Additive Fertigung komplexer Teile aus Metall

Additive Fertigung_Maschinenbau
Additive Fertigung komplexer Teile aus Metall
Mit additiven Fertigungsprozessen lassen sich auch komplexe Strukturen sehr einfach direkt aus dem CADProgramm herstellen. Kundenspezifische Einzelanfertigungen, aber auch Serien mit geringen Stückzahlen
sind möglich, denn kostspielige Werkzeuge oder Formen entfallen.
ZPP
Harz oder Pulver
Selektives Laserschmelzen: Der Laser erhitzt das Pulver, lässt es lokal schmelzen. Schicht für Schicht wird das
Bauteil aufgebaut.
gungsverfahren wie Drehen,
Bohren oder Fräsen, bei denen
von aussen nach innen Material
abgetragen wird. Dank additiver Fertigung können komplexe
Strukturen realisiert werden,
die bis anhin nicht möglich
waren.
Wie geht man dabei vor?
Grundlegend wird ein vorhandenes 3D-CAD-Modell in
Einzelschichten zerlegt. Mit
dieser geometrischen Schichtinformation und den Prozessparametern kann ein additives
Fertigungssystem (3D-Drucker)
gesteuert werden. Ein Material
wird schichtweise auf eine Arbeitsplatte aufgetragen und nach
einem bestimmten additiven
Fertigungsprinzip durch die
jeweiligen Schichtinformationen
selektiv verfestigt. Die Bauplatte wird anschliessend um die
Schichtdicke abgesenkt und der
Prozess wiederholt sich, bis das
ganze Bauteil von unten nach
oben aufgebaut ist. Das fertige
Bauteil muss von der Bauplatte
gelöst und oft noch thermisch
nachbehandelt oder mechanisch
nachbearbeitet werden.
ZPP
Die additive Fertigung bzw. das
3D-Printing hält in vielen Branchen Einzug. Sie bringt neue
Lösungsansätze und ermöglicht
komplexe, bisher unmögliche
Konstruktionen und erschliesst
damit neue Anwendungsfelder. Insbesondere bei kleinen
Stückzahlen ist eine wirtschaftliche Fertigung realisierbar.
Am Zentrum für Produkt- und
Prozessentwicklung (ZPP) der
ZHAW School of Engineering
in Winterthur ist die additive
Fertigung Gegenstand von
zahlreichen Projekten in Forschung und Entwicklung. Da die
erfolgreiche Anwendung auch
ein Umdenken des Entwicklers
und Konstrukteurs voraussetzt,
ist diese neue Fertigungstechnologie vermehrt Bestandteil im
Maschinenbaustudium und der
Weiterbildung.
Das älteste additive Fertigungsverfahren ist die Stereolithografie. Hier besteht das
Ausgangsmaterial aus flüssigem Photopolymerharz. Die
Verfestigung entsteht durch
selektive Polymerisation beim
Belichten mit einem Laser.
3D-Drucker verwenden hingegen als Ausgangsmaterial
Metall-, Kunststoff-, Keramik-,
Stärkepulver oder auch Sand.
Die Pulverpartikel werden
selektiv durch Einbringen eines
Binders verklebt.
Bei den extrudierenden Verfahren, beispielsweise dem
weitverbreiteten Fused Deposite Modelling (FDM), werden
strang- oder filamentförmig
Polymere durch Erweichen des
thermoplastischen Materials
mittels einer beheizten Düse
oder eines Druckkopfes lokal
aufgetragen. Direkte Abkühlung
sorgt dafür, dass sich das extrudierte Material verfestigt.
Bei den laserbasierten Verfahren
unterscheidet man zwischen
Laser-Sintern und Laserschmelzen. Laser-Sintern (LS) oder
Selektives Laser-Sintern (SLS)
bezeichnet das schichtweise
Auftragen von pulverförmigen
Polymeren, Compounds oder
Keramiken mit Füllstoff oder
Binder. Anschliessend erfolgt
das Sintern des pulverförmigen
Der Prozess
Unter additiver Fertigung
versteht man die schichtweise
Herstellung von Bauteilen von
unten nach oben – im Gegensatz zu subtraktiven Ferti-
Das Hybrid-Spritzgusswerkzeug mit konturnahem Kühlkanal wurde additiv auf einer konventionell gefertigten Werkzeuggrundplatte aufgebaut.
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Materials durch Einwirkung
eines Lasers. Beim Selektiven
Laserschmelzen – engl. Selective
Laser Melting (SLM) – wird Metallpulver in einer sehr dünnen
Schicht auf die Arbeitsplatte aufgetragen und mit einem Laser
dort, wo die Schichtinformationen vorliegen, aufgeschmolzen. Das Ganze ähnelt einem
Schweissprozess. Neben den
richtigen Verfahrensparametern, wie der Laserleistung, der
Abtastgeschwindigkeit und der
Schichtdicke, ist die Abführung
der hohen thermischen Energie
aus der Schmelzzone eine grosse
Herausforderung. Hilfreich sind
dabei sogenannte Supportstrukturen zur Ableitung der thermischen Energie, die aber nach
dem Fertigungsprozess aufwendig entfernt werden müssen.
ZPP
Maschinenbau_Additive Fertigung
Mischelemente für die Abgasreinigung (links) und statische Mischer für technische Flüssigkeiten (rechts) werden in
kleiner Stückzahl benötigt.
