In dieser Bachelorarbeit wird die Entwicklung eines additiven Fertigungssystem ( umgangssprachlich 3D-Drucker) beschrieben. Nach einer Einleitung in das Thema 3D-Druck und Materialien wird insbesondere auf die Konstruktion und die Berechnung per FEM-Analyse eingegangen.
Additive Fertigungsverfahren, auch bekannt unter den Begriffen generative Fertigungsverfahren, Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing, sind Fertigungsverfahren, welche Bauteile schichtweise aufbauen. Sie werden umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet. Der schichtweise Aufbau ermöglicht die Fertigung von sehr komplexen Bauteilen, welche mit anderen Fertigungsverfahren teilweise gar nicht oder nur mit hohem Aufwand gefertigt werden können. Ausformschrägen oder die Vermeidung von Hinterschnitten müssen nicht beachtet werden, können jedoch abgebildet werden.
Somit lassen sich Prototypen fertigen, welche das äußere Erscheinungsbild wie z.B. dem eines Spritzgussteils haben. Ein weiterer Vorteil dieser Verfahren ist das wesentlich geringe anfallen von Abfall als z.B. bei der subtraktiven Fertigung, wie dem Drehen oder Fräsen. Additive Fertigungsverfahren eignen sich somit hervorragend zur Herstellung von Prototypen und Kleinstserien. Da die Fertigung der Bauteile lange dauert, sind sie für die Großserienproduktion eher ungeeignet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Aufbau der Arbeit
2 Theoretische Grundlagen
2.1 VDI-Richtlinie 2221
2.2 Finite-Elemente-Methode
2.3 FLM-Fertigungsverfahren
2.3.1 Funktionsweise
2.3.2 Geometrische Freiheit
2.3.3 Fertigungszeit
2.3.4 Konstruktionsrichtlinien
2.3.5 Materialien
3 Konzeptentwicklung
3.1 Klärung der Aufgabenstellung
3.1.1 Anforderung Kunststoffe
3.1.2 Dimensionierung
3.1.3 Anforderungsliste
3.2 Bauformen FLM Fertigungssysteme
3.2.1 Kartesische FLM-Fertigungssysteme
3.2.2 Core XY- Fertigungssysteme
3.2.3 Delta- Fertigungssysteme
3.2.4 Polares Fertigungssystem
3.2.5 Förderband Fertigungssystem
3.3 Identifizierung geeigneter Bauform und Funktionseinheiten
3.3.1 Funktionseinheit Grundrahmen
3.3.2 Funktionseinheit Druckkopf
3.3.3 Funktionseinheit X-Achse
3.3.4 Funktionseinheit Y-Achse
3.3.5 Funktionseinheit Z-Achse
3.3.6 Funktionseinheit Druckbett
3.3.7 Funktionseinheit Steuerung
3.4 Konzeptlayout des Fertigungssystems
4 Ausarbeitung
4.1 Ausführung des Fertigungssystems
4.1.1 Extruder
4.1.2 Grundrahmen
4.1.3 X-Achse
4.1.4 Y-Achse
4.1.5 Z-Achse
4.1.6 Druckbett
4.1.7 Steuerungselektronik
4.1.8 Fehlerkorrektur nach Zusammensetzen der Funktionseinheiten
4.2 Kostenabschätzung
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel der Arbeit ist die Konstruktion eines großformatigen, additiven Fertigungssystems auf Basis des Fused Layer Modelling (FLM) für ein mittelständisches Unternehmen, um die in-house Fertigung von Prototypen für Exterieur-Karosseriekomponenten zu ermöglichen.
- Analyse und Auswahl geeigneter Bauweisen für große 3D-Drucksysteme
- Konstruktion modularer Funktionseinheiten unter Verwendung von Normteilen
- Integration einer Finite-Elemente-Methode (FEM) zur verlässlichen Dimensionierung
- Durchführung einer detaillierten Kosten-Nutzen-Abschätzung des Gesamtsystems
- Entwicklung eines montagefreundlichen Konzeptlayouts
Auszug aus dem Buch
2.3.2 Geometrische Freiheit
Der Geometrie eines Bauteils sind nur wenige Grenzen gesetzt. Da der Kunststoff schichtweise aufgetragen wird, ist es möglich Baugruppen wie in Abbildung 4 zu fertigen.
Das abgebildete pfeilverzahnte Lager lässt sich nicht in seine einzelnen Bauteile zerlegen, ohne davon welche zu zerstören. Ebenso ließe es sich nicht zusammenfügen, wenn die einzelnen Bauteile separat gefertigt würden. Der außen liegende Zahnkranz sowie die innenliegenden Zahnräder weisen eine Pfeilverzahnung auf, welche ein axiales Verschieben dieser Bauteile verhindert.
