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Prof. Dr. Dieter Haller, HM

3D-Druck

Prof. Dr. Haller

14.03.2015

Historie – Technologie - Verfahren

Graf v. Montgelas,

Promenadeplatz München

Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Quelle: georgehart.com

Begriffe Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Generative (oder additive) Fertigungsverfahren

(landläufig „3D-Drucken“)

Grundlage: Schichtaufbau-Prinzip (1983)

● Generierung einer Schicht (x-y Ebene)

● Verbinden dieser Schicht mit der

vorhergehenden (in z-Richtung)

Pionier Charles Hull, 75

Gründer der Fa. 3D-Systems

Begriffe Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Generative Fertigungsverfahren

Rapid Prototyping

Rapid Manufacturing/

Direct Manufacturing

Rapid Tooling

Herstellung von Prototypenund Formen

Herstellung von Teilen

Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen

Importieren von STL-Daten

(Dreiecksfacetten)

CAD-Daten

STL-Datei

CAD-System

Scanner

AutoCADCATIASolidWorks…

Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Slicing

Optimale Positionierung des zu fertigenden Teils auf der Maschine

Falls erforderlich, Stützkonstruktionerzeugen

Optimale Ausnutzung der Bauplattfporm

Erzeugung maschinenspezifischer Daten

Skalierung des Teils (Vergrößern, Verkleinern)

Sichtbarmachen von Hinterschneidungen und Überhängen

Open-Source-

Programme:

z.B. „CURA“

Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Prinzipien Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Prinzipien der Schichtzeugung

1.) Generieren aus der festen Phase

• An- oder Aufschmelzen und Verfestigen von Pulvern oder Granulaten (Sinter- und Schmelzverfahren)

• Ausschneiden oder Ausfräsen aus Folien, Bändernoder Platten (Schicht-Laminat-Verfahren)

• An- oder Aufschmelzen und Verfestigen von festen Materialien (Extrusionsverfahren)

• Verkleben von Granulaten oder Pulvern durch Binder(3D-Printing)

Prinzipien Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Prinzipien der Schichtzeugung

2.) Generieren aus der flüssigen Phase

• Verfestigung, z.B. durch Polymerisation flüssiger oder teigiger Materialien

(laser- oder lampengestützte Stereolithograhie, Polymerdrucken)

3.) Generieren aus der Gasphase

• Physikalisches Abscheiden von Aerosolen

• Chemisches Abscheiden aus der Gasphase

Stereolithographie Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Vernetzen von flüssigem Photopolymer (Epoxidharze)

durch UV Belichtung per Laser. Erstes kommerziell

verfügbares Verfahren (1986/1987).

Zum Drucken komplexer Geometrienist Träger- oder Stützmaterial erforderlich, z.B. bei

- Hinterschnitten- Überhängen- Filigranen Strukturen- bei Bauteilen, die „in der Luft

hängen“

Stützmaterial muss nach dem Druckvorgang entfernt werden!

Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Stützmaterial verursacht

Kosten durch zusätzlichen Materialverbrauch

Zusätzliche und teilweise zeitintensive Nacharbeiten

Probleme beim Lösen des Support-Materials

Verminderte Oberflächenqualität durch bleibende

Rückstände

Erhöhte Druckdauer

Modellerzeugung Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Eigenschaften des Stereolithographie –Verfahrens

● photoresistives Material

● Zugfestigkeit und E-Modul gering

● Frühere Materialien mit geringerTemperaturbeständigkeit und Kriechneigung, nicht so bei Epoxidharzen

● 2-stufiges Verfahren: zunächst 95%ige Vernetzung des Materials in der Anlage,dann völlige Aushärtung unter intensiver UV—Behandlung.

● Stützstrukturen erforderlich. Bauteil und Stütze aus demselben Material.

● Aufbau großer Teile aus kleineren möglich.