Metallische Bauteile
Es gibt zahlreiche Beispiele für
innovative Lösungen in der
Produktentwicklung durch den
Einsatz des Selektiven Laserschmelzens. So lassen sich für
den Leichtbau notwendige komplexe Gitterstrukturen bis hin zu
bionischen, belastungsoptimierten Strukturen mit viel weniger
Aufwand herstellen.
Implantate in der Medizin und
Zahnersatz in der Dentaltechnik
lassen sich kundenindividuell
anfertigen. Durch die werkzeuglose Fertigung direkt aus
dem CAD-Modell oder aus dem
geometrischen Modell aufgrund
eines 3D-Scans – wie es heute
Stand der Technik in der Dentalmedizin ist – werden diese Teile
perfekt auf die Bedürfnisse des
Patienten «lasergeschmolzen».
Mischelemente kommen in der
Abgasreinigung zum Einsatz. Sie
werden für die bessere Durchmischung von Harnstoff zur NOxReduktion eingesetzt. An stationären Spezial-Dieselmaschinen
sind nur wenige dieser Mischelemente notwendig. Auch chemischen Anlagen werden statische
Mischelemente zum Vermischen
technischer Flüssigkeiten eingesetzt. Bei den in diesen Fällen
geringen Stückzahlen lohnt sich
ein aufwendiges Giessen oder
Schweissen nicht, deshalb ist
eine additive Fertigung sinnvoll
und wirtschaftlich.
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Das Verfahren lohnt sich auch
für Spritzgusswerkzeuge mit
konturnaher Kühlung, wo in
einem wendelförmigen Kanal das
Kühlwasser direkt unter die Oberfläche des Spritzgusswerkzeugs
gebracht wird. Dadurch kann das
Spritzgussteil schneller abkühlen
und die Zykluszeit erheblich verkürzt werden. Solche Kühlkanäle
sind nur additiv von unten nach
oben herstellbar. Auch ist es möglich, eine solch komplexe Form
auf eine bestehende Struktur
z.B. einer Werkzeuggrundplatte
aufzubauen. Der Vorteil einer
solchen Hybridfertigung ist, dass
die einfache Struktur sehr schnell
konventionell gefertigt werden
kann und die komplexe Struktur
danach additiv ergänzt wird.
Entfernung zusätzlichen
Aufwand bedeutet. Mit einer
thermischen Nachbehandlung
lassen sich Spannungen aus dem
additiven Fertigungsprozess
reduzieren oder die geforderten
Festigkeitswerte erreichen.
Um die Vorteile eines nahezu
unbegrenzten gestalterischen
bzw. konstruktiven Spielraums
voll zu nutzen, muss man schon
bei der Konstruktion die additive Fertigung berücksichtigen.
Die werkzeuglose, additive
Fertigung komplexer Teile
direkt aus dem CAD und der
kundenindividuelle Gestaltungsspielraum – das sind klar
überwiegende Vorteile. Deshalb
besetzen die additiven neben
den konventionellen Fertigungsverfahren eine wirtschaftlich
interessante Nische. In vielen
Bereichen des Maschinenbaus
oder der Medizintechnik haben
sich die additiven Fertigungsverfahren bereits etabliert.
Allerdings gilt es, die Prozesse
und Maschinen weiter zu
optimieren. Mit seiner Tätigkeit
in Forschung und Entwicklung
trägt auch das ZPP seinen Teil
dazu bei.
Andreas Kirchheim
Schwerpunktleiter Advanced Production Technology am Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
der ZHAW School of Engineering
www.zhaw.ch/zpp
zudem
Auf der Erfolgsspur
Nach dem heutigen Stand der
Technik bieten die additiven
Fertigungsverfahren – insbesondere das Selektive Laserschmelzen von metallischen Bauteilen
– viele Vorteile. Nichtsdestotrotz
müssen dabei fertigungsbedingte Besonderheiten berücksichtigt werden. So ist es bei
metallischen Teilen aufgrund
der Oberflächenrauigkeit meist
nötig, sie an Funktionsflächen
mechanisch nachzubearbeiten.
Zudem müssen Überhänge mit
Supportstrukturen versehen
werden, deren nachträgliche
Weiterbildungskurs additive Fertigung
Die ZHAW School of Engineering bietet ab Herbst 2015 den Weiterbildungskurs (WBK) Additive Fertigung (3D-Druck) an. Der Kurs vermittelt den
Teilnehmern die unterschiedlichen additiven Fertigungsverfahren und die
korrespondierenden Prozesse zur Vor- und Nachbereitung. Der Kurs zeigt
die Vorteile gegenüber der konventionellen Fertigung wie auch die Grenzen
der additiven Fertigung. Angesprochen sind Ingenieure FH/ETH, Techniker HF sowie interessierte Fachpersonen aus Industrie, Forschung und
Hochschulwesen. Das Ausbildungsprogramm umfasst neben Vorlesungen auch praxisorientierte Fallbeispiele, Arbeiten an der Maschine sowie
Selbststudium. Der Kurs wird berufsbegleitend absolviert und umfasst acht
Halbtage. Kursstart: 24. September 2015.
Weitere Information: www.engineering.zhaw.ch/weiterbildung