Rapid Prototyping

Aus ESOCAETWIKIPLUS

Version vom 8. Juni 2015, 11:47 Uhr

engl: rapid prototyping          Kategorie: Level 2 Maschinenbau

Rapid Prototyping wird hier als Begriff verwendet für das Erstellen von Bauteilen aus Pulver, das in Schichten aufgebaut und jeweils mit einem Laserstrahl verschmolzen wird. Heutzutage wird unter der Bezeichnung "3-D-Drucken" viel über diese Technologie gesprochen. Dafür werden auch Begriffe wie

• generative Fertigung
• schnelle Fertigung
• rapid manufacturing
• rapid tooling
• additive Fertigung (additive manufacturing)

verwendet.

Dieses Methoden können für verschiedene Werkstoffe angewendet werden, z.B. für Metalle, Kunststoffe.

Die Begriffe

• DMLS (Direktes Metall Lasersintern, geschützter Begriff der Firma EOS)
• Lasercusing (geschützter Begriff der Firma Concept Laser)
• selective laser melting (SLM)

werden für diejenigen dieser Technologien verwendet, bei denen das Metallpulver durch den Laser direkt aufgeschmolzen wird. Dadurch ist es möglich, ein Bauteil direkt poren- und rissfrei aufzubauen. In der Praxis werden bis zu 99,9% der Dichte des Ausgangsmaterials und gute Festigkeiten erreicht. Die Schichtdicken betragen meistens 0,01..0,1 mm.

Die Abbildung rechts zeigt ein Bauteil aus Metall, bei dem der Bauprozess zwischendurch abgebrochen wurde. Es sind einige massive Bauteilbereiche zu erkennen. Die gitterförmigen Bereiche sind Support-Strukturen, die vorbereitend als "Fundament" unterhalb von massiven Bereichen aufgebaut werden. Die Support-Strukturen werden nach Fertigstellung des Bauteils entfernt, z.B. durch Erodieren.

Simulation

Die Simulation dieser Methoden hat das Ziel,

• den Prozess zu verstehen (experimentelle Untersuchung teilweise schwierig oder unmöglich),
• den Prozess vorherzusagen (Festlegung von Prozessparametern, Prozesssicherheit, Verzug, Rissgefährdung) und
• die Eigenschaften des Produktes vorherzusagen (Verzug, Eigenspannungen).

Die Herausforderungen bei der Simulation sind

• der schichtweise Aufbau (Die Diskretisierung muss zwingend den Schichtaufbau repräsentieren, spätere Schichten müssen inaktiv im Modell vorbereitet und enthalten sein und sukzessive aktiviert werden),
• der Unterschied der massiven Bauteilbereiche gegenüber den netzartig strukturierten Support-Bereichen (der Support stützt Bauteilbereiche, die oberhalb erst später geformt werden),
• die geringen Abmessungen des Ortes des eigentlichen Geschehens (Laser-Spot) und
• die Abmessungen der Schichthöhe (0,01..0,1 mm = 10..100 μm) gegenüber den Bauteilabmessungen (10..300 mm).

Der Datenstrom beinhaltet meistens

• eine Umsetzung aus dem CAD-Bereich in STL-Daten (Bauteilumrisse),
• ein Entwurf des Bauprozesses (das beinhaltet die Entscheidung über die Anordnung und Lage des Bauteils im Bauraum. Support-Strukturen sind zu konstruieren für solche Bauteilbereiche, die flacher als 45° geneigt sind, solche Bereiche können nicht freiliegend auf das Pulverbett gebaut werden, weil sie zu leicht verrutschen würden. Support-Strukturen sind gitterförmige Hilfskonstruktionen, die nach der Fertigstellung des Bauteils entfernt werden.),
• eine Planung der Belichtung je Schicht (das Erzeugen der Umrisse jeder Schicht und die Planung der Belichtung der Schichtfläche wird auch als slicing bezeichnet) und
• die Erzeugung der Maschinen-Steuerungsdaten.

Die Simulation erfolgt im allgemeinen mit transienten Simulationen, wobei das Temperaturfeld und die Strukturmechanik sequentiell nacheinander berechnet werden.

Publikationen

Publikationen zur Simulation rund um das Rapid Prototyping finden Sie bei Rapid Prototyping Fallbeispiele.