RPD

• 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

v2 F40

• Definition nach VDI 3405 (Verfahrensgrundlagen):
Bei Additiven Fertigungsverfahren erfolgt die Fertigung nicht materialabtragend aus einem massiven Körper wie beim Fräsen, sondern materialzufügend, also additiv. Das heißt, die Bauteile entstehen schichtweise durch Hinzufügen von Ausgangsmaterial oder durch Phasenübergang eines Materials vom flüssigen oder pulverförmigen in den festen Zustand. Die Fertigung erfolgt ohne Verwendung von Formen und Werkzeugen (im klassischen Sinn).

• Herstellung von Werkstücken durch das definierte Hinzufügen
(„addieren“) von Werkstoff
• Synonyme:
• generative Fertigungsverfahren
• Rapid Prototyping
• 3D-Drucken
• Solid Freeform Manufacturing

• Generieren aus der flüssigen Phase
  • Photopolymerisation – Stereolithographie
• Generieren aus der festen Phase
  • Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten – Sintern, Schmelzen
  • Ausschneiden aus Folien und Fügen – Layer Laminate Manufacturing
  • Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase – Fused Layer Modeling
  • Verkleben von Granulaten mit Bindern – 3D-Printing
• Generieren aus der Gasphase
  • Aerosoldruckverfahren
  • Laser Chemical Deposition

• Design- / Konzept-/ Anschauungs- / Kommunikationsmodelle
– für Designüberprüfung (Ästhetik)
– für Entscheidungsprozesse im Vorstand
– für Kommunikation mit Kunden, Zulieferern
• Funktions- / Ergonomiemodelle
– für Funktionstest (Durchströmverhalten, Montierbarkeit, Fertigbarkeit)
– für Öffentlichkeitsarbeit (Messen, Prospekte ...)
• Fertigungsmodelle
– für Erzeugnisprototypen
– für Gießmodelle (Dauer- und verlorene Formen, letzteres für Feinguss)

Generelle Vorteile:
• Herstellung von Prototypen in Tagen oder Wochen statt Monaten
• physische Modelle sind anschaulicher für Kunden und Management als Zeichnungen
• physische Modelle sind leichter auf Fehler zu prüfen
• Einsparung von Prototypenwerkzeugen
• Entwicklungskosten gesenkt, wegen weniger Änderungen bei der weiteren Produktentwicklung
• Produktionskosten verringert, weil z.B. Herstellbar- und Montierbarkeit geprüft
• Folgekosten (Service, Garantie) gesenkt
• Produkt früher auf dem Markt, bringt Gewinnzuwachs
• automatisierter, unbeobachteter Betrieb

Generelle Nachteile:
• hohe Investitionskosten (abhängig von Anforderungen an Werkstücke)
  -geringste für Design- und Anschauungsmodelle
(Multi Jet Modeling - bei 50 T€)
  -oberer Bereich für Funktionsprototypen
(Stereolithografie - bei 350 bis 550 T€)
• Toleranzen > 0,1 mm
• vielfach spezieller Modellwerkstoff
Eigenschaften der Modell-/Prototypenwerkstoffe weichen von denen der Serienteilwerkstoffe ab
• direkt hergestellte Metallbauteile weisen ungenügende Dichte auf (max.: 97 %) serienähnliche/-identische Metallteile erfordern weitere Verfahren zu ihrer Herstellung

• Gleichartiges:
 - STL-Datei als Träger der Eingangsinformationen
 - automatisierter Bauprozess, Schichtbildung
• Ähnliches:
 - Schritte der Prozesskette
 - Steuerung des „Werkzeuges“
 - schichtweises Generieren
• Unterschiedliches:
 - Wirkprinzip, -stelle, -vorgang, Wirkenergie
 - Ausgangsmaterial (Art, Festigkeit, ...), Materialkosten
 - erzeugbare Filigranität
 - Herstellbarkeit von Hohlräumen
 - Erfordernis einer Stützkontur
 - Bauzeit, Nacharbeitsaufwand
 - Investitionskosten

