und MINI (rechts)

Abbildung 38: Stützstrukturen im Vergleich

Abbildung 39: Gesamtfertigungszeiten im Vergleich

Abbildung 40: Fertigungszeiten im Vergleich

Abbildung 41: Materialeinzelkosten im Vergleich

Abbildung 42: ökologischer Fußabdruck

Abbildung 43: 3D-Konstruktion zur Ermittlung der Mindestwandstärke

Abbildung 44: gedruckte Wände links gestützt und rechts ungestützt

Abbildung 45: 3D-Modell von Wänden mit Verrundung (links) und fertiger Druck (rechts)

Abbildung 46: 3D-Modell von Nuten (links) und fertiger Druck (rechts)

Abbildung 47: Verschmelzung von zu engen Nuten

Abbildung 48: 3D-Modell von vertikalen Drähten (links) und fertiger Druck (rechts)

Abbildung 49: 3D-Modell von Bohrungen (links) und fertiger Druck (rechts)

Abbildung 50: 3D-Modell von Überhängen (links) und fertiger Druck (rechts)

Abbildung 51: Scheitern von Überhängen unterhalb 20°

Abbildung 52: Verformung von zu langen 0°- Überhängen

Abbildung 53: 3D-Modell von Brücken (links) und fertiger Druck (rechts)

Abbildung 54: Positionierung auf der Druckplattform

Abbildung 55: Bauchbildung je nach Positionierungswinkel

Abbildung 56: durchschnittliche Maßabweichungen je nach Positionierungswinkel

Abbildung 57: 3D-Modell von Welle und Bohrung (links) und fertiger Druck (rechts)

Abbildung 58: Schnittansicht verschiedener Wanddicken

Abbildung 59: Schnittansicht verschiedener Entwässerungslöcher

Abbildung 60: Druckobjekt mit Stützstruktur und Grundschicht

Abbildung 61: Stützpunkte finden durch Schichtenaufbau

Abbildung 62: Konstruktionsrichtlinien im Überblick

Abbildung 63: Beispielhafte Zugprüfmaschine

Abbildung 64: Probenkörpertyp 5A, Maße in Tabelle in mm

Abbildung 65: Schematische Darstellung der Probenvermessung

Abbildung 66: eingespannte Zugprobe mit Kamerabild

Abbildung 67: Anordnung der Prüfkörper

Abbildung 68: Nennspannung-Totaldehnungs-Diagramm Druckrichtung

Abbildung 69: Erklärungsmodell Auswirkung der Druckbettanordnung

Abbildung 70: Nennspannung-Totaldehnungs-Diagramm Belichtungszeit

Abbildung 71: Erklärungsmodell Auswirkung verschiedener Belichtungszeiten

Abbildung 72: Erklärungsmodell Auswirkung verschiedener Nachhärtezeiten

Abbildung 73: Nennspannung-Totaldehnungs-Diagramm Nachhärtezeit

Abbildung 74: Nennspannung-Totaldehnungs-Diagramm Schichtdicke

Abbildung 75: Erklärungsmodell Auswirkung der Schichtdicke

Abbildung 76: Nennspannung-Totaldehnungs-Diagramm optimale Einstellung

Abbildung 77: Nennspannung-Totaldehnungs-Diagramm ABS like Resin

Abbildung 78: schematische Darstellung einer Spritzgießmaschine

Abbildung 79: Zyklus des Spritzgießens

Abbildung 80: puristisch dargestellter Werkzeugaufbau

Abbildung 81: Explosionsansicht Adapterrahmen mit Formeinsatz

Abbildung 82: Formeinsatz Draufsicht

Abbildung 83: Detailansicht Verteilerkanal und Anschnitt

Abbildung 84: Ersatzmodell Werkzeugverformung

Abbildung 85: Reproduzierbarkeit von Bauteilen auf dem SL1

Abbildung 86: Vergleich der Kosten für einen Formeinsatz

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: relevante Daten für den Maschinenstundensatz

Tabelle 2: Auswertung Zugversuch Druckrichtung

Tabelle 3: Auswertung Zugversuch Belichtungszeit

Tabelle 4: Auswertung Zugversuch Nachhärtezeit

Tabelle 5: Auswertung Zugversuch Schichtdicke

Tabelle 6: Auswertung Zugversuch optimale Einstellung

Tabelle 7: Auswertung Zugversuch ABS like

Tabelle 8: Vergleich der Messwerte mit Herstellerangaben

Tabelle 9: Maßabweichung und Standardabweichung der Formeinsätze Nomenklatur

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formelzeichen mit Einheiten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einführung

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.

1.1 Aufgabenstellung

Eine dieser Weiterentwicklungen der AM-Verfahren stellt die maskierte Stereolithographie, kurz mSLA, dar. Sie soll zentrales Thema dieser Arbeit sein und zählt unter die Hauptrubrik der Stereolithographie-Verfahren. Repräsentativ für das Verfahren wird der Prusa SL1 als mSLA-Drucker verwendet.

Aufgrund der Neuartigkeit existieren keine individuell auf das Verfahren angepasste Richt­linien für ein fertigungsgerechtes Konstruieren. Die Schwächen und Stärken des Verfahrens sind somit noch unbekannt. Dadurch sind auch die Grenzen und Möglichkeiten des Verfah­rens nicht vollständig erforscht. Die Materialvielfalt erschwert den Einstieg in das Thema mSLA-Druck, da nicht klar definiert ist, welcher Werkstoff für welches Anwendungsfeld be­nötigt wird. Darüber hinaus existieren bislang nur wenige beziehungsweise nur spärliche Daten zu Werkstoffeigenschaften von Bauteilen.

