3-D-Druck von Metall- und Kunststoffteilen inklusive fertigungsgerechter Konstruktion.
Mit Additive Manufacturing werden generative Verfahren bezeichnet, mit denen in kurzer Zeit physische Teile direkt aus 3-D-CAD-Modellen hergestellt werden. Lange Zeit war die konstruktive Gestaltung von Bauteilen durch die zur Verfügung stehenden klassischen Fertigungsverfahren stark eingeschränkt. Mit dem Aufkommen der generativen Fertigungsverfahren ist es nun möglich, Teile sehr komplexer Form überhaupt oder wirtschaftlich herzustellen.
Das Institut für Produkt- und Produktionsengineering verfügt über die folgenden Verfahren:
Selective Laser Melting ist das erfolgreichste Fertigungsverfahren im metallischen 3D-Druck. Am IPPE existiert für den ganzen Entwicklungszyklus von SLM-Bauteilen extensives Know-How, von der Konstruktion über die Simulation, Fertigung und Werkstoffcharakterisierung bis hin zur Validierung.
Herstellung von Turbinenschaufeln mit SLM (Quelle: General Electric)
Zentrale Vorteile der SLM-Technologie sind unter anderem:
Sehr komplexe Geometrien können überhaupt bzw. wirtschaftlich hergestellt werden (“complexity for free”). Dadurch werden fundamentale Redesigns ermöglicht, welche auch Leistungssteigerungen des Bauteils beinhalten können (z.B. Lebensdauer-Erhöhung, Gewichtsreduktion eines Flugzeug-Bauteils)
Reduktion der Fertigungsschritte und dadurch Reduktion der Fertigungskosten (z.B. Fertigung einer fünfteiligen Baugruppe als einzelnes SLM-Bauteil)
Keine Hilfswerkzeuge
Sehr einfache Herstellung von individuell zugeschnittenen Bauteilen.
Erweiterung des