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Herstellungsfehler resultierend aus
• Fehlern im genutzten Datensatz (Lücken, Dopplungen, Fehlorientierungen)
• Fehlern im Ergebnis der Datenaufbereitung
   • Slicefehler
   • Treppenfehler (Übergang 3D-Modell zu 21/2-Fertigung)
   • Syntaxfehler im geslicten Datensatz
• Fehlern im Bauprozess
   • Nutzung falscher technologische Werte
   • Verzugsprobleme bei bestimmten Materialien
   • Durchhärtungseffekte
• Fehlern in der Nachbehandlung (Finish)
   • falsches Handling (z. B. Nachhärten)
   • Verzugsprobleme
   • Beschädigungen

Wirkvorgang
• chemischer Effekt: örtlich definierte Polymerisation eines flüssigen Kunststoffes (Monomer-Gemisch) in ein festes Polymer
• Energiezufuhr in Form von UV-Licht (Wellenlänge: 320 bis 370nm) durch Ionen- oder Festkörper-Laser, Laserleistung 10 ... 800 mW
• Aushärtung (Polymerisation) „voxelweise“ im Ergebnis des gepulsten Laserlichtes (Lage / Größe der Voxel abhängig von technologischen Parametern)
• Generieren der Objekte durch schichtweises Aufbringen und „Aushärten“ von Rohmaterial
• Polymerisation nur am Auftreffpunkt des Laserstrahls (Durchmesser ca. 0,25 mm) an der Badoberfläche und bis in eine Tiefe von max. 0,5 mm
• Einsatz einer Stützgeometrie zur Fixierung der erzeugten Schichten notwendig

v3 F44 F45

verwendete Werkstoffe : Kunststoffe

Gestaltbildung
• durch Bildung und Anordnung von Voxel (je Schicht)
• Laserstrahl wirkt an Badoberfläche (Wirkstelle), Plattform abgesenkt um Schichtdicke, Festlegung 3. Dimension (Koordinate z)
• bottom-up-Prinzip des Bauteil-Aufbaus, beginnend auf Plattform mit der untersten Schicht
• Laserstrahl und Bauplattform zur Gestalterzeugung gesteuert

Vorteile
• hohe Detailauflösung
• mehrere Bauteile auf einmal fertigbar
• dünnwandige, filigrane Bauteile herstellbar, gute Oberfläche
• leicht bearbeitbar für Endzustand
• maßgenauere Modelle und bessere Oberflächengüte gegenüber
anderen RP-Verfahren

Nachteile
• hohe Materialkosten
• eng begrenzte Werkstoffpalette
• begrenzter Bauraum Nachteil des begrenzten Bauraums kann durch “Zusammenkleben” mehrerer gebauter Partien (Klebstoff: gleiches Harz, UV-Bestrahlen) überwunden werden
• Nachhärten erfordert Zeit
• Schrumpfen der Bauteile
• Schutz der Monomere vor Sonnenlicht wegen des Aushärtens

Wirkvorgang
• Nutzung eines physikalischen Effekts
• Aufschmelzen pulverförmiges Material oder einer Komponente (Binder, niedrigschmelzende Legierung) durch Wärmezufuhr
• Verbindung der Pulverpartikel beim Erkalten/Erstarren
• Wärmezufuhr durch CO2-Laser (Wellenlänge: 10 000 nm, Infrarot; Laserleistung: 25 ... 200 W, -zigfache von SL; Laserdm.: 0,3 ... 0,5 mm)
• Generierung von Objekten durch schichtweises Aufbringen und Aufschmelzen von Pulver
• Aufheizen der Arbeitskammer bis kurz unterhalb der Schmelztemperatur (reduziert Laserleistung, verringert Verzug der Bauteile)
• Füllen der Arbeitskammer mit Schutzgas (N2)

verwendete Werkstoffe: Kunststoffe, Metalle, Formsand, Keramik

v4 F7 F8

Gestaltbildung
• Gestalt aus verschmolzenen Partikeln gebildet
• Partikelgröße Metallpulver: 50 oder 100 μm
• Führung des Laserstrahls – wie bei STL-Anlage
• neue Pulverschicht aufgetragen, aus einer Kartusche
• Bauteil im Pulverbett liegend, abgestützt durch das Pulver
• Bauleistung: 15 bis 25 mm/Stunde