Hauptziel und Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist es daher ein Verständnis für AM beson­ders für das mSLA-Verfahren zu schaffen, welches dem Leser den Umgang mit dem Ver­fahren ermöglicht und es ihm erleichtert die Potenziale der Maschine und des Werkstoffes vollständig auszuschöpfen. Hierzu soll zunächst ein Grundverständnis geschaffen werden, um Materialien richtig auszuwählen und einen ordnungsgemäßen Umgang mit der Ma­schine sicherzustellen. Durch die Erstellung einer Konstruktionsrichtlinie und die Ermittlung von optimalen Parametereinstellungen durch Auswertung durchgeführter Werkstoffprüfun­gen, soll außerdem das Risiko eines Fehldrucks für den Anwender minimiert werden. Des Weiteren soll anhand eines praktischen Bauteils geklärt werden, ob das Verfahren für den Einsatz im Bereich des Rapid Prototyping eingesetzt werden kann.

1.2 Vorgehensweise

Um dem Leser das Prinzip der additiven Fertigung näher zu bringen und somit ein Ver­ständnis für das Thema der Abschlussarbeit zu schaffen, werden die grundlegenden Kennt­nisse in Kapitel 2 zusammengefasst. Kapitel 3 und Kapitel 4 befassen sich mit den beiden Fertigungsverfahren FDM und mSLA, um das Verständnis für den in Kapitel 6 dokumen­tierten Verfahrensvergleich zu erleichtern. Hierbei werden die Funktionsprinzipien erläutert sowie die Vor- und Nachteile erfasst. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem mSLA-Verfah- ren, bei dem zusätzlich die historische Entwicklung, das Prinzip der Polymerisation sowie eine Materialübersicht betrachtet wird. Um den Umgang mit dem Prusa SL1 zu erleichtern werden in Kapitel 5 die für die Fertigung benötigten Schutzmaßnahmen sowie eine Kurz­anleitung für den Fertigungsprozess geliefert. Kapitel 6 stellt wie bereits erwähnt den Ver­fahrensvergleich dar. Dieser befasst sich sowohl mit konstruktiven Themen wie der Maß­genauigkeit als auch mit wirtschaftlich relevanten Themen wie der Fertigungszeit, dem Ma­schinenstundensatz oder auch dem ökologischen Fußabdruck. Ausgehend vom Verfah­rensvergleich werden in Kapitel 7 weitere Testobjekte entworfen, angefertigt und ausgewer­tet, um als Ergebnis eine vollumfängliche Konstruktionsrichtlinie für den SL1 stellvertretend für den mSLA-Druck zu erhalten und somit eine möglichst gute Vorbereitung für den Ferti­gungsprozess zu ermöglichen. Um den Prozess der Herstellung zusätzlich zu optimieren werden in Kapitel 8 Werkstoffeigenschaften durch Zugversuche ermittelt, bei denen die Auswirkungen verschiedener Parametereinstellungen getestet werden. Das Resultat ist eine optimale Einstellung der Parameter für Bauteile, die eine maximale Zugbelastung auf­nehmen sollen. Mit der Konstruktionsrichtlinie sowie den ermittelten Parametereinstellungen und dem Handhabungswissen wird schlussendlich in Kapitel 9 die Machbarkeit eines Formeinsatzes für das Spritzgießen validiert.

2. Grundlagen des Additive Manufacturing

Im folgenden Kapitel werden die Grundlagen, die Begrifflichkeiten, die Anwendungsgebiete und der allgemein Prozessablauf der additiven Fertigungsverfahren beschrieben. Des Wei­teren wird der technische Reifegrad aufgezeigt und ein Überblick über die unterschiedlichen technologischen Prinzipien verschafft.

2.1 Additive Manufacturing

Neben dem englischen Begriff „Additive Manufacturing“ und dem der deutschen Überset­zung additive Fertigungsverfahren existieren weiter Synonyme wie beispielsweise „genera­tive Fertigung“. [3, 4]

Laut Burns 1993 lassen sich Fertigungsverfahren bezogen auf die Erzeugung der Geomet­rien in drei Hautgruppen unterteilen. Es wird unterschieden in subtraktive Prozesse, forma­tive Wandlungen und den schichtweisen Aufbau. Letzteres wird wiederum unterteilt in ad­ditiven und generativen Aufbau wie in Abbildung 1 zu sehen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Einteilung der Fertigungsverfahren nach 5

Subtraktive Fertigungsverfahren erzeugen Geometrien durch das Abtragen von Rohmate­rial in definierten Bereichen durch Fräsen, Drehen, Bohren oder anderen materialabtra­gende Verfahren. Formatives Fertigen erzeugt Werkstücke, ohne dabei das Volumen des Materials zu ändern. Beispiele hierfür wären das Giesen oder Tiefziehen. Bei der Additiven Fertigung wird die gewünschte Form durch Aneinanderfügen einzelner Bauteilscheiben er­reicht. Der Unterschied zu den Generativen Verfahren ist, dass sich bei den Additiven le­diglich die Geometrie des Werkstoffes ändert und bei den Generativen zusätzlich die Werk­stoffeigenschaften. Eine Differenzierung findet jedoch in der Praxis nicht statt. 6

Als AM werden also Verfahren bezeichnet, bei denen dreidimensionale Werkstücke schicht­weise produziert werden. Umgangssprachlich und medial wird als Oberbegriff dieser Ferti­gungsverfahren hauptsächlich „3D-Druck“ verwendet. Hierbei besteht allerdings eine Ver­wechslungsgefahr, da der Begriff im technischen Sinne lediglich das Verfestigen eines pul­verförmigen Stoffes durch einen Binder konkret als 3D-Printing, kurz 3DP, zu Deutsch „3D- Drucken“ bezeichnet. 4

Mit der VDI-Richtlinie 3405 veröffentlichte der Verein Deutscher Ingenieure weitgehende Verfahrensgrundlagen, Begrifflichkeiten und Verfahrensbeschreibungen verschiedener ad­ditiver Fertigungsverfahren und definiert darüber hinaus Qualitätsmerkmale, Rahmenbedin­gungen zur Prüfung einzelner Bauteile und Inhalte von Liefervereinbarungen. Entspre­chend dieser allgemein gültigen Richtlinie erfolgt die Fertigung nicht materialabtragend, wie beispielsweise beim Drehen, sondern materialzuführend. Dies erfolgt ohne Verwendung von Formen und Werkzeugen durch Hinzufügen von Material oder durch Phasenübergang verschiedener Materialien vom flüssigen oder pulverförmigen in den festen Zustand. 3