Stereolithographie Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Selectives Laser Sintern (SLS)

Kunststoffpulver: niedrige Schmelzpunkte

Metall-Polymer-Pulver:polymerumhülltes Metallpulver. 2-stufiger Prozess: Im Polymer befinden sich Metallteilchen: Durch Wärmezufuhr Austreiben des Polymers. Im nächsten Schritt Infiltrieren eines niedrig-schmel-zenden Metalls.

Metall-Metall-Pulver: anstelle des Polymers Verwendung eines niedrigschmelzenden Metallpulvers. Mechanische Eigenschaften begrenzt.

Einkomponenten-Metallpulver: für Endprodukte

Sintern = Diffusion unter Druck, Temperatur und Zeit.

-> SLS: nur Temperatur

Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Neue technische

Möglichkeiten

3D-Kühlkanäle

■ 3D-Kühl-und Temperierkanäle

■ Optimierte Werkzeuge

■ Verbesserter Spritzgussprozess

(genauere Teile, weniger Verzug,

kürzere Zykluszeiten)

Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Blechumformung mit

Direct Tool

Prototyp-Werkzeug für Metallteile

Aus 2,5 mm Stahlblech

Schließkraft 33 Tonnen

/Quelle EOS/

Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Blasformwerkzeug mit

DirectTool

Werkzeug zur Serienproduktion

von PET-Flaschen

Kombination mit konventionellem

Produktionswerkzeug

Mit integrierten Kühlkanal-

einsätzen, damit enorme

Verkürzung der Zykluszeiten

/Quelle EOS/

Selektives Lasersintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Teileherstellung ohne Werkzeug

DirectPart

► Rapid Manufacturing ohne Werkzeug

► Rasche Verfügbarkeit

► Testen von Varianten

/Quelle EOS/

3D-Drucken Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Schichtweise Verfestigung eines Pulverwerkstoffs durch Aufdruck

eines flüssigen Binders. Prinzip: Tintenstrahldrucken.

3D-Drucken

Fa. Z Corporation

vollfarbig, sehr schnell, sehr produktiv,

niedrige Materialfolgekosten,

niedrige Instandhaltungskosten,

einfache Bedienbarkeit,

Stützmaterial wird recycelt

Erste Funktionsprüfung, Variantenerprobung,

Formfindung, Kommunikation, Präsentation,

Design, Entwicklung, Marketing, Vertrieb,

Anschauungsmodelle

3D-Drucken Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Prinzip:

Verlorene Sandform

CAD-Modell

SandformEinbetten der

Sandform

Entformenl

Alu-Guss

…und action!

Actionszenen in aufwändigen Film-produktionen erfordern aufwändigeFilmrequisiten.

Nachbauten von Aston Martins für James Bond Filme.

Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Voxeljet Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Große Teile für Film,Architektur, Designoder Kunst

Fused Deposition Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Erfinder: Scott Crump, Gründer

von Stratasys

FDM-Technologie(Fused Deposition Modeling)

Stratasys

Schichtweiser Teileaufbau

aus einem halbflüssig erhitz-

ten Thermoplasten.

Zwei Materialien: Modell- und

Stützmaterial. Das Druckmate-

rial wird zum Druckkopf geführt,

der sich entlang der X- und Y-

Achsen bewegt.

Nach Beendigung des

Druckvorgangs muss das

Stützmaterial mechanisch oder

chemisch entfernt werden.

Extrusionsverfahren

(Fused Layer Modeling, FLM)

Einzeldüsen: FDM

Mehrfachdüsen: Multi-Jet (3D-Systems)

Beispiel FDM-Technologie Prof. Dr. Dieter Haller, HM

ULTIMAKER II

Fa. ULTIMAKER

FABBSTER G

Fa. SINTERMASK

REPLICATOR 2

Fa. MAKERBOT

Aufdruck von flüssigem Photopolymer über

Piezodruckkopf und Aushärtung durch UV-

Belichtung.

Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Variation der Materialeigen-

schaften über das Bauteil

hinweg

- hart-weich

- lokal geänderte Zusammen-

setzungen

- diskontinuierliche

Verteilungen

- farbige Bauteile

Herstellung traditionell

nicht herstellbarer Teile

Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Die RP-Anlagen von Objet sind aufgrund

ihrer hohen Auflösung und Genauigkeit für

verschiedene Anwendungen im Dental-

Markt hervorragend geeignet.

Neben der Herstellung von Urmodellen, für

den Abguss oder als Werkzeug für das

Vakuumtiefziehen von transparenten

Kunststoffschienen zur Zahnkorrektur,

werden diese Anlagen für die Prototypen-

herstellung von Produkten der Dental-

Industrie eingesetzt.

Testmöglichkeit bei Hochschule

München

Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Prototyp von Ketten, funktionsfähig,Hergestellt mit Polyjet-Verfahren

Funktionsfähiger Prototyp einer Sprinkleranlage, hergestellt mit FDM-Technologie, Stratasys

Polyjet-Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Laminated Layer Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Ausschneiden der Kontur aus Folien (Papier, Kunststoff,…) mit Messer oder Laser.

Verkleben dieser Schicht mit der vorherigen Schicht.

Laminated Layer Modelling (LLM)

Laminated Layer Modeling Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Zur Erreichung einer hohen Genauigkeit sind geringe Foliendicken erforderlich.

Am Ende des Bauprozesses Beseitigung der Folienreste vom Bauteil.

Selektives Laserschmelzen Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Lasersintern und Laserschmelzen

Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von (Werk-)Stoffen.

Dabei werden feinkörnige, keramische oder metallische Stoffe – oft unter

erhöhtem Druck – erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der

Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt

(Form) des Werkstückes erhalten bleibt.

Das Prinzip des Lasersinterns beruht auf der Verfestigung durch lokales

Versintern der Pulverpartikel;

Beim Laserschmelzen werden die Pulverpartikel lokal aufgeschmolzen.

Selektives Laserschmelzen Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Das Selektive Laserschmelzen dient zur

Herstellung von Bauteilen aus

pulverförmigen Materialien (z.B.

Metallpulver) eingesetzt. Die Bauteile

werden schichtweise aufgebaut.

Schichtenaufbau vergleichbar mit dem

Stereolithographie-Verfahren.

Bauplattform in z-Richtung verschiebbar.

Absenkung der Bauplattform.

Auftragen des Metallpulvers.

Belichtung mit Laserstrahl.

Alternativ: Materialzufuhr über Düse

Laserbeschichten Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Das Pulver wird direkt in ein vom Laser

erzeugtes Schmelzbad eingebracht.

Laserbeschichten/ Laserauftragsschweißen

Selektives Laserschmelzen Prof. Dr. Dieter Haller, HM

SLM (selective laser melting)

SLM ist eines von mehreren

Strahlschmelz-Verfahren, das zur

Herstellung von metallischen

Bauteilen erforscht und

weiterentwickelt wurde.

Sehr viele Freiheitsgrade bei der

Gestaltung der Turbinenschaufel:

Hohlräume und/oder Gitterstrukturen

in ein und demselben Verfahren

herstellbar.

Realisierung von Entwässerungs-

schlitzen, Beheizungsöffnungen

und/oder sonstigen Löchern. Leichtere Montage von Trieb-

werken durch Baugruppen mit

z.B. 6 Schaufeln

Mikro-Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Mikrostereolithographie

Mikrosintern

Mikrobauteile durch selektives

Laserschmelzen

Herstellung von Mikrobauteilen

TU Wien Zwei-Photonen-Lithographie.

Kritische Temperatur wird im Kreuzungs-

zweier Laser-Strahlen erreicht.

Die Nachbildung des Wiener Stephans-

doms ist geometrisch etwas vereinfacht,

aber unvorstellbar klein:

Nur etwas über 50 µm misst das Modell.

