Additive Fertigung

Additive Fertigung, 3D-Druck oder Rapid Prototyping/Tooling/Manufacturing ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Bauteile additiv, also schichtweise aus verschiedensten Materialien aufgebaut werden. Im Gegensatz zu den klassischen subtraktiven Verfahren wie etwa Fräsen, Drehen und Bohren sind beim 3D-Druck der Geometrie quasi keine Grenzen gesetzt. Zudem lassen sich mit der additiven Fertigung gleiche Bauteile mit hoher Varianz, Leichtbauteile und Topologie-Optimierungen schnell und kostengünstig realisieren.

Auch in der Industrie findet das Thema „additive Fertigung“ immer mehr Anklang und ist längst kein reines Forschungsthema mehr.

Die additive Fertigung im metallischen Bereich wird im Kompetenzzentrum des addlab@tugraz behandelt. Dort sind mehrere SLM-Maschinen, mit Pre- und Post-Processing Stationen im Einsatz. 

Im Bereich der Polymer-Technik wurde am IFT der Workplace for Rapid Production, kurz „WRaP“, errichtet und bietet Raum für die Fertigung additiver Bauteile aus Kunststoff, Keramik und Carbon.

Dafür stehen drei hoch-moderne 3D-Drucker-Technologien zur Verfügung

Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein additives Fertigungs-verfahren nach dem Bottom-Up Prinzip, bei dem ein spezieller Kunststoff aufgeschmolzen und in Schichten aufgetragen wird. Ist ein Layer fertiggestellt, wird die Bauplattform in z-Achse um eine Schichthöhe abgesenkt. Nachdem sich das Material (Filament) wieder verfestigt hat kann die ächste Schicht aufgetragen werden. Dadurch entsteht ein dreidimensionales Bauteil. Der größte Vorteil des FDM-Drucks ist seine hohe Formstabilität in Kombination mit hoher Elastizität, bei geringen Produktions-kosten. Ein limitierender Faktor ist der schichtweise Aufbau der Bautele. Dieser führt nicht nur zu einer verminderten Oberflächenqualität, sondern auch zur Anisotropie. Die Wahl der Druckrichtung ist daher entscheidend für einen erfolgreichen Druck.

Abb. 3: FDM Verfahren im Schnitt ©TU Graz/ IFT

Ultimaker S5 Bundle

Abb. 2: Ultimaker S5 Bundle Pro Quelle: Ultimaker.com

Der UM S5 Bundle besitzt einen Dual-Extruder, einen Air-Filter Manager und eine Material Station. Diese hat den Vorteil, dass neben der Lagerung und dem automatischen Einzug in den Feeder die Luftfeuchtigkeit für die Filamente reguliert wird, was eine längere Haltbarkeit des Materials garantiert. Der Air Manager sorgt als Wärmeabschirmung und filtert die Luft des Druckraumes mit einem EPA-Feinpartikelfilter.

Datenblatt UMS5

Bauraum

330 x 240 x 300 mm

Schichtdicken

0,02-0,2 mm

Baugeschwindigkeit

< 24 mm³/s

Genauigkeit / Auflösung

6,9 µm (x/y) / 2,5µm (z)

Aufheizdauer

< 4 min

Leistung

500 W

Extruder

Dual

Gewicht

20,6 kg

Materialien

PLA, Nylon, ABS, CPE, PC, PP, PVA, TPU

Temperatur Druckbett

Maximale Düsen-Temp.

20 – 140 °C

250°C

Stereolithografie

Abb. 3: Low Force Stereolitographie Quelle: formlabs.com

Bei der Stereolithografie werden mit lichtaushärtendem Harz (Resin) dreidimensionale Bauteile nach dem Top-Down Prinzip erstellt. In der Light-Processing-Unit wird ein Laserstrahl, mit der Wellenlänge von UV-Strahlen, über einen Parabolspiegel gelenkt. Somit wird das Resin Schicht für Schicht ausgehärtet (Polymerisation) und die Bauplattform um jeweils eine Schichtdicke in z-Richtung angehoben.

Die größten Vorteile eines SLA-Drucks sind hohe Formstabilitäten bei zugleich hoher Oberflächenqualitäten. Weiters ist die Druck-geschwindigkeit, im Vergleich zum FDM-Druckverfahren um einiges höher. Allerdings kann es bei konzentrischen Geometrien leicht zum Verzug kommen. Standardharze können ihre Elastizität nach dem Aushärten verlieren, was zu einer geringen Bruchdehnung des Bauteils führt.