2.2 Anwendungsgebiete

Die AM wird in die zwei Hauptanwendungsebenen Rapid Prototyping und Rapid Manufac­turing unterteilt wie in Abbildung 2 zu sehen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Anwendungen Additiver Fertigungsverfahren nach 4

Der Begriff Rapid Prototyping bezeichnet die Herstellung von Modellen und Prototypen un­ter der Anwendung additiver Fertigungsverfahren. Die hierbei gefertigten Teile besitzen kei­nen Produktcharakter, sondern einzig und allein einzelne, für das Endprodukt repräsenta­tive Eigenschaften oder Funktionalitäten. Es geht darum ein erstes, aber aussagekräftiges Modell zu schaffen, welches gleichzeitig möglichst schnell und einfach gefertigt werden kann. Gegenüber dem späteren Produkt ist ein solches Modell sehr abstrakt. 4

Dient ein Rapid Prototyping lediglich zur Herstellung eines dreidimensionalen Anschau­ungsobjekt, so wird dies als Solid Imaging oder synonym als Concept Modeling bezeichnet. Wenn jedoch das Bauteil einzelne Funktionen des späteren Produkts aufweist, wird dies als Functional Prototyping bezeichnet. Hierbei muss das Erscheinungsbild nicht dem End­produkt entsprechen. Der Funktionsprototyp hat lediglich die Aufgabe die zukünftig ange­strebten Produkteigenschaften abzusichern und somit als Erprobungsobjekt zu fungieren. Prototype Tooling ist dem Functional Prototyping zuzuordnen und bezeichnet die Herstel­lung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen mittels Prototypmaterialien. Da es geeignet ist, um die Kluft der Werkzeugverfügbarkeit zwischen Prototyp- und Serienwerkzeug zu überbrücken wird es auch Bridge Tooling genannt. 4

Die Herstellung von Bauteilen mit Endproduktcharakter unter Anwendung additiver Ferti­gungsverfahren wird als Rapid Manufacturing bezeichnet. Hierbei wird differenziert zwi­schen Direct Manufacturing, dem Fertigen von Endprodukten, und dem Direct Tooling, dem Herstellen von Werkzeugen, Werkzeugeinsätzen oder auch Prüflehren. Derart hergestellte Bauteile sind geeignet für die Serienproduktion. 4

Rapid Tooling bezeichnet die Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen, be­gründet jedoch technologisch keine eigene Anwendungsgruppe, sondern ist je nach Bauteil und verwendetem Material dem Rapid Prototyping als Prototype Tooling oder dem Rapid Manufacturing als Direct Tooling zuzuordnen. 4

2.3 Allgemeiner Prozessablauf

Bei dem schichtweisen Aufbau des AM entfällt der Schritt der Werkzeugherstellung, was Schnelligkeit und ein hohes Maß an Flexibilität bewirkt. Der Prozessablauf dieser Form der direkten Herstellung ausgehend von 3D-CAD-Daten wird in Abbildung 3 illustriert. 3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Prozessablauf des AM nach 3

Der Gesamtprozess lässt sich in drei wesentliche Hauptprozesse untergliedern: den Pre-, den In-, und den Post-Prozess. Während des Pre-Prozesses werden produktionsvorberei­tende Maßnahmen durchgeführt. Zunächst wird mittels einer CAD-Software ein dreidimen­sionales Bauteil generiert. 3

Neben den zum Konstruieren benötigten Geometriedaten werden beispielsweise auch In­formationen über den Werkstoff oder die Oberflächengüte festgelegt. Die Generierung die­ses CAD-Modells geschieht zum Großteil auf Basis einer 2D-Zeichnungen. 4 Anschlie­ßend muss das CAD-Modell in eine STL-Datei umgewandelt werden. Dieses Format gilt als Industriestandart und wird von den meisten AM-Anlagen unterstützt. Durch die Konversion wird das Modell in ein Netz aus Dreiecksflächen umgewandelt wie in Abbildung 4 zu sehen ist. 7

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: STL-Dateien unterschiedlicher Auflösungen 7

Je kleiner die Dreiecke, desto höher ist die Auflösung des Bauteils. Damit steigt die Druckqualität, jedoch auch die Dateigröße. Neben dem STL Format existieren noch zahl­reiche weitere Formate, wie z.B. STEP oder auch IGES. 7 Nun kann das Modell in STL- Format in einen sogenannten Slicer übertragen werden. Ein Slicer ist eine Software, welche aus dem Volumenmodell die Schichtdaten generiert. Zusätzlich können im Slicer beispiels­weise Stützstrukturen erzeugt werden oder die Anordnung des Bauteils im Bauraum be­stimmt werden, also die Vorbereitung der Daten abgeschlossen werden. [3, 4] Als letzten Vorbereitungsschritt wird die Anlage vorbereitet in Form von einer Befüllung der Materialien oder einer Kalibrierung. 3

Anschließend folgt der In-Prozess, der den eigentlichen Fertigungsprozess als schichtwei­sen Bauteilaufbau, sowie das Entpacken oder Entnehmen der Bauteile aus der Anlage be­schreibt. 3 Gegebenenfalls gehört auch ein Abkühlprozess nach Beendigung der eigentli­chen Fertigung in Abhängigkeit vom verwendeten Verfahren zum In-Prozess. 8

Abschließend werden im Post-Prozess die Arbeitsschritte zusammengefasst, die nach der Entnahme des Bauteils erforderlich sind, um das Produkt tatsächlich nutzen zu können. Je nach Fertigungsverfahren müssen zunächst Stützstrukturen oder Pulverrückstände entfernt werden. Optional durchläuft das Werkstück anschließend einen Veredelungsprozess, wie z.B. das Entgraten, das Sandstrahlen oder auch das Polieren von Oberflächen. [3, 8]

