Die innovative Produktionstechnik namens 3D-Drucken, wissenschaftlich als generative Fertigungsverfahren bezeichnet, zählt zweifelsohne zu den wichtigsten Zukunftstechnologien. Der Studiengang Energieökologie (EOE) der Reinhold-Würth-Hochschule Künzelsau will sich der zahlreichen Vorteile dieses Verfahrens, wie etwa der erhöhten konstruktiven Freiheit der herstellbaren Geometrien, bedienen, um kunststoffbasierte, funktionelle Prototypen für kleine Komponenten, die bei der Mikroenergiegewinnung eine Rolle spielen, herzustellen. Der Fachbereich Mikrosystemtechnik hat sich daher dazu entschlossen, einen hochauflösenden 3D-Drucker für Forschungs- und Entwicklungszwecke zu erwerben.
Ziel dieser Bachelor Thesis ist es, einen Überblick über das Thema 3D-Drucken zu erstellen und auf diesem Wissen aufbauend ein 3D-Druck-System auszuwählen, welches den besonderen Anforderungen des Studiengangs EOE am besten entspricht. Dazu sollen in dieser Arbeit der allgemeine Ablauf der Herstellung eines Prototypens mittels 3D-Druck erklärt, die wichtigsten generativen Fertigungsverfahren und deren Hersteller gegenübergestellt sowie anhand dessen die für den Studiengang infrage kommenden Anlagen eingegrenzt werden. Im Anschluss daran sollen in CAD konstruierte Test-Bauteile beschrieben werden, welche auf diesen Anlagen bei einem 3D-Druck-Dienstleister hergestellt und in den EOE-Laboren auf ihre Detailgenauigkeit hin untersucht werden, sodass am Ende dieser Arbeit ein oder mehrere 3D-Drucker feststehen, welche dem Fachbereich Mikrosystemtechnik empfohlen werden können.
Der Ablauf dieser Untersuchung kann als Modell für ähnliche Auswahlentscheidungen hinsichtlich der Beschaffung einer generativen Fertigungsanlage dienen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Begriffsabgrenzung
1.2 Vorstellung des Labors Energieökologie
1.3 Ziel der Arbeit
1.4 Gang der Untersuchung
2 Eigenschaften der generativen Fertigungsverfahren
2.1 Komplexität der Geometrien
2.2 Komplexität der Bauelemente
2.3 Werkzeuge
2.4 Baugeschwindigkeit
2.5 Genauigkeit
2.6 Programmierung
2.7 Individualisierungen
2.8 Folgerungen
3 Ablauf des generativen Fertigungsprozesses
3.1 3D-Daten-Aufbereitung
3.1.1 3D-CAD-Modellerstellung
3.1.1.1 Herkunft der 3D-Daten
3.1.1.2 Konstruktionsrichtlinien für die 3D-Modellierung
3.1.2 STL-Datei-Erstellung
3.2 Generative Fertigung
3.2.1 Datenübertragung und Rüsten der Maschine
3.2.1.1 Slicing der STL-Datei
3.2.1.2 Reparatur des CAD-Modells
3.2.1.3 Bauprozessvorbereitung
3.2.1.3.1 Positionierung, Orientierung und Skalierung im Bauraum
3.2.1.3.2 Verwendeter Werkstoff und Farbe des Bauteils
3.2.1.3.3 Erstellung von Stützstrukturen
3.2.1.3.4 Schichthöhe
3.2.1.3.5 Fülldichte
3.2.1.4 Protokollierung von Prozessdaten
3.2.1.5 Datenübertragung an die Maschine
3.2.1.6 Rüsten der Maschine
3.2.1.7 Bauprozess überwachen
3.2.2 Fertigung der Bauteile
3.2.3 Maschine abrüsten und Bauteil von Bauplattform entfernen
3.3 Nachbearbeitung
4 Wichtigste generative Fertigungsverfahren
4.1 Fused Layer Modeling (Fused Deposition Modeling)
4.1.1 Prozessbeschreibung
4.1.2 Vorteile
4.1.3 Nachteile
4.2 3D Printing (Pulver-Binder-Verfahren)
4.2.1 Prozessbeschreibung
4.2.2 Vorteile
4.2.3 Nachteile
4.3 Selektives Lasersintern
4.3.1 Prozessbeschreibung
4.3.2 Vorteile
4.3.3 Nachteile
4.4 Stereolithographie
4.4.1 Prozessbeschreibung
4.4.2 Vorteile
4.4.3 Nachteile
4.5 Multi-Jet Modeling (Poly-Jet Modeling)
4.5.1 Prozessbeschreibung
4.5.2 Vorteile
4.5.3 Nachteile
4.6 Weitere generative Fertigungsverfahren
4.6.1 Color Jet Printing
4.6.2 Laminated Object Manufacturing
4.6.3 Selektives Laserschmelzen
4.6.4 Elektronenstrahlschmelzen
5 Wichtigste Hersteller generativer Anlagen
