RPD

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Herstellung von Sandgussformen mittels SLS
Einsatz des Selective Laser Sintering (SLS) für die Additive Fertigung von kompletten Sandgussformen bzw. Elementen

• Basis der Fertigung: 3D-Datensatz des Gussroh- oder –fertigteils
• Ableitung der erforderlichen Gussformkonstruktion
• Bearbeitungszugaben für eine nachfolgende mechanische Bearbeitung des Gussteile
• Konstruktion zweckmäßiger Spannlaschen zur Verbindung der Gussformelemente

Einsatz des 3D-Printing für die Additive Fertigung von
kompletten Sandgussformen bzw. Elementen
Formen und Kerne werden schichtweise aufgebaut; jede Schicht besteht dabei
aus zwei Materialien, die nacheinander aufgetragen werden:
1. Formsand
 Beschichter trägt den vorgemischten Formsand auf die Baufläche auf
2. Binder
 Druckkopf bringt selektiv Binder auf den Sand auf. Der im Sand enthaltene
Aktivator reagiert mit dem Binder und verbindet die Sandpartikel. Dieser
Vorgang wiederholt sich Schicht für Schicht.

Additive Fertigung (generative Fertigung, Additive Manufacturing)
Anwendung Additiver Fertigungsverfahren.
Anmerkung:Additive Fertigung wird immer häufiger auch als 3-D-Drucken bezeichnet, jedoch steht in dieser Richtlinie 3-D-Drucken nur für ein bestimmtes Generatives Verfahren.

Additives Fertigungsverfahren
Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element-oder schichtweise aufgebaut wird.

Rapid Prototyping (RP)
Generative Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität, bei denen jedoch spezifische Merkmale ausreichend gut ausgeprägt sind.
Anmerkung:Das Material kann Serienmaterial sein. Außerdem kann die Konstruktion fertigungsgerecht im Sinne der Serienfertigung sein.
Beispiel:Rapid Prototyping wird zur Herstellung von Prototypen und Versuchsteilen eingesetzt.

Rapid Tooling (Direct Tooling)
Anwendung der Additiven Methoden und Verfahren auf den Bau von Endprodukten, die als Werkzeuge, Formen oder Formeinsätze verwendet werden.

Direct Manufacturing (Rapid Manufacturing)
Generative Herstellung von Endprodukten.
Anmerkung 1:Das Bauteil weist beim Direct Manufacturing alle Merkmale des Endprodukts auf oder es wird vom Kunden für den „Serieneinsatz“ akzeptiert.
Anmerkung 2:Post-Prozesse z. B. zur Fertigung von Funktionsflächen, zur Wärmebehandlung etc. können vor der Auslieferung an den Kunden erforderlich sein.

Rapid Prototyping
Rapid Prototyping bezeichnet die Anwendung der Technologie der Additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Modellen und Prototypen, also von physischen Bauteilen ohne Produktcharakter.

Rapid Tooling
Direct Tooling bezeichnet die additive Herstellung von Werkzeugeinsätzen, Werkzeugen, Lehren und Formen.

Rapid Manufacturing
Rapid Manufacturing bezeichnet die Anwendung der Additiven Fertigungs-verfahren zur Herstellung von Bauteilen, die die Eigenschaften von Endprodukten besitzen.

Vorteile:
•Das Prinzip Objekte durch das Hinzufügen von Werkstoff-Bausteinen herzustellen
•Informationsschlüssige Kopplung von Konstruktion und Fertigung
•Großer Freiheitsgrad der Formgebung der herzustellenden Objekte
•„Just in Time“ Erzeugung der Maschinensteuerdaten
•Verfahren verlangt keine Überwachung

Nachteile:
•Treppeneffekte an der Oberfläche und damit begrenzte Oberflächengüte
•Eingeschränkte Genauigkeit
•Beschränkung auf verarbeitbare Werkstoffe und deren Eigenschaften
•3D-CAD Daten erforderlich

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Verfahrens-Vergleich
Analyse verschiedener RP-Verfahren bezüglich ihrer technischen und technologischen Eigenschaften an Hand geeigneter technischer und ökonomischer Kriterien
z.B. Material, Genauigkeiten, Kosten

Verfahrens-Auswahl
Auswahl eines speziellen Verfahrens für die Herstellung eines
bestimmten Teiles / Musters an Hand der speziellen Anforderungen /
Eigenschaften des zu fertigenden Werkstückes
zusätzliche Kriterien durch konkrete Eigenschaften der Teile