2.4 Technischer Reifegrad des AM

Das AM ist mittlerweile in den verschiedensten Branchen angelangt und verfügt über ver­schieden stark ausgeprägte technische Reifegrade. Eine Bewertung der vier Branchen Me­dizintechnik, Automobil, Werkzeugbau und Luft- und Raumfahrt mit einer Skala von 1 - 10 zeigt Abbildung 5.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Reifegrad des Additive Manufacturing nach 9

Während in der Zahnmedizin AM bereits in der voll ausgelasteten Produktion eingesetzt wird und im Werkzeugbau sowie der Luft- und Raumfahrt bei teilweise ausgelasteter Pro­duktion, ist die Technologie in der Automobilbranche erst im Labor validiert und hat ein­gangs seine Grundfähigkeit bewiesen. 9 Andere Quellen widerlegen den noch nicht so weit ausgebauten Reifegrad der Automobilindustrie. Beispielsweise lief die Serienproduk­tion der Führungsschienen für Fenster des BMW i8 Roadsters komplett über Additive Fer­tigung. 10 AM wird nicht mehr nur für den Prototypenbau, sondern auch immer mehr für die Fertigung von Serienteilen genutzt. Der Hauptgrund hierfür ist der stetige Fortschritt in der Technik und die damit verbundene steigende Reproduzierbarkeit der Bauteilqualität. Immer schneller ablaufende Bauprozesse gepaart mit wachsendem Automatisierungsgrad sorgen für zunehmend produktivere Systeme gefolgt von geringeren Stückkosten. 11

2.5 Übersicht der technologischen Prinzipien

Das AM bietet eine große Vielfalt an unterschiedlichen Verfahren, welche jedoch alle auf dem Prinzip des schichtweisen Bauteilaufbaus beruhen. In Abbildung 6 werden beispielhaft einige der bedeutendsten Herstellungsverfahren aufgeführt. Die Abbildung dient lediglich zum Verschaffen eines Überblickes und stellt nicht die Gesamtheit aller Verfahren dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Technologieübersicht des Additive Manufacturing nach 10

Alle additiven Fertigungsverfahren lassen sich nach ihren physikalischen Prinzipien in fünf grundlegende Familien aufteilen. Diese sind generisch bezeichnet und müssen von den spezifischen Markenbezeichnungen verschiedener Hersteller unterschieden werden. 10

Die in Abbildung 6 aufgeführten Verfahren werden nachfolgend jeweils kurz beschrieben. Die zwei grün hervorgehobenen Verfahren der Stereolithographie und des Fused Deposi­tion Modeling sind Gegenstand der weiteren Untersuchungen und werden im Kapitel 3 und Kapitel 4 ausführlich erläutert.

Flüssiges Photopolymer wird beim Polyjet Modeling (PJM) mittels Druckköpfen auf die Bau­plattform aufgebracht. Dieses wird dann gleichzeitig durch einen synchron mit dem Druck­kopf bewegten, doppelten Lichtvorhang aus Hochleistungs-UV-Lampen verfestigt. Beim Multi Jet Fusion (MJF) wird eine wärmeleitende Flüssigkeit mittels Druckkopf auf eine Schicht aus Materialpulver gespritzt. Durch eine anschließend eingesetzte Hitzequelle, ver­schmilzt der zuvor mit Flüssigkeit benetzte Bereich und es wird eine neue Schicht Materi­alpulver aufgetragen.

Das Selektive Lasersintern (SLS) stellt ein Druckverfahren dar, bei dem ein Materialpulver schichtweiße aufgetragen und unter Schutzatmosphäre mittels eines Lasers verschmolzen wird. Hiermit lassen sich Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie z.B. Kunststoff, Metall oder auch Keramik fertigen. Selektives Laserschmelzen (SLM) funktioniert nach demselben Prinzip wie das Selektive Lasersintern, nur mit dem Unterschied, dass der Fo­kus hierbei auf der Herstellung metallischer, sehr dichter Teile liegt. Wird nicht mit einem Laser, sondern mit einem Elektronenstrahl örtlich Material aufgeschmolzen, so wird dieses Verfahren Electron Beam Melting (EBM) genannt. Das EBM auch Elektronenstrahlschmel­zen genannte Verfahren findet unter Vakuum in einem komplett abgedichteten Bauraum statt.

Beim Laminated Object Manufacturing (LOM) werden klebstoffbeschichtete Folien von ei­nem Laser zugeschnitten und anschließend schichtweise aufeinander geklebt. Eine Wei­terentwicklung dieses Verfahrens stellt das Selective Depostition Lamination (SDL) dar. Hiermit lässt sich handelsübliches Druckerpapier durch Beschichtung mit flüssigem Kleb­stoff schichten. Statt einem Laser wird dabei eine Wolfram-Karbid-Klinge zum Ausschnei­den der Schichten verwendet.

3. Fused Deposition Modeling

In diesem Kapitel wird speziell das Fertigungsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) beschrieben, da dies die Grundlage des im Kapitel 6 durchgeführten Verfahrensvergleich darstellt. Neben der genauen Funktionsweise werden auch die Vor- und Nachteile des Ver­fahrens erläutert.