Zum Herstellen von winzigen maß-

geschneiderten Strukturen

Hochpräziser 3D-Drucker der TU Wien

bricht Geschwindigkeitsrekorde

(Bild: TU Wien)

Mikro-Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Selektives Maskensintern

Kernidee:

Während bei SLS die Laserquelle punktförmig

wirkt, wird hier mit einem flächig wirkenden IR-

Strahler eine Maske belichtet.

-> damit Aufschmelzen einer ganzen Bauebene

Selektives Masekensintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Selektives Maskensintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Selektives Maskensintern

Maske aus IR-absorbieren-

dem Material wird auf eine

Glasscheibe gedruckt.

Anschließend werden mit

einem Infrarot-Strahler alle

nicht durch die Maske

bedeckten Bereiche in der

Schnittebene belichtet und

aufgeschmolzen.

Beseitigung des

Restmaterials erforderlich.

Selektives Maskensintern Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Selektives Maskensintern

Vorteile des Verfahrens:

Durch die flächige Belichtung ist die Baugeschwindigkeit

unabhängig von der Größe der Baufläche.

Zum Vergleich beim SLS wird die Fläche linienförmig

abgefahren. Bauprozess hängt hier von der Baufläche ab.

Beim SLS-Verfahren wird mit monochromatischem Licht

des CO2-Lasers gearbeitet. Hierbei muss der zu

verarbeitende Kunststoff eine hohe Absorptionsfähigkeit im

entsprechenden Wellenbereich haben.

Durch die höhere Bandbreite des IR-Strahlers erweitert

sich hier die Materialpalette.

Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Übersicht:

Generative Verfahren

Polymerisation(Laser-) Stereolithographie SLAPolymerdrucken

Sintern/SchmelzenSelektives Lasersintern SLSSelektives Laserschmelzen SLMSelectives Masken Sintern SMSElektronenstrahlschmelzen EBM

Schicht-Laminat-Verfahren LLM

Extrusionsverfahren FDM

3D-Drucken 3DP

Nicht-Generative Fertigungsverfahren

Abformprozesse, die selbst nicht generativ sind, aber auf generativ hergestellten Urformen basieren

Silikonabguss

Vakuumgießen

Metallspritzen: Kst.-Teile mit metallischer Beschichtung

Metallische Werkzeuge zum Spritzgießen

…

Indirekte Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Harte Schale, komplexer Kern

Indirekte Verfahren Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Beschichtung von

Kunststoff-RP-Teilen

mit metallischer Umhüllung

Steigerung von Festigkeit

und Elastizität

Neue Materialien Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Neues flexibles elasto-plastisches Druckmaterial

Herstellung traditionell

nicht herstellbarer Teile

Materialeinsparung Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Möglichkeiten für den Leichtbau

Variation von Wandstärke und Füllungsgrad

Materialien Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Studie: Könnte es sich rentieren, Haushaltsgegenstände

selbst zu drucken, anstelle diese zu kaufen?

Untersuchung von 20 Haushaltsgegenständen wie Duschköpfe,

Smartphone-Cases und Küchenutensilien. Einkaufspreise wurden ermittelt

und mit den eigenen Druckkosten verglichen. Produktkosten von rund

235€ bis 1465€. Kosten bei Eigenproduktion nur etwa 13€.

Anschaffungskosten eines (kostengünstigen) 3D-Druckers von rund 265€

bis 1515€. Je nach Drucker und der Anzahl der erzeugten Gegenstände

könnte sich so ein 3D-Drucker zwischen einigen Monaten bis wenigen

Jahren rentieren

Materialien Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Vision: Künftige Ersatzteillogistik

Anwendungen: Kraftwerkstechnik,

Flugzeugturbinen

Nach Expertenschätzungen entfallen 10% der

Betriebskosten bei Fluggesellschaften auf

Lagerung und Just-in-Time-Lieferung.

Drucken der Ersatzteile vor Ort („Repair-on-

demand“)

Beim Laserstrahlschmelzen Einsatz mehrerer

Druckköpfe zum schnellen Aufbau von Titan-

Teilen.

