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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

3D-Druck 3D-Druck - was

3D-Druck 3D-Druck - was ist wirklich möglich? Ein Blick aus der Anwenderperspektive / Teil 2 Einsatz über ein zweites Düsensystem, welches diese Stützstruktur aus einem Material hinzufügt, das zumeist ohne größeren Aufwand zu entfernen ist. Je nach Objektgeometrie kann die Stützstruktur stark reduziert werden, bei Objekten wie den abgebildeten mathematischen Skulpturen machen sie dagegen mitunter den größeren Anteil des benötigten Materials aus. In den letzten Jahren hat das starke Interesse an Geräten für Endverbraucher zu einer Verbreiterung des Angebots an Materialien für diese Technologien geführt (Bild 1 bis 4). Bild 1: Fused-Deposition-Modeling – Benutzeroberfäche – Generierung der Stützstruktur Fused-Deposition-Modeling Ein Verfahren, welches in den vergangenen Jahren starke Publizität und Verbreitung auch außerhalb der professionellen Anwendungen erlangt hat, ist das so genannte Fused-Deposition-Modeling, bei dem ein dünner Kunststoffstrang erhitzt und mit einer Düse zuerst auf eine Grundplatte und in der Folge auf die vorangehenden Schichten aufgetragen wird. Auch bei diesem Verfahren wird die digitale Repräsentation des zu fertigenden Objekts in Schichtbilder aufgelöst, welche dann Ebene für Ebene aufeinander aufgebaut werden. Stark vereinfacht ausgedrückt ähnelt der Vorgang dem Malen mit einer Heißklebepistole. Die Stabilität Autor: Hartmut Schwandt, Leiter des IT-Bereichs der Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften und des 3D-Labors der TU Berlin und Joachim Weinhold, wissenschaftlicher Mitarbeiter am 3D-Labor der TU Berlin. der gefertigten Objekte – eine sinnvolle Wandstärke vorausgesetzt – ermöglicht die Herstellung von für Funktionstests geeigneten Modellen. Anders als bei den im ersten Teil beschriebenen Verfahren des Pulverdrucks und der Lasersinterung müssen die mit dieser Technologie hergestellten Objekte während des Produktionsablaufs stellenweise mit einer Stützstruktur versehen werden. Stark überhängende Strukturen oder Details, deren Ver- bindung mit dem Hauptkörper eines Objekts erst oberhalb der bereits gedruckten Ebenen gegeben ist, wären ohne solche Stützstrukturen nicht umsetzbar, was den Umfang der herstellbaren Geometrien sehr stark einschränken würde. Während einfachere Geräte für Endverbraucher solche Stützstrukturen aus dem gleichen Material hinzufügen müssen, aus dem auch das Objekt gefertigt wird, verfügen FDM- „Drucker“ für den professionellen Bild 2: Fused-Deposition-Modeling - Mathematisches Modell mit Stützstruktur Digital-Light-Processing Photosensitive Polymere, wie sie beim Digital-Light-Processing verwendet werden, sind bereits seit Entwicklung der ersten additiven Produktionsverfahren – wie der so genannten Stereolithographie (1986) – im Einsatz. Auch bei diesen Verfahren werden die zu produzierenden Objekte in Schichtbilder aufgelöst und Ebene für Ebene generiert. Während bei der Stereolithographie die jeweils zuletzt aufgetragene Schicht eines lichtreaktiven Polymers mit Hilfe eines Laserstrahls zur Polymerisation angeregt wird, werden beim Digital-Light-Processing die einzelnen Schnittbilder mit einem Beamer als vollflächige Maske projiziert. Durch die optische Verkleinerung des Bildes auf eine relativ kleine Fläche können sehr hohe Genauigkeiten erreicht werden. Mit dem System, welches am 3D-Labor in Verwendung ist, sind Auflösungen in der Flächendarstellung von 40 µ bis hinab zu 25 µ bei einer Schichtstärke von 25 µ erreichbar, wobei die Baufeldgröße in direkter Abhängigkeit zur Auflösung steht und sich mit der Steigerung der Auflösung verringert. Für die Bearbeitung stehen verschiedene, im Wesentlichen von den Maschinenherstellern selbst zur Verfügung gestellte Materialien zur Verfügung. Anders als bei den bisher beschriebenen Verfahren verläuft der Produktionsprozess zwar schichtweise – aber nicht in neu aufgetragenen Schichten von Material: Die Schnittbilder werden 6 PC & Industrie 10/2015

3D-Druck Bild 4: Fused-Deposition-Modeling - Oberflächenstruktur Bild 3: Fused-Deposition-Modeling - Skulptur mit Stützstruktur durch den transparenten Boden der Wanne projiziert und den untersten Schichten des von oben in das Baumaterial hängenden Objekts hinzugefügt. Wie beim Fused-Deposition- Modeling werden auch hier Stützstrukturen benötigt, die jedoch notwendigerweise nicht aus einem anderem Material als dem des gebauten Objekts hergestellt werden können (Bild 5 und 6). Als Besonderheit des am 3D-Labor verwendeten DLP-Systems kann dessen Eignung zur Verarbeitung eines speziellen Keramikschlickers genannt werden, so dass sich mit diesem Verfahren auch präzise Objekte aus industriekeramischen Materialien herstellen lassen. Aufgrund der Feinheit der Schichten und der erreichbaren Genauigkeiten sind die Verfahren des Digital- Light-Processing besonders für Bauteile geeignet, bei denen eine hohe Präzision wichtig ist (Bild 7 bis 9). Wie schon eingangs angesprochen, stellen die hier vorgestellten Beispiele nur eine Auswahl Additiver Herstellungsverfahren dar. Die in den vergangenen Jahren entwickelten Additiven Herstellungsverfahren sind zumeist auf verschiedene Eigenschaften, wie etwa Schnelligkeit, die Verarbeitung bestimmter Materialien (von Kunststoffen bis hin zu Metallen), Oberflächenqualität oder Bauvolumen hin optimiert. Wie die Vielfalt allein schon der hier vorgestellten Technologien andeutet, sind die Perspektiven ihrer Anwendung genauso in Bezug zu den Eigenschaften der verwendbaren Materialien und der erreichbaren Genauigkeit zu sehen wie im Zusammenhang zu Arbeitsaufwand, Baugeschwindigkeit und nicht zuletzt im Verhältnis zu dem zur Verfügung stehenden Budget. Im 3D-Labor am Institut für Mathematik der TU Berlin haben diese Fragen im Zusammenhang zu mehreren thematischen Schwerpunkten und der heute bestehenden Ausstattung geführt, deren Beschaffung durch die Unterstützung des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) ermöglicht wurde. Mit dem Aufkommen einfacher „3D-Drucker“ für Endverbraucher sind Additive Fertigungsverfahren innerhalb sehr kurzer Zeit in das Bewusstsein der Gesellschaft vorgestoßen. Die Aufmerksamkeit, welche diesen Technologien inzwischen gewidmet wird, lässt erwarten, dass sich sowohl die Anwendungen als auch die Technologien selbst noch signifikant weiterentwickeln werden. Gleichwohl werden Bild 5: Digital-Light-Processing – Materialwanne mit photosensitivem Polymer Bild 6: Digital-Light-Processing – Bauplattform Materialwanne mit Rakel und PC & Industrie 10/2015 7

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