3.1 Funktionsprinzip

Fused Deposition Modeling ist eine eingetragene geschützte Markenbezeichnung für einen von der Firma Stratasys erfundenen Prozess unter der Hauptgruppe der Fused Layer Ma­nufacturing . Hierbei wird drahtförmiger Kunststoff als Druckmaterial durch eine beheizte Düse aufgeschmolzen und linienförmig auf die Druckplattform aufgetragen wie in Abbildung 7 zu sehen ist. 10

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der drahtförmige Kunststoff, das sogenannte Filament, besteht meistens aus ABS, PC, PLA oder PETG. Dieses Material wird dem Extrusionskopf kontinuierlich zugeführt. Dabei wird es aufgeschmolzen (ca. 80 °C bei ABS-Kunststoffen) und durch eine Düse, welche den Strangdurchmesser bestimmt, auf die Bauplattform extrudiert. Der Düsendurchmesser be­trägt üblicherweise zwischen 0,1 und 0,3 mm und gibt damit das Mindestmaß in x-y-Rich- tung an. Mithilfe von kleinen Extrudierdüsen können auch geringere Toleranzen gefertigt werden, allerdings erhöht sich dadurch auch die Bauzeit. Die Schichtdicke und die damit verbundene Maßgenauigkeit in z-Richtung hängt von der Genauigkeit ab, mit der der Extru­sionskopf mittels eines Motors nach oben bewegt werden kann. Nach dem Auftragen der ersten Schicht kühlt das Material ab und erhärtet, wodurch eine feste Basis entsteht. Als nächstes wird der Extruder um den Betrag einer Schichtdicke angehoben und die nächste Schicht wird aufgetragen. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist. 10

Das Funktionsprinzip des FDM wird nicht nur bei professionellen Produktionsmaschinen verwendet, sondern auch in Form einer günstigeren Variante bei Maschinen für den Privat­anwender oder für die Lehre. 13

Professionelle FDM-Maschinen besitzen einen zusätzlichen Extruder, der Stützmaterial aus einem anderen Material als das Bauteilmaterial extrudiert. Die günstigere Variante hinge­gen verwendet für das Stützmaterial das gleiche Material wie für das Bauteil. 10

Im weiteren Verlauf der Arbeit wird in Kapitel 6 die Anwendung einer Variante für die Lehre thematisiert. Hierbei wird der FDM-Drucker MINI des Herstellers Prusa verwendet.

3.2 Vor- und Nachteile des FDM-Verfahrens

3.2.1 Vorteile

Aufgrund des vergleichsweisen geringen Anschaffungswertes der Maschinen ist das FDM- Verfahren vor allem für Unternehmen mit geringem bis mittlerem Prototypenbedarf interes­sant. Durch die Verwendung von Material, welches leicht verarbeitet werden kann in Ver­bindung mit kleinen Abmaßen der Maschinen erfordert das FDM-Verfahren keine speziellen Produktionsräume und gilt daher als „bürotauglich“. 13

3.2.2 Nachteile

Für kleine, komplexe Teile ist das Verfahren aufgrund des gegebenen Durchmessers der Extrudierdüse eher ungeeignet. Wird die Oberflächenqualität mit der anderer generativen Verfahren verglichen, so schneidet das FDM-Verfahren nicht gut ab. Besonders in Z-Rich­tung kommt es zu Ungenauigkeiten in Form von sichtbaren Schichten. Es besteht zwar die Möglichkeit einer Oberflächenglättung durch Bedampfen mit Aceton, jedoch ist dies sehr aufwendig. Die Materialkosten sind höher als bei anderen Verfahren, beispielsweise etwa viermal so hoch als beim Lasersintern. Die Stabilität bei Belastung entgegen der Baurich­tung ist wesentlich höher als bei Belastungen in Baurichtung. So kann es sogar vorkommen, dass sich die einzelnen Schichten unter Last voneinander ablösen. 13

Die Vor- und Nachteile des FDM-Verfahrens sind in Abbildung 8 zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Vor- und Nachteile des FDM-Verfahrens (eigene Darstellung)

4. Masked Stereolithographie (mSLA)

Im folgenden Kapitel wird dem Leser grundlegendes Wissen über das additive Fertigungs­verfahren Masked Stereolithographie vermittelt. Es wird die genaue Funktionsweise, ihre Herkunft, das Prinzip der Polymerisation, sowie Vor- und Nachteile des Verfahrens erläutert. Speziell wird dabei auf die Eigenschaften des im weiteren Verlauf verwendeten Druckers, dem SL1 vom Hersteller Prusa eingegangen.

4.1 Funktionsprinzip

Die Masked Stereolithographie, zu Deutsch maskierte Stereolithographie, basiert auf der Verfestigung von flüssigen Kunstharzen mittels Bestrahlung durch UV-Licht. Diese Kunst­harze werden auch umgangssprachlich als Harz oder im englischen als Resin bezeichnet. Der Aufbau eines mSLA-Druckers wird in Abbildung 9 modellhaft dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Funktionsprinzip mSLA-Verfahren (eigene Darstellung)

Als Lichtquelle werden statt einem Laser wie bei der Standardform der Stereolithographie in Reihe geschaltete LEDs verwendet. Diese strahlen das UV-Licht durch einen LCD- Screen und somit wird eine komplette Schicht als Maske gehärtet - daher auch der Name des Verfahrens. Das LC-Display hat hierbei die Funktion, die nicht zum Aushärten bestimm­ten Bereiche der einzelnen Querschnittsflächen des Bauteils zu verdunkeln. Die X-Y-Präzi- sion ist somit durch die Pixelgröße des Screens festgelegt. Oberhalb dessen befindet sich eine transparente und flexible FEP-Folie, welche die Unterseite des eigentlichen Resintanks darstellt. Dieser ist befüllt mit dem flüssigen Resin. Oberhalb der Folie befindet sich der eigentliche Bauraum des Druckers. Die Bauplattform wird nach jeder gehärteten Schicht um den Betrag einer Schichtdicke angehoben, und somit entsteht das fertige Bau­teil. Um das Bauteil nach jeder Schicht von der FEP-Folie zu lösen wird der Resintank ge­kippt. Durch das Kippen wird im Vergleich zum vertikalen Absenken weniger Kraft zum Ab­lösen benötigt und das Risiko wird minimiert, dass sich das Bauteil von der Druckplattform löst. Außerdem sorgt das Abkippen für eine bessere Verteilung und Durchmischung des flüssigen Resins.[14, 15]

Nach dem eigentlichen Druck wird das Bauteil von der Druckplattform gelöst und die Stütz­strukturen werden entfernt. Anschließend wird das Teil mit Isopropylalkohol gereinigt, um überschüssiges Resin zu entfernen. Zuletzt muss das Teil getrocknet und anschließend idealerweise in einer UV-Lichtkammer vollständig ausgehärtet werden. 16