Auch bei diesem Verfahren bestehen Einschränkungen in der geometrischen Gestaltung. Aufgeschmolzenes Filament kann nicht freischwebend abgelegt werden. Es kann lediglich über kleine Überbrückungen gespannt werden, welche Abstände von ca. 5 mm nicht überschreiten. Wie groß diese überbrückten Abstände genau sein können, ist abhängig von dem Material und den Einstellungen im Fertigungssystem. Auch die direkte Kühlung des extrudierten Materials hat hierbei einen großen Einfluss. Bei größeren Abständen oder komplett im Freien zu erstellenden Konturen der Bauteile helfen Stützstrukturen, um die Fertigung zu ermöglichen. Diese müssen nach Abschluss des Fertigungsprozesses jedoch vom Bauteil entfernt werden. Um das Entfernen zu ermöglichen, müssen die Stützstrukturen entweder gut zugänglich sein, so dass diese mit Hilfe einer Zange vom Bauteil gelöst werden können, oder sie können bei manchen hochwertigeren Fertigungssystemen, welche mit zwei Druckköpfen ausgestattet sind, aus einem wasserlöslichen Material erstellt werden. Diese lassen sich dann nach Beendigung des Fertigungsprozesses auswaschen.
Auch die äußeren Eigenschaften der Bauteile weisen einige Besonderheiten auf. So ist es z.B. nicht möglich scharfe Außenkanten zu fertigen, außer an der Seite, welche auf dem Druckbett aufliegt, oder der obersten Schicht des Bauteils. Bei den anderen Seiten des Bauteils lässt sich nichts Kleineres als der Radius der verwendeten Düse abbilden. Dies resultiert aus der Geometrie der verwendeten Düse, welche eine kreisrunde Öffnung besitzt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Grundlagen der additiven Fertigung und umreißt die spezifische Anforderung an das zu konstruierende System zur Prototypenherstellung.
2 Theoretische Grundlagen: Erläutert die angewandte VDI-Richtlinie 2221, die Finite-Elemente-Methode zur Bauteilberechnung sowie die physikalischen Prinzipien des FLM-Verfahrens.
3 Konzeptentwicklung: Dokumentiert die Analyse der Anforderungen, den Vergleich verschiedener Systembauformen und die Identifizierung der optimalen Modulkonfiguration.
4 Ausarbeitung: Detaildarstellung der CAD-gestützten Konstruktion der einzelnen Funktionseinheiten, der Fehlerkorrektur und der finalen Kostenkalkulation des Fertigungssystems.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Resümiert den Entwicklungsprozess, bewertet die Zielerreichung und diskutiert mögliche technologische Erweiterungen des Systems.
Schlüsselwörter
Additive Fertigung, FLM, 3D-Druck, Prototyping, Konstruktion, FEM, Fused Layer Modelling, Maschinenbau, Bauraum, Aluminiumprofil, Schrittmotor, Steuerungseinheit, Fertigungssystem, Karosseriekomponenten, Prozesssicherheit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und konstruktiven Auslegung eines großformatigen 3D-Druckers, der speziell auf die Anforderungen eines Unternehmens für Automotive-Prototypen zugeschnitten ist.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zu den Schwerpunkten zählen die mechanische Konstruktion, die Auswahl geeigneter Materialien, die prozesssichere Auslegung mittels FEM und die wirtschaftliche Kostenplanung.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist die Konstruktion eines robusten FLM-Fertigungssystems, das ohne aufwendige Formenbauschritte die schnelle Produktion von Exterieur-Bauteilen wie Stoßstangen oder Diffusoren ermöglicht.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Verwendet wird das methodische Vorgehen nach der VDI-Richtlinie 2221 sowie eine umfassende Nutzwertanalyse und computergestützte FEM-Simulationen für die strukturelle Stabilität.
Was steht im inhaltlichen Hauptteil im Fokus?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodische Konzeptphase und die anschließende Detailkonstruktion der Funktionsbaugruppen (X-, Y-, Z-Achsen, Extruder, Druckbett).
Welche Schlagworte charakterisieren das Projekt am besten?
Additive Fertigung, Prozesssicherheit, Kostenoptimierung, mechanische Dimensionierung und Skalierbarkeit für spezielle Industrieanforderungen.
Warum wurde ein "Cube"-Design gegenüber klassischen "Gantry"-Systemen bevorzugt?
Das Cube-Design bietet eine höhere strukturelle Stabilität und präzisere Fertigungsqualität, da die bewegten Massen im Vergleich zur Gantry-Bauweise bei hohen Bauraumanforderungen besser beherrschbar sind.
Welche Rolle spielt die verwendete FEM-Analyse im Konstruktionsprozess?
Die FEM-Analyse ist entscheidend, um trotz der Nutzung kostengünstiger Standardkomponenten eine ausreichende Steifigkeit der Achsen zu garantieren und Durchbiegungen unter Extruderlast präventiv zu eliminieren.
- Quote paper
- Jan Thomas (Author), 2023, Konstruktion eines additiven Fertigungssystems zur Herstellung kunststoffbasierter Prototypen für Exterieur- Karosseriekomponenten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1500888