5.1 3D Systems
5.1.1 Profil
5.1.2 Modellpalette
5.1.3 Einschätzung
5.2 Stratasys
5.2.1 Profil
5.2.2 Modellpalette
5.2.3 Einschätzung
5.3 Voxeljet
5.3.1 Profil
5.3.2 Modellpalette
5.3.3 Einschätzung
5.4 EOS
5.4.1 Profil
5.4.2 Modellpalette
5.4.3 Einschätzung
6 Eingrenzung der Auswahl einer generativen Anlage
6.1 Stratasys Objet Eden350
6.1.1 Allgemeine Eigenschaften
6.1.2 Druckbare Werkstoffe
6.2 3D Systems ProJet 3510 HDPlus
6.2.1 Allgemeine Eigenschaften
6.2.2 Druckbare Werkstoffe
7 Eigenschaften der Test-Bauteile
7.1 Drehbarer Becher
7.2 Bewegliche Endloskette
7.3 Filigrane Felge
7.4 Kreis-Gitter
7.5 Quadrate-Gitter
7.6 Rauten-Gitter
7.7 Spalten-Gitter
8 Vergleich der beiden generativen Anlagen anhand der Test-Bauteile
8.1 Materialeigenschaften
8.1.1 Stratasys Objet Eden350
8.1.2 3D Systems ProJet 3510 HDPlus
8.2 Materialverbrauch
8.3 Materialkosten
8.4 Druckzeit
8.5 Benötigte Nacharbeit
8.6 Detail-Auflösung
9 Auswahl einer generativen Anlage
10 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Fachbereich Mikrosystemtechnik des Studiengangs Energieökologie bei der Beschaffung eines geeigneten, hochauflösenden 3D-Druck-Systems zur Herstellung kunststoffbasierter, funktioneller Prototypen für Forschungs- und Entwicklungszwecke zu unterstützen, indem die gängigsten Verfahren und Anlagen evaluiert werden.
- Vergleich generativer Fertigungsverfahren
- Prozessanalyse von der Datenaufbereitung bis zur Nachbearbeitung
- Marktanalyse führender 3D-Drucker-Hersteller
- Technische Bewertung und Testbauteil-Analyse
- Kosten- und Effizienzanalyse für eine Auswahlentscheidung
Auszug aus dem Buch
3.1.2 STL-Datei-Erstellung
Nachdem das zu fertigende Bauteil in einem 3D-CAD-Programm entworfen wurde und auch allen Anforderungen der generativen Anlage entspricht, muss der CAD-Datensatz des Modells in ein maschinenlesbares Format umgewandelt werden. In der Regel wird dieses dazu in das sogenannte STL-Format exportiert. STL steht dabei, je nach Lesart, entweder für STereoLithography, Surface Tesselation Language, Standard Triangulation Language oder Standard Transformation Language. [3]
Werden CAD-Daten im STL-Format gespeichert, so wird die interne Logik des Quellformats verworfen und die Oberfläche des Modells in eine Vielzahl von ebenen Dreiecken (Triangulation bzw. Tesselation) zerlegt und damit die tatsächliche Geometrie beliebig genau angenähert. Auf diese Weise wird zum Beispiel aus einer perfekten Kugel ein durch Dreiecke gekacheltes Objekt (vgl. Abbildung 3-2). [14]
Die Qualität der Annäherung an die ursprüngliche Form hängt dabei maßgeblich von der Anzahl der Unterteilungen ab. Je mehr Dreiecke verwendet werden, umso präziser gelingt die Annäherung – desto größer ist jedoch auch die erzeugte STL-Datei. Beim Export ist es deshalb wichtig, die Einstellungen diesbezüglich zu beachten und entsprechend den eigenen Anforderungen anzupassen (siehe Abschnitt 12.1 Export ins STL-Format in Autodesk Inventor 2014). [14]
„So muss immer ein Kompromiss zwischen Datenmenge und zulässiger Formabweichung für das zu druckende Modell gefunden werden. Werden beim Export der Datei zu wenige Facetten verwendet, ist die Auflösung zu gering. Was rund und glatt sein sollte und im CAD-Modell auch so aussah, kann im 3D-gedruckten Modell grob und eckig werden.“ [15]
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung führt in die Bedeutung generativer Fertigungsverfahren ein und definiert die Zielsetzung der Arbeit sowie den Untersuchungsrahmen.
2 Eigenschaften der generativen Fertigungsverfahren: Dieses Kapitel erläutert die technologischen Vorteile und Herausforderungen generativer Verfahren im Vergleich zu konventionellen CNC-Methoden.