4.2 Entwicklung des Verfahrens

Das mSLA-Verfahren beruht auf dem Prinzip des weltweit ersten 3D-Druck-Verfahrens, dem SLA-Verfahren. Dieses wurde Mitte der 80er Jahre von Chuck Hull erfunden und gilt bis heute als der am meisten detaillierte AM-Prozess. Hierbei wurde mittels eines Spiegels und einem Laser von unten das zu härtende flüssige Resin linienförmig abgefahren und somit Schicht für Schicht gehärtet. 10

Die Weiterentwicklung dessen stellte dann das DLP-SLA-Verfahren dar. Hierbei wurde die Laser-Spiegel-Einheit durch einen leistungsstarken Projektor ersetzt. So war es erstmalig möglich eine ganze Schicht auf einmal zu belichten. Dies reduziert die Druckzeit und hat den Vorteil, dass diese nicht mehr vom Volumen abhängig ist, sondern lediglich von der Höhe in Z-Richtung, da es durch die schichtweise Belichtung keinen zeitlichen Unterschied macht, ob das Druckbett voll belegt ist oder nur teilweise. Zudem waren die Maschinen günstiger als die herkömmlichen Laser-SLA Maschinen. 15

Wieder einige Zeit später wurde der Projektor durch ein UV-LED-Array ersetzt und mas­kierte mittels eines LC-Displays, welches durch die Weiterentwicklung von Smartphones und Tablets stark im Preis gefallen war. Somit war es erstmalig möglich mSLA- Drucker unter der 1000 € Marke herzustellen, welche seitdem als erste Wahl im Segment der Budget-Desktop-Resin-Drucker geworden sind. Aufgrund der erhöhten Beliebtheit der mSLA-Drucker, stieg auch die Vielfalt der Resins und sank gleichzeitig im Preis. 15 Abbil­dung 10 zeigt schematisch die einzelnen Verfahren in ihrer Entwicklungsreihenfolge.

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Abbildung 10: Entwicklung der Stereolithographie von Laser SLA zu mSLA nach 17

4.3 Polymerisation

Bei der Stereolithographie werden lichtaushärtende Kunstharze verarbeitet. Die Moleküle des Kunstharzes vernetzen sich durch die Einwirkung von UV-Strahlung. Dieser Vorgang wird auch Polymerisation genannt.

Bei der Polymerisation handelt es sich um eine chemische Kettenreaktion, bei der ein Ge­misch aus Einzelmolekülen (Monomeren) zu einem Makromolekül (Polymer) reagiert. Die dabei entstehenden vernetzten Polymere erzielen somit das Endprodukt in Form von aus­gehärtetem Kunststoff (siehe Abb. 11). 18

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Abbildung 11: schematische Polymerisation 18

Die Basis, der in der additiven Fertigung verwendeten Kunstharze, sind Monomere, welche aus Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen bestehen und durch Wärme oder Katalysatoren auf­spaltbare Doppelbindungen besitzen. Es wird unterschieden in radikalische, kationische und anionische Polymerisation, wobei nur die beiden zuerst genannten Relevanz für den Einsatz als Additive Manufacturing-Verfahren haben und sich in drei Phasen aufteilen las­sen:

- Startreaktion,
- Kettenfortpflanzungsreaktion,
- Abbruchreaktion. 4

Bei der Startreaktion werden durch die Einwirkung von äußerer Energiezufuhr Bindungen gespalten. Dadurch entstehen freie Radikale, welche mindestens ein ungepaartes Elektron besitzen und somit besonders reaktionsfreudig sind.

Bei der Kettenfortpflanzungs- oder auch Wachstumsreaktion reagiert das zuvor entstan­dene Radikal mit dem doppeltgebundenen Kohlenstoff im Monomer. Dabei entsteht auf ei­ner Seite dieses Monomers ein neues Radikal, welches erneut mit einem Monomer reagiert und somit eine Polymerkette bildet.

Die Abbruchreaktion unterbindet die Fortpflanzung der Kette. Dies geschieht meist durch eine Rekombination oder durch die Disproportionierung. Bei der Rekombination binden sich zwei Radikale und sind somit nicht mehr reaktiv (siehe Abb. 12). 18

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Abbildung 12: Kettenabbruch durch Rekombination 18

Beim Abbruch der Kette durch die Disproportionierung verbindet sich ein Radikal mit einem Wasserstoffatom eines anderen Radikals (siehe Abb. 13). Dadurch entsteht eine Kohlen­wasserstoff-Bindung und das Radikal ist somit nicht mehr reaktiv. An dem Radikal, an dem ein Wasserstoffatom fehlt, entsteht eine Doppelbindung zwischen Kohlenstoffatomen. Dadurch nimmt auch die Reaktivität dieses Moleküls ab. Bei der Disproportionierung ent­stehen somit Alkane und Alkene. 18

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Kettenabbruch durch Disproportionierung 18

Um die Polymerisation räumlich zu begrenzen, also gezielt einzelne Regionen aushärten zu können, wird dem Monomer ein Initiator beigemengt, der durch den Einfluss eines Pho­tons einer bestimmten Wellenlänge in zwei Radikale zerfällt. Da die Polymerisation nur durch die Radikale gestartet werden kann, bleibt sie auf den Photonenstrahlung ausgesetz­ten Bereich beschränkt.