Mögliche Kriterien für den Verfahrensvergleich:
• Material
- Kunststoffe (Nylon, Acrylate, Epoxy,...)
-  Metalle (Stahl, Aluminium, Legierungen)
- …
• Genauigkeit
- Forderungen / Möglichkeiten
• Kosten
- Material, Maschinenstundensatz, Bediener, Finishaufwand, …
• Menge der pro Herstellprozess fertigbaren Teile
- Direktherstellung / Duplizierung über zusätzlichen Folgeprozess
• Zeit
- Zeitspanne für Auftragsrealisierung / Bauzeit
• Ausgangsbasis für die Nutzung der RPD-Prozesskette
- Zeichnung, 2D-/3D-Datensatz, STL, CLI
• Erfahrungen
- eigene Erfahrungen / Meinungsführer (Referenzlösungen)

Mögliche Kriterien für die Verfahrensauswahl:
zusätzlich zu den Kriterien des Verfahrensvergleiches (Material, Fertigungsgenauigkeit, Kosten, Zeit, Menge,...)
• Geometrische Gestalt
- Hinterschneidungen, minimale/maximale Wandstärken, Materialverteilung, …
• Verfügbarkeit entsprechender Fertigungsanlagen
- Kontakt zu Dienstleistern
• Datenbereitstellung
- Datenfile, Zeichnung, phys. Modell
• Nutzungszweck
- Modell (Design, Funktion, Fertigung)
- Werkstück, Werkzeug, …
• Erfahrungen
- eigene Erfahrungen / Meinungsführer (Referenzlösungen)

• schichtweiser Aufbau der Werkstücke
→ „Treppen-/Stufeneffekte“,
→ Abweichungen bei Maßen in Z-Richtung
• punktueller Energieeintrag
→materialinterne Spannungen, Verzugsprobleme
• Art des Materialauftrags / Energieeintrags
→Mindestwandstärke, Schichtüberstärke

→ Spezielle konstruktive Empfehlungen für Additive zu fertigende Werkstücke

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Spezifische Eigenschaften Additiver Fertigungsverfahren
- Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit des RPD

• Bauzeit
  • Bauzeit, Nebenzeiten (Datenaufbereitung, Anlagenhandling, Finish)
• Losgröße und Bauraumausnutzung
  • Ausnutzung des verfügbaren Bauraumes je Job
• Auslastung
  • Ausnutzung des verfügbaren Bauraumes, Zeitrahmen für Auftrag
• Materialverbrauch
  • Materialausnutzung (Abfall), Hilfsmaterial (Stützgeometrie)
• Prozesssicherheit
• Baugeschwindigkeit
• technischer Fortschritt, Modellpflege, Service

Entwicklungstrends für Additive Fertigungsverfahren
• steigender Anteil generativ gefertigter Metallteile
     Rapid Manufacturing, Rapid Tooling
• Zunahme der für Additive Fertigungsverfahren verfügbaren Werkstoffe
• Standardisierung der verfügbaren Anlagentechnik
• Erschließung neuer Einsatzfelder 
      Dentaltechnik, Architekturmodellbau, künstlerische Arbeiten
• Herstellung von Teilen und Produkten „on demand“
• Vereinfachung des Anlagenhandlings
• Verringerung der Investitionskosten für einfache Systeme 
      Home-Anwendungen
• Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit und Baugeschwindigkeit für professionelle Einsatzgebiete

Aktuell am Markt verfügbare Technologien
 • Schmelzen im Pulverbett
Lasersintern / Laserschmelzen / Laserformen
 • Auftragsschweißen
Drahtzuführung / Pulverzuführung
 • Einsatz von Bindemitteln
Kleben / Schmelzen

Additive Fertigung (generative Fertigung, Additive Manufacturing)
Anwendung Additiver Fertigungsverfahren.
Anmerkung:Additive Fertigung wird immer häufiger auch als 3-D-Drucken bezeichnet, jedoch steht in dieser Richtlinie 3-D-Drucken nur für ein bestimmtes Generatives Verfahren.

Additives Fertigungsverfahren
Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element-oder schichtweise aufgebaut wird.

Rapid Prototyping (RP)
Generative Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität, bei denen jedoch spezifische Merkmale ausreichend gut ausgeprägt sind.
Anmerkung:Das Material kann Serienmaterial sein. Außerdem kann die Konstruktion fertigungsgerecht im Sinne der Serienfertigung sein.
Beispiel:Rapid Prototyping wird zur Herstellung von Prototypen und Versuchsteilen eingesetzt.

Rapid Tooling (Direct Tooling)
Anwendung der Additiven Methoden und Verfahren auf den Bau von Endprodukten, die als Werkzeuge, Formen oder Formeinsätze verwendet werden.

Direct Manufacturing (Rapid Manufacturing)
Generative Herstellung von Endprodukten.
Anmerkung 1:Das Bauteil weist beim Direct Manufacturing alle Merkmale des Endprodukts auf oder es wird vom Kunden für den „Serieneinsatz“ akzeptiert.
Anmerkung 2:Post-Prozesse z. B. zur Fertigung von Funktionsflächen, zur Wärmebehandlung etc. können vor der Auslieferung an den Kunden erforderlich sein.

• RPDbezeichnet die durchgängige beschleunigte Prozesskette der gesamten automatisierten Produktentwicklung unter Nutzung moderner Verfahren und Technologien wie zum Beispiel CAD, HSC, CNC-Fertigung und Additive Fertigungsverfahren.

• RPD ist gekennzeichnet durch …
-durchgängigen Einsatz eines 3D-Geometrie-datensatzesbei allen Elementen der Prozesskette Produktentwicklung (Durchgängigkeit)
Effekt: Änderungen am 3D-Datensatz
-erreichbare Zeit-und Kosteneinsparung im Rahmen des Entwicklungsprozesses (Beschleunigung)Einsparungen: ca. 30 ... 70 Prozent gegenüber Nutzung der klassischen Herangehensweise

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Rechnerinternes Datenmodell System 1
Präprozessor System 1
Datei im Schnittstellenformat
Postprozessor System 2
Rechnerinternes Datenmodell System 2

Datenformat: STL(Surface TesselationLanguage) 
„Quasi-“Standard-Datenschnittstellenformat
Bereitstellung der geometrischen Informationen für Additive Fertigungsverfahren
•Datenformat ursprünglich für die Stereolithographie-Verfahren, inzwischen breiteres Interesse gefunden, auch für andere Problemlösungen benutzt, z.B. rheologische Simulation
•STL-Datei enthält die Beschreibung der geschlossenen Oberfläche von 3D-Körpern mit Hilfe von Dreiecksfassetten
•Daten zu jeder Dreiecksfassette: drei Eckpunktkoordinaten und zugehörige Flächennormale
•Eckpunkte im Uhrzeigersinn beschrieben; daraus folgt die Lage der Flächennormale; sie zeigt in den freien Raum;
•Dateiinhalte bilden Grundlage der Datenaufbereitung für den Bauprozess
ASCII  
binär

Nutzung der STL-Schnittstelle zur Datenübergabe an:
•Additive Fertigungssysteme
•Visualisierungssysteme
•FEM-Berechnungen
•NC-Programmiersysteme

Konstruktionsfehler
•Fehler bei der Erstellung des CAD-Modells

Approximationsfehler (Umsetzungsfehler)
•Fehler durch die Beschreibung nichtebener Flächen und Formelemente durch ebene Dreiecksflächen
 →Optimierung der verwendeten Parameter    z.B. zulässige maximale Toleranz
Konflikt:Formfehler ↔Datenmenge
geringer Formfehler →kleine Dreiecke 
                                →große Anzahl an Dreiecken 
                                →große Datenmengen

Datenfehler (Beschreibungs-oder Syntaxfehler)
•Fehler bei der Erzeugung der STL-Datenz.B. Lücken, Dopplungen, Fehlorientierungen

Vorteile:
•einfacher Aufbau (nur Dreiecke)
•einfache und klare Struktur

Nachteile:
•keine exakte Übergabe nichtebener Elemente möglich
•nur Übergabe von Geometrieinformationen möglich
•Flächenschnittstelle
•große Datenmengen
•keine Rückübertragung der Daten möglich

•CLI:neutrales Übergabeformat (Common Layer Interface)
•SLI / SLC:maschinenspezifisches Interface

2½D-Schnittstelle innerhalb der RP-Verfahren
•Ergebnis des „Sliceprozesses“ (Offline-Slicen)
•Informationen zu Konturen in der zu fertigenden Schicht
•Übergabe der Konturen als in sich geschlossene Polylinemit beliebig vielen Punkten bzw. als Strecke
•Verbindung dieser Punkte bei der Fertigung durch Geradenstücken
•Kennzeichnung der Polylineals Innen-oder Außenkonturen
•Eine Schicht kann beliebig viele Konturen enthalten

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