3 Ablauf des generativen Fertigungsprozesses: Hier wird der Prozess von der CAD-Modellierung und STL-Datenaufbereitung über das Slicing bis zur Nachbearbeitung detailliert beschrieben.
4 Wichtigste generative Fertigungsverfahren: Es erfolgt eine wissenschaftliche Darstellung der fünf bedeutendsten Verfahren für Kunststoffbauteile inklusive ihrer Stärken und Schwächen.
5 Wichtigste Hersteller generativer Anlagen: Eine Marktübersicht wichtiger Unternehmen wie 3D Systems, Stratasys, Voxeljet und EOS sowie eine erste Einschätzung deren Anlageneignung.
6 Eingrenzung der Auswahl einer generativen Anlage: Basierend auf den Anforderungen werden zwei Systeme in die engere Auswahl gezogen: Objet Eden350 und ProJet 3510 HDPlus.
7 Eigenschaften der Test-Bauteile: Beschreibung der konstruierten Testmodelle, die zur Validierung der Detailgenauigkeit der ausgewählten Anlagen dienen.
8 Vergleich der beiden generativen Anlagen anhand der Test-Bauteile: Ein direkter technischer und wirtschaftlicher Vergleich anhand von Materialeigenschaften, Kosten, Zeitaufwand und Detailauflösung.
9 Auswahl einer generativen Anlage: Abwägung der Vor- und Nachteile zur fundierten Kaufempfehlung für den Fachbereich.
10 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der Ergebnisse und Empfehlung für das weitere Vorgehen bei der Beschaffung.
Schlüsselwörter
Generative Fertigungsverfahren, 3D-Druck, Rapid Prototyping, Additive Manufacturing, CAD-Modellierung, STL-Format, Slicing, Prototypenbau, Mikrosystemtechnik, Energieökologie, Stratasys, 3D Systems, Fertigungsgenauigkeit, Materialverbrauch, Nachbearbeitung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit vergleicht generative Fertigungsverfahren, um ein geeignetes 3D-Druck-System für den Studiengang Energieökologie zur Herstellung funktioneller Prototypen auszuwählen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Das Spektrum reicht von der theoretischen Basis generativer Verfahren über den gesamten Prozessablauf bis hin zum konkreten Markt- und Anlagenvergleich führender Hersteller.
Was ist das primäre Ziel der Bachelor Thesis?
Das primäre Ziel ist eine fundierte Empfehlung für eine hochauflösende 3D-Druck-Anlage, die den spezifischen Anforderungen des Labors für Mikroenergiegewinnung entspricht.
Welche wissenschaftliche Methode wurde angewandt?
Die Arbeit kombiniert Literaturrecherche mit einer vergleichenden Analyse von Maschinendatenblättern und einer praktischen Untersuchung mittels konstruierter Testbauteile, die auf den Anlagen gefertigt und mikroskopisch vermessen wurden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden der Prozessablauf, verschiedene Druckverfahren (wie FDM, PJM, MJM), die Analyse führender Hersteller und der direkte Vergleich zweier ausgewählter Anlagen detailliert dargestellt.
Welche Schlagworte charakterisieren diese Arbeit?
Die Arbeit ist geprägt durch Begriffe wie additive Fertigung, Prototyping, Detailauflösung, Anlagenvergleich, CAD-Konstruktion und Wirtschaftlichkeit.
Wie unterscheiden sich die Verfahren PJM und MJM in der Nachbearbeitung?
Beim PJM ist die Reinigung oft personalintensiver und beinhaltet Wasserstrahlverfahren, während das MJM durch das berührungslose Abschmelzen von Wachs in einem Umluftofen eine schonendere Reinigung empfindlicher Bauteile ermöglicht.
Welches Ergebnis lieferte die Untersuchung der Test-Bauteile hinsichtlich der Detailgenauigkeit?
Die Untersuchung ergab, dass die ProJet 3510 HDPlus trotz höherer Schichtstärke bei feinen Strukturen wie Bohrungen und Schriftzügen eine bessere Maßhaltigkeit und Detailpräzision aufweist als die Objet Eden350.
Warum wurde das STL-Format als kritisch bewertet?
Das STL-Format wird als Industriestandard zwar fast überall verarbeitet, jedoch enthält es keine Informationen zu Materialeigenschaften, Texturen oder Farben und erfordert für hochpräzise Oberflächen oft große Datenmengen, die zu Qualitätseinbußen führen können.
- Citation du texte
- Robert Komorowsky (Auteur), 2014, Vergleich generativer Fertigungsverfahren zur Auswahl eines 3D-Druck- Systems für die Herstellung von kunststoffbasierten Prototypen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/276371