Wenn sich Monomere zu Polymerketten verfestigen, verdichtet sich das Material und ruft somit eine Schrumpfung des Harzes hervor. Durch diese Schrumpfung entstehen Span­nungen im Bauteil, die zu Rissbildungen oder Verzug führen können. Epoxidharze schrump­fen um circa 0,06 % und Acrylate um circa 0,6 %. 4

4.4 Vor- und Nachteile des mSLA-Verfahrens

4.4.1 Vorteile

Aufgrund der Belichtung einer kompletten Schicht macht es keinen Unterschied in Bezug auf die Druckzeit, ob das Druckbett voll belegt ist mit beispielsweise zehn Teilen oder nur mit einem Teil (siehe Abb. 14). Die Höhe des Bauteils in Z-Richtung ist hierbei der druck­zeitbestimmende Faktor, welcher in beiden Fällen gleich ist. 15

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Abbildung 14: identische Druckzeit von 2 h 5 min 58 s (eigene Darstellung)

Das Verfahren ist weitaus genauer und liefert eine bessere Oberflächenqualität als FDM- Drucker aus demselben Preissegment. Einzelne Schichten sind hierbei mit dem bloßen Auge kaum erkennbar. 13

Genau diese hohe Fertigungsgenauigkeit führt dazu, dass komplexe Formen und filigrane Teile produzierbar sind. Des Weiteren ist es möglich transparente Bauteile zu fertigen, was besonders im Concept Modelling nützlich sein kann, wenn das Innenleben von Bauteilen sichtbar sein soll, ohne das Bauteil zu schneiden. 19

4.4.2 Nachteile

Die verwendeten Kunstharze sind nur begrenzt haltbar. Außerdem werden umfangreiche Schutzmaßnahmen wie beispielsweise Handschuhe oder Abluftsysteme benötigt, um die Handhabung des hautunverträglichen Resins für den Maschinenbediener sicher zu gestal­ten. Der erhöhte Arbeitsaufwand durch Waschen, Trocknen und Härten nach dem Druck ist zudem zeitaufwendig. 13

Die Entsorgung des überschüssigen Harzes darf auf keinen Fall im flüssigen Zustand in die Entwässerung gelangen. Beispielsweise sollten resingetränkte Papiertücher von der Säu­berung des Resintanks erst gehärtet und anschließend als Kunststoffabfall entsorgt wer­den. 16

Verhältnismäßig hohe Materialkosten sorgen für hohe Fertigungskosten. Außerdem können lediglich einfarbige Modelle hergestellt werden. 19

Die Vor- und Nachteile des mSLA-Verfahrens sind in Abbildung 15 zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15: Vor- und Nachteile des mSLA-Verfahrens (eigene Darstellung)

4.5 Materialübersicht Harze für den Prusa SL1

Durch den stetigen Fortschritt in der Entwicklung neuer mSLA-Drucker, auch für den Ge­brauch durch Laien, steigt auch die Anzahl der verfügbaren Druckmaterialien, welche als Resin oder zu Deutsch als Harze bezeichnet werden. Bei der Auswahl des richtigen Harzes gilt es zu beachten, dass dieses bei der vom mSLA-Drucker ausgegebenen Wellenlänge erstarrt. Im Fall des Prusa SL1 sind dies 405 nm.

Generell unterteilen sich die Resins je nach Anwendungsform in fünf Hauptgruppen: Stan­dard, Tough, Flexible, Dental und Castable (siehe Abb. 16).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16: Materialgruppierungen (eigene Darstellung)

Sie unterscheiden sich hauptsächlich hinsichtlich der benötigten Aushärtezeit, der erreich­baren Festigkeit und Schlagzähigkeit, sowie der Maßhaltigkeit in Bezug auf Oberflächen­genauigkeit und Schrumpfverhalten.

Castable Resin ist ein Acrylat- Photopolymer und wird verwendet, um filigranen Schmuck, wie z.B. Ringe mit Gravuren, oder auch Medaillen im Feingussverfahren herzustellen. Die Besonderheit dieses Harzes liegt darin, dass es beim Gießprozess rückstandlos verbrannt wird und keine toxischen Verbindungen bildet, welche eventuell die Gussform kontaminie­ren könnten. Die gewünschte Werkstückform wird hierbei konstruiert, gedruckt, anschlie­ßend beispielweise in Gips eingebettet und ausgegossen (siehe Abb. 17). 20

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 17: Anwendungsbeispiel Castable Resin 20

Dental Resin findet Anwendung in der Zahnmedizin. Die verwendeten Harze bieten eine im Vergleich besonders hohe Maßhaltigkeit für die Herstellung von präzisen kieferorthopädi­schen Modellen oder Bohrschablonen. Des Weiteren stehen eine Auswahl an biokompatib­len Werkstoffen zur Verfügung, welche es ermöglichen temporäre Kronen- oder Brücken­vorrichtungen als Provisorium für 30 Tage oral zu nutzen oder auch Zahnschienen für den unbegrenzten Gebrauch herzustellen (siehe Abb. 18). 21

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 18: Anwendungsbeispiel Dental Resin 21

Tough Resin wird verwendet für die Herstellung funktionaler Prototypen, Vorrichtungen, Fertigungshilfsmittel, oder Baugruppen wie Designs mit Schnappverbindungen. Es besitzt ähnliche mechanische Eigenschaften wie der Thermoplast ABS. Ein ausgewogenes Ver­hältnis zwischen Festigkeit und Flexibilität ermöglicht es mittels Tough Resin funktionsfä­hige Prototypen zu fertigen (siehe Abb. 19). Außerdem ermöglicht eine hohe Hitzebestän­digkeit einiger spezieller Harze den Einsatz als Spritzgusswerkzeug für Erprobungen oder kleine Stückzahlen. 22

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 19: Anwendungsbeispiel Tough Resin 22

Standard Resin eignet sich für Konzeptmodelle und Prototypen, ohne besonders hohe An­sprüche an Festigkeit oder Maßgenauigkeit. Im Segment der Standardharze existieren auch Sonderformen, wie z.B. Resins ohne schädliche Chemikalien oder ohne BPA, welche zur Herstellung von Spielzeug für Kinder geeignet sind (siehe Abb. 20). Sie stellen die ein­fachste Form der Resins dar und sind daher auch die günstigsten.

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Abbildung 20: Anwendungsbeispiel Standard Resin 23

Flexible Resin sind Kunstharze, welche Elastomere nachahmen und eine gummiartige Hap­tik bieten. Verwendet werden diese beispielsweise bei der Fertigung von Dichtungen, Stem­peln, Prototypen von ergonomischen Griffen oder Spielzeugautoreifen (siehe Abb. 21).

