Rapid Prototyping

Rapid Fragenkatalog

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Chris Baier
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über Rapid Prototyping-Verfahren für Universitätsstudenten. Sie behandeln verschiedene Methoden wie Lasersintern, 3D-Druck und Vakuumgießen, sowie deren Vor- und Nachteile. Die Karteikarten erklären die Herstellung von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien und deren mechanischen Eigenschaften. Ideal für Ingenieure und Techniker, die schnelle Prototypen für Produktentwicklungen erstellen müssen.
Cartes-fiches
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Allemand
Catégorie
Technique
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Université
Créé / Mis à jour
20.06.2014 / 21.06.2014

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Nennen Sie die 5 Familien der industriellen generativen FertigungsverfahrenNennen Sie die 5 Familien der industriellen generativen Fertigungsverfahren

  • Polymerisationsverfahren

(Stereolithography – SL)

  • (Laser)Schmelz- und Sinterverfahren

(Laser Melting, Laser Sintering - SLM,SLS)

  • Schicht-Laminat Verfahren

(Layer Laminate Manufacturing - LLM)

  • Extrusionsverfahren

(Fused Layer Modeling - FLM)

  • 3D-Printing

(Three Dimension Printing - 3DP)

Durch welche Merkmale unterscheiden sich die einzelnen Verfahren?

  • Art der Schichtgenerierung
  • Material, aus dem das Bauteil gefertigt wird
  • Art der Verbindung mehrerer Schichten untereinander
  • Wie komfortabel der gesamte Prozess per CAD und Steuerrechner bedient werden kann

Beschreiben Sie das Polymerisationsverfahren – Stereolithographie (SL)

Die Modelle entstehen durch lokale Verfestigung eines flüssigen Monomers mittels eines ultravioletten Laserstrahls (Photopolymerisation). Die Kontur des zu generierenden Bauteils wird durch Laser-Scanner-Einheit auf die Oberfläche eines Harzbades gezeichnet. Dort wo der Laserstrahl auftritt polymerisiert (verfestigt) sich das Harz. Nach Verfestigung einer Schicht wird diese mit Hilfe einer Plattform in z-Richtung um eine Schichtdicke verfahren, eine neue Harzschicht aufgetragen und diese wie oben beschrieben polymerisiert.

Charakteristika der Stereolithographie

 

  • Ältestes Verfahren
  • Verfahren mit höchsten Detaillierung
  • Beste Oberflächen
  • Höchste Genauigkeit
  • Benötigt Stützen

Bauteil wird nur zu 95% in der Maschine polymerisiert à muss außerhalb der Maschine nachvernetzt und anschließend mit Lösungsmittel gereinigt werden

Beschreiben Sie das Lasersinterverfahren (SLS)

Es werden in einem Pulverbett angeordnete, typischerweise 20-50µm große Partikel (aus Kunststoff, Metall oder Keramik) durch einen Laserstrahl lokal aufgeschmolzen und bilden nach dem Abkühlen eine feste Schicht.

Nach Generierung jeder Schicht wird das Pulverbett um eine Schichtdicke abgesenkt und aus dem Vorratsbehälter eine neue Schicht Material aufgetragen

Das Verfahren benötigt keine Stützen (auser bei Metall)

Charakteristika der Lasersinterverfahren

  • geringere Details und größere Rauhigkeit als SL
  • aber: stabiler und damit höher belastbar
  • Grundlage für SLM Verfahren für die Bearbeitung von Metallen
  • innere Hohlräume einfach umsetzbar und evakuierbar, da Pulver
  • keine Stützen benötigt (SLM-Verfahren benötigt Stützen!)

 

Das Bauteil muss nach dem Bauprozess von lose anhaftendem Pulver befreit werden

Beschreiben Sie das Schicht-Laminat Verfahren (LLM)

Die Schichtkonturen werden mittel eines Lasers oder eines Schneidplotters aus Papier ausgeschnitten und automatisch aufeinander geklebt.

 

Bekanntestes Verfahren: LOM

(Laminated Objekt Manufacturing)

Das Papier (einseitig mit thermisch aktivierbarem Klebstoff in Rollenform) wird über die Bauplattform abgerollt, nicht benötigtes Papier wird auf Gegenseite aufgerollt. Mit beheizter Rolle wird das Papier aufgeklebt und mittels Laser ausgeschnitten.

Beschreiben Sie das Fused Layer Modeling (FLM)

Erzeugung von Modellen durch lokales Anschmelzen und anschließendes Extrudieren thermoplastischer Materialien.

Bekanntestes Verfahren: FDM

(Fused Deposition Modelling)

Ein meist in Drahtform vorliegendes thermoplastisches Material wird in beheizter Düse aufgeschmolzen und durch diese auf das Bauteil extrudiert. Schichtbildung erfolgt durch Wärmeleitung beim Kontakt mit dem schon fertigen Modell. Auch Serienkunststoffe wie ABS können verarbeitet werden.