Trends Baubranche Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Contour Crafting Anwendungsbereich: Bauindustrie

Ähnlich dem FDM werden einzelne Betonschichten

nacheinander großformatig aufgetragen, wodurch

unvergleichbar schnell z.B. Grundrisse zukünftiger

Unterkünfte entstehen können.

D-Shape-Prozess Prof. Dr. Dieter Haller, HM

„Radiolaria“ ist eine dreidimensionale

Struktur von Shiro Studio aus London.

D-Shape ist weltweit der größte

binderbasierte 3D-Plotter auf Basis von

Sand oder mineralischem Staub mit

einer Abmessung von bis zu 12 m.

Die drei Kubikmeter große Struktur ist

ein Modell für einen geplanten zehn

Meter hohen Pavillon, der 2010 in

Pontedera in Italien gebaut werden soll.

Der Prototyp ist 3m groß und wird in

einer Schichtstärke von jeweils fünf bis

zehn Millimeter generiert

Trend: Große Abmessungen Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Größere Abmessungen der Teile

Idee: Drucken von Möbelstücken

Trend: Drucken von Lebensmitteln Prof. Dr. Dieter Haller, HM

COCOJET

3D Systems bietet in Zusammenarbeit mit dem Süßwarenhersteller

HERSHEY (größter Schokolade-Hersteller in USA) einen

Schokoladedrucker an.

Trend: Drucken von Lebensmitteln Prof. Dr. Dieter Haller, HM

TNO arbeitet derzeit an der Entwicklung von neuen Lebensmittel 3D-

Druckern zur Ausstattung von Pflegeheimen.

Idee: Drucken für Patienten mit Kau- und Schluckproblemen. Dabei sollen

breiförmige Lebensmittel in einem Druckvorgang zu einem vollständigen

Gericht verarbeitet werden.

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

3D-Doodler

Einfach den Stift vom

Papier abheben und in

der Luft zeichnen!

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Schuhe aus dem 3D-Drucker

Trend: Individualisierung

3D-Drucken von Kleidern

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

ISPO 2015

München

Erstmals Vorstellung des

Prototyps eines 3D-gedruckten

Skischuhs

Herstellung durch Selective

Lasersintering (SLS) aus

Windform SP, einem Verbund-

werkstoff auf Basis von Polyamid

und Carbonfasern.

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Der swissPen

verarbeitet 1,75

Millimeter dickes

Plastik-Filament in

verschiedenen Farben,

das im Inneren auf

über 200 Grad erhitzt

wird. Mit den

geschmolzenen

Strängen kann der

Anwender dann wie

mit einem normalen

Stift malen.

swissPen

Objekte aus verschmolzenem

PLA- oder ABS-Kunststoff.

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

3D-Spinnendrucker

Freies Gestalten ohne eine Stützstruktur.

Druckt Kunststoff in der Luft.

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

3D-

Spinnendrucker

4 Extruder

Gedruckt wird eine

lineare Spur und 3

Wellen, die um 120°

zueinander versetzt

sind.

Diese stützen das

linienförmige Objekt.

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Zielsetzung:

Herstellung von künst-

lichen Geweben unter

Laborbedingungen

Behandlung von

Defekten, z.B. durch

Traumata, Tumore

oder Fehlbildungen

CANTER:

Centrum für Angewandtes Tissue

Engineering und Regenerative Medizin,

Forschungsnetzwerk zwischen Hochschule

München, LMU, TU München und Partnern.

Tissue

Engineering

Trends Prof. Dr. Dieter Haller, HM

Geschäftsmodelle

Dienstleistungen:

Herstellung von Prototypen und Teilen

Designobjekte

Ersatzteil-Fertigung

Nutzung neuartiger Herstellungsverfahren:

Flexiblere Reaktion auf Kundenwünsche

Neuartige Produkte:

Neuartige Formen und Materialien

Individualisierte Produkte, z.B. Hörgeräteschalen