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Abbildung 21: Anwendungsbeispiel Flexible Resin 24

Unter den fünf Hauptgruppen gibt es zusätzliche zahlreiche Resins mit Besonderheiten für nahezu jeden Anwendungszweck. Beispielsweise reizarme Harze ohne Schwermetalle, bi­ologisch abbaubare Harze, umweltfreundliche Harze auf Basis von Sojaöl oder auch Harze, welche mit Wasser abwaschbar sind und somit kein Isopropylalkohol zur Nacharbeit benö­tigen.

Im Folgenden werden die verschiedenen Harzgruppierungen in Bezug auf den Netto-Ein­kaufspreis ausgewertet und verglichen. Dabei werden 38 verschiedene Harze verschiede­ner Hersteller, unterschiedlicher Webseiten, aus verschiedenen Gruppen untersucht und jeweils mit einem Durchschnittswert und der dazugehörigen Preisstreuung in Abbildung 22 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 22: Preisgestaltung verschiedener Resingruppen (eigene Darstellung)

Deutlich zu erkennen ist, dass mit steigender Maßhaltigkeit der Harze von standard zu cas­table auch der Preis steigt. So ist ein durchschnittliches castable Resin circa drei Mal so teuer wie ein durchschnittliches standard Resin. Die flexible Resins sind mit einem Durch­schnittspreis von 105,99 € günstiger als die dental Resins, jedoch teurer als die tough Resins. Auffallend ist die enorme Preisspanne der dental Resins im Vergleich zu den rest­lichen Harzen. Dies ist zu begründen mit den deutlich größeren Qualitätsunterschieden und Anwendungsmöglichkeiten innerhalb der Gruppe der dental Resins.

Bei der Untersuchung der Härte der ausgehärteten Werkstoffe wird bewusst das castable Resin ausgelassen, da aufgrund der Anwendungsgebiete die Materialhärte als Kriterium nicht im Vordergrund steht. Die Härte der Materialien wird hierbei in Shore D-Skala ange­geben (siehe Abb. 23).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 23: Materialhärte verschiedener Resingruppen (eigene Darstellung)

Hierbei ist zu sehen, dass die Materialhärte von standard über tough zu dental steigt. Somit lässt sich feststellen, dass mit zunehmender Härte der Materialien auch der Preis der Harze steigt mit Ausnahme der flexible Resins, welche jedoch auch absichtlich eine deutlich ge­ringere Härte aufweisen.

5. Umgang mit dem Prusa SL1 und dem CW1

Als Set erhältlich bietet der Prusa SL1 als kompakter mSLA-Drucker zusammen mit der dazugehörigen CW1 als Wasch-, Trocken-, und Härtestation den Einstieg in das Thema additive Fertigung mittels Stereolithographie. Diese Art von AM bringt jedoch im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren Besonderheiten in der Anwendung und Handha­bung mit sich. Das folgende Kapitel liefert Aufschlüsse über die benötigten Schutzmaßnah­men sowie eine Kurzanleitung zur Bedienung der Geräte.

5.1 Schutzmaßnahmen

Der Hautkontakt mit dem verwendeten flüssigen Harzen kann zu gesundheitlichen Be­schwerden, wie z.B. Juckreiz führen. Um dies zu verhindern wird empfohlen während der Handhabung mit den Druckmaterialien Nitrilhandschuhe zu verwenden. Umliegende Ver­schmutzungen aufgrund tropfenden Harzes sind sofort zu beseitigen, um ungewollten Kon­takt zu vermeiden. Es wird empfohlen lange Kleidung zu tragen, die möglichst viel offene Körperstellen bedeckt, falls es zu einem versehentlichen Verschütten des Harzes kommt. Sollte es trotzdem zu Hautkontakt kommen, sollte umgehend die betroffene Körperstelle mit Wasser und Seife gesäubert werden. Treten im Nachgang allergischen Reaktionen auf oder gelangt das Resin in die Augen, so ist sofort ein Arzt aufzusuchen. Daher ist es auch sinnvoll präventiv eine Schutzbrille zu tragen. Da während dem Druckprozess schädliche Dämpfe des Harzes entstehen können, sollte auf eine Atemmaske oder alternativ eine Ab­luftanlage zurückgegriffen werden. In Abbildung 24 werden die erforderlichen Schutzmaß­nahmen visuell dargestellt. 16

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 24: Schutzmaßnahmen für Prusa SL1 und CW1 (eigene Darstellung)

Nach der Entnahme des fertigen Bauteils wird es im Prusa CW1 mit IPA gewaschen. IPA ist entzündlich und reizt neben den Atmungsorganen auch die Haut. Daher sollten auch hierbei Schutzhandschuhe sowie Atemmaske getragen werden, solange die Modelle noch nicht vollständig ausgehärtet sind.

Da die menschliche Hornhaut im Auge hohe Mengen an UV-Licht absorbieren kann, ist diese sehr empfindlich gegenüber UV-Strahlung. Werden die Augen über längere Zeit der Strahlung ausgesetzt, so kann dies zu Hornhautentzündungen, Makuladegeneration oder Katarakt führen, was schließlich auch eine Erblindung hervorrufen kann. Daher sollte nie direkt in das UV-Licht geblickt werden. Um beispielsweise das UV-LED-Panel auf die Funk­tionsfähigkeit zu überprüfen, bietet es sich stattdessen an über eine Handy-Kamera ein Foto aufzunehmen. 16

Bei direktem Augenkontakt durch flüssiges Harz oder auch IPA sollte falls vorhanden um­gehend eine Augendusche benutzt werden. Diese befindet sich im Beispiel des Rapid Pro­totyping Labors der Hochschule Offenburg neben dem Waschbecken und sieht folgender­maßen aus (siehe Abb. 25).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 25: beispielhafte Augendusche (eigene Darstellung)

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