 

Farbkombinationen möglich!

Beschreiben Sie das 3D-Printing (3DP) oder Pulver-Binder Verfahren

Stärke- oder Gips-Keramikpulver + wasserbasierter Binder

Der Boden des Vorratsbehälters wird angehoben, die so bereitgestellte Pulvermenge wird mittels einer Walze über den um eine Schichtdicke abgesenkten Boden der Prozesskammer verteilt. Ein über dem Bauraum angeordneter Druckkopf sprüht eine gefärbte Binderflüssigkeit entsprechend der Kontur der zu bauenden Schicht in die Oberfläche des Pulvers.

Dort wo der Binder mit Wasser in Berührung kommt, verklumpt das Modell und bildet eine feste Schicht, während die darunter liegende Pulverschicht unverbunden bleibt und als Stützmaterial dient.  

Charakteristika des 3DP

  • Modell sehr zerbrechlich
  • Muss mit Wachs oder Epoxidharz infiltriert werden
  • Nach Infiltrierung gerade mit Epoxidharz: Sehr widerstandsfähig

à kann spanend bearbeitet, geschliffen, lackiert werden

  • Maschine ist sehr schnell
  • Anschaffung + Betrieb: sehr preiswert
  • Oberflächengenauigkeiten relativ schlecht, reicht aber für Konzeptmodelle

-     kein Konstruktionswerkstoff

-     alle Farben möglich (kontinuierliche Farbgebung)

Überblick alle Verfahren

Übersicht

Abformverfahren/Folgeprozesse

Vakuumgießen

Das Rapid Prototyping Urmuster wird in Silikon eingeformt. Aus der so entstehenden Form können je nach Geometrie ca. 15 geometrisch identische Prototypen aus einer Vielzahl vergießbarer PU-Harze gefertigt werden. Die Anzahl der Prototypen wird lediglich durch wirtschaftliche Überlegungen limitiert.

Anwendungsebenen

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Generische Bezeichnung und Markenname

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Zusammenfassung Folgeverfahren und Abformtechnik

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Warum Folgeverfahren?

Additive Verfahren führen zu einem oder wenigen Bauteilen aus prozessspezifischem Material.

Eine größere Anzahl von Bauteilen, definierten Eigenschaften wie Farbe, Transparenz, Elastizität usw. erzielt man durch Abformtechniken

à generativ gefertigtes Bauteil wird als Urmodell aufgefasst

 

Prinzip der Trennung der Eigenschaften:

AM: Schnelle Herstellung der geometrisch exakten Urmodells

Abformverfahren: Gewünschte Anzahl und Eigenschaften

Welche Materialien sind zur Zeit für das Laser Sintern industriell verfügbar? Welche Materialien sind grundsätzlich (oder theoretisch) verwendbar?

Polyamid (PA)

Polystyrol (PS)

Sand

Metall

Keramik

Theoretisch alle sich thermoplastisch verhaltenden Werkstoffe

Welches RP-Verfahren kann mit oder ohne Laser realisiert werden?

Schicht-Laminat Verfahren (LLM)

Welche Vorteile hat das im RP am weitesten verbreitete STL-Dateiformat?

 

  • Skalierbarkeit
  • Beliebige Veränderung der Anzahl der Dreiecke
  • Beliebige Schnitte auch ohne Original CAD System

Auf dem Weg vom digitalen Produktmodell (im Computer) zum physikalischen Modell (aus dem Prototyper) sind drei fundamentale und für alle RP-Verfahren gleiche Schritte zu unternehmen. Welche sind das?

 

  1. Zerlegen des digitalen Modells in Schichten gleicher Stärke (virtuell)

 

  1. Umsetzen der Einzelquerschnitte in physische Schichten

 

  1. Zusammenführung der physischen Einzelschichten zum Bauteil

Welche Nacharbeitschritte sind typisch für das Stereolithographie-Verfahren, nicht aber für den Laser Sinter Prozess?

 

Abtropfen

Entfernen der Stützen

Reinigen des Bauteils ( Aceton )

Nachhärten

(Bauteil muss nachvernetzt und anschließend gereinigt werden)

Wie erfolgt die Konturierung einer Schicht beim Laser Sintern, wie beim 3D-Printing?

Laser Sintern:

Aufschmelzen mittels Laser, Verfestigung nach Abkühlung

 

3D-Printing:

Einspritzen von Binderflüssigkeit in das Pulverbett

Nennen Sie zwei verfahrensbedingte Nachteile von Rapid Prototyping Bauteilen

 

  • Stufigkeit
  • Eingeschränkte Materialpalette
  • Verfahrensbezogene Materialien
  • Herstellerspezifische Materialvorgabe
  • Keine Kostendegression bei steigender Stückzahl

Was versteht man unter indirekten Rapid Tooling Verfahren?