Vorteile
• billigeres Material (bei Kunststoffteilen, gegenüber SL)
• breiteres Materialsortiment (gegenüber SL)
• ungefährliches Material
• mehrere Bauteile auf einmal fertigbar (auch Spiegeln, Rotieren, Schieben und Skalieren)
• Hohlräume gut fertigbar
• keine Supportstruktur erforderlich (Einbettung in pulvergefüllten Raum)
• leicht bearbeitbar für Endzustand (z.B. bei Polystyrol, Bronze)
• Oberflächenbehandlung möglich (Farbgebung, Beschichten)

Nachteile
• raue Oberfläche der Bauteile
• Porosität der Bauteile
• schwankende Dichte im Bauteil
• beheizter Arbeitsraum, Aufheizen nach Unterbrechung des Betriebs notwendig

Wirkvorgang
• Schmelzen erwärmten “Drahtes”, der mit Führungsdüse (Extrudierdüse) positioniert wird
• verbindet sich mit vorhergehender Schicht und erkaltet
• Schmelzort: Führungsdüse im Extrusionskopf
• Arbeitstemperatur: 50 bis 85° C
• Drahtstärke: 1,8 mm Durchmesser

v4 F19 F20

verwendete Werkstoffe: Kunststoffe (Metalle)

Gestaltbildung
• mit Draht, Spurbreite: 0,3 und 2,5 mm
• Führungsdüse fährt Kontur ab
• Stützkontur mit Zweitmaterial gebaut
• seit 1999 Stützmaterial wasserlöslich, gebautes Modell in Wasserbad zum Ablösen der Stützkontur legen

Vorteile
• billigeres Material (gegenüber Verfahrens SL)
• ungefährliches Material (gegenüber Verfahrens SL)
• leichter Materialwechsel (von Kunststoff zu Kunststoff oder zu Wachs)
• Hohlräume gut fertigbar (Voraussetzung: wasserlösliches Stützmaterial)
• leicht bearbeitbar für Endzustand
• geringe Wartungskosten der Anlage

Nachteile
• Nahtlinie zwischen den Schichten vorhanden
• geringe Festigkeit längs der z-Achse (Schicht-Achse)
• Schichtablösung durch Temperaturschwankungen beim Bauen
• kontinuierliche Bewegung des Extrusions-Kopfes (Vorschubgeschwindigkeit konstant)

Wirkvorgang
• Schicht Spezialpulver mit Binder aus Düsen gefügt (ohne Erwärmung)
• Farbe mit eingedruckt - 24 Bit Farbtiefe
• Trocknen im Ofen
• Modelle oft mit Kunstharz oder Wachs zusätzlich infiltriert

v4 F27

verwendete Werkstoffe: Kunststoffe, Metalle, Formsand, Keramik

Gestaltbildung
• nach Prinzip des Tintenstrahldruckers, 128 Düsen (Streifen für Streifen, 9,1 mm breit)
• Bauteil im Pulverbett, keine Stützkonstruktion notwendig
• größere Bauteile aus Segmenten gefügt, Segmente mit Sekundenkleber verbunden

Vorteile
• filigrane und dünnwandige Strukturen herstellbar
• farbige Modelle
• ungiftiges Material, sehr billig
• geringe Zeiten und Kosten
Beispiel:
          Kurbelgehäuse (Abmessungen 180 mm x 170 mm x 117 mm)
          hergestellt in < 4 h, Kosten von ca. 100 EUR(dagegen bei SL: bis 2 Tage, Kosten von 600 bis 900 EUR)

Nachteile
• geringe Festigkeit, brüchige und poröse Bauteile, Festigkeit erhöht durch Infiltration mit Kunstharz oder Wachs
• geringe Genauigkeit

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