Formlabs Form3

Der professionelle Desktop-Drucker Form 3 von Formlabs arbeitet mit dem neuen Low-Force-Stereolitographie Ver-fahren (LFS). Dabei passt sich der biegsame Tankboden der Bauteilgeometrie an und mindert damit die erzeugten Kräfte während des Druckens, wodurch eine bessere Oberflächenqualität bei zugleich wenigeren Stützstrukturen entsteht.

 

 

Für das Postprocessing stehen im WRaP@IFT der Form Wash und der Form Cure zur Verfügung. Im Form Wash werden die gedruckten Teile mit einem speziellen Alkohol (TPM) vom restlichen Harz befreit. Anschließend können die Stütz-strukturen entfernt und die endgültige Aushärtung im Form Cure gestartet werden. Dabei rotiert das Bauteil bis zu zwei Stunden unter einem UV-Licht bei Temperaturen bis zu 80°C.

Datenblatt Formlabs Form3

 

Bauraum

 145 x 145 x 185 mm

Schichtdicken

 0,025 – 0,3 mm

Baugeschwindigkeit

 < 42 mm³/s

Genauigkeit / Auflösung

 25 µm (x/y) 25 µm (z)

Laser

 1

Laserleistung

 250 mW

Laserspotgröße

 0,085 mm

Gewicht

 17,5 kg

Materialien

Grey, Rigid, Tough, Transparent, Elastic

Temperatur intern

Betriebsumgebung

 35 °C

 18 – 28 °C

 

Abb. 5.1: UR10-Adapter aus Tough V5 Resin Quelle: Bahle@IFT
Abb. 5.2: Hohlrad und Zähne Quelle: Kraken Innovations

3D Printing

Beim 3D-Printing (3DP) oder Colour-Jet-Printing (CJP) werden dreidimensionale Bauteile (5) aus einem feinkörnigen Pulver (2) hergestellt, indem ein sog. Binder (1) das Pulver Schicht für Schicht nach dem Bottom-Up Prinzip verklebt. Ist eine Schicht fertiggestellt, senkt sich die Bauplattform (3) um eine Layerhöhe in z-Richtung und der Wischer (4) streicht eine neue Pulverschicht aus dem Reservoir auf das abgesenkte Bauteil. Durch das umliegende, nicht genutzte Pulver sind keine Stützstrukturen notwendig.

Die größten Vorteile des 3DP-Drucks sind neben der hohen Druckgeschwindigkeit, das Wegfallen von Stützstrukturen und die geringe Materialverschwendung. Allerdings eignen sich die Bauteile nur für representative Zwecke. Trotz aufwendiger Postprocessing-Schritte ist die Festigkeit der Bauteile und ihre raue Oberfläche nur von mäßiger Qualität.

Abb. 6: 3DP Verfahren, schematisch Quelle: IFT

Anwendungsbeispiele

3D Druck Teile
©TU Graz/IFT

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Z-Printer 450

Abb. 7: Z-Printer450 Quelle: sp.edu.sg

Der Z-Printer450 von Zcor-poration ist ein Vollfarb-3D-Drucker der mit der Tinten-strahldrucktechnologie farbige Anschauungsobjekte erzeugt.

Datenblatt Z-Printer 450

 

Bauraum

 254 x 203 x 203 mm

Schichtdicken

 0,089-0,102 mm

Baugeschwindigkeit

 2-4 Schichten/min bzw. ~6,95mm³/s

Genauigkeit / Auflösung

 300 x 450 dpi (dots per inch)

 +/- 0,127mm

Druckköpfe

 2

Farben

 180 000

Gewicht

 193 kg

Materialien

 Hochleistungskomposit

Temperatur

  20-22°C (Raumtemperatur)

Im WRaP@IFT können wissenschaftliche Themen wie Bachelor-, und Masterarbeiten behandelt werden, sowie an innovativen Konzepten und neuen Materialien für den 3D-Druck geforscht werden.

Ebenso werden externe Aufträge, wie Prototypen-Bau oder Mini-Serien-Fertigung betreut und angefertigt.

Kontakt
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Institut für Fertigungstechnik

Additive Fertigung Kunststoff


Bahle, Konrad, BSc
Visitenkarte

Selektives Laserschmelzen
 



Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Franz Haas



Kopernikusgasse 24
A-8010 Graz

Links
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