Herstellung von metallener Werkzeuge oder Werkzeugsätzen durch Abformen von RP Urmodellen

Welchen Vorteil hat das Vakuumgießen vor allen anderen Abformverfahren?

Keine Werkzeugkonstruktion

 

leichte Hinterschnitte entformbar

 

Skalierung durch Temperierung

Welches Element tritt bei einer RP-Maschine nicht auf??

 

Laser

Vorratsbehälter

Werkzeugwechsler

Steuerrechner

Werkzeugwechsler

Der Preis für das Material ist ein wichtiges Kriterium für die Auswahl eines RP-Verfahrens. Nennen Sie drei weitere Kriterien.

  • Oberflächengüte
  • Detailierungsgrad
  • Dauerhaltbarkeit
  • Physikalische und mechanische Kennwerte
  • Verhältnis Modell-Volumen zu umbauten Raum
  • Baugeschwindigkeit
  • Einsatzabsicht

Wozu dienen Stützen oder Supports bei RP-Verfahren? Nennen Sie zwei unterschiedliche Beispiele für RP Verfahren, die Stützstrukturen benötigen.

Zum Abstützen von frei im Raum liegenden Strukturen oder unverbundenen Modelteilen

Vermeiden von Verzug

Positionierung des Bauteils auf der Bauplattform

 

  • Stereolithographie (SL)
  • Extrusions-Verfahren (FDM)

Beschreiben Sie ein Extrusionsverfahren z.B. FDM in Stichworten

Aufschmelzen von drahtförmigen Thermoplasten in beheizter Düse. Schichtbildung durch Wärmeleitung nach Erstarrung

Sie wollen die 3D Konstruktion eines nicht sehr filigranen Bauteils für eine erste Produktdiskussion in kleiner Runde präsentieren. Welches Verfahren wählen Sie? Warum?

 

3D-Printing

 

  • reine Visualisierung, wenige Details notwendig
  • keine phys., mechanischen Festigkeit gefordert
  • günstig

Nennen Sie zwei RP-Verfahren die mit Lasern arbeiten

 

SL ( Stereolithographie )

 

LOM ( Schicht-Laminat-Verfahren)

 

LS (Lasersintern)

Sie haben die Aufgabe eine Kleinserie von 10 Exemplaren von einer Rückleuchte für einen PKW zu produzieren. Welches Verfahren bzw. welche Verfahrenskette wählen Sie?

Stereolithopgrahie wegen Detaillierung

 

Vakuumgießen wegen Stückzahl

 

Transparentes Material

Mit welchem Verfahren können direkt Bauteile hergestellt werden, die über 100°C aushalten? Welche Materialien werden dann verwendet?

SLS, SLM, FDM

 

PA, ABS, PPSU, PEEK, Metalle (SLM)

Welche Vorteile hat das selektive Lasersintern ggü. der Stereolithographie?

 

  • höhere mechanische und thermische Festigkeit

 

  • keine Stützen
  • einstufig!

Nennen Sie je einen Vorteil bzw. Nachteil des Vakuumgießens in Silikonformen

+ Keine Werkzeugkonstruktion

+ Keine Endformschrägen

+ Skalierung

 

- Beschränkung auf PU-Materialien

- Limitierte Stückzahl

Nennen Sie je einen Vor- und Nachteil von RP-Verfahren

+ schnell

+ Detailreichtum

+ Werkzeuglos

 

 

- stufig

- für Serie zu langsam

- teuer (nicht immer)

Welche RP-Verfahren können Sie zur Herstellung metallischer Strukturen verwenden? Nennen Sie ein Verfahren und erläutern Sie die wesentlichen Verfahrensschritte

Sinterverfahren und 3D-Printing

 

Sinterverfahren: Aufschmelzen metallischer Pulver mittels Laser, Erstarrung nach Abkühlung

Nennen Sie zwei unterschiedliche (RP) Verfahren, die keine Stützstrukturen benötigen. Wie werden die teilfertigen Modelle bei diesen Verfahren gestützt?

SLS: das kompaktierte Pulver stützt das Bauteil

 

 

3DP: das lose Pulver stützt das Bauteil

Welcher Nachbearbeitungsschritt (post processing) ist beim 3D Printing notwendig, aber bei keinem anderen generativen Verfahren?

Entfernen aus dem Pulverkuchen

(auch beim Sintern)

Säubern

(auch beim Sintern + FDM)

Infiltrieren

(nur beim 3DP!!)

Wie fertigen Sie ein hochtransparentes Bauteil? Welche generativen oder RP Verfahren setzten Sie dafür ein?

( Durch Abformprozesse, z.B. das Vakuumgießen )

 

Stereolithographie und PolyJet erlauben den Einsatz

transparenter Materialien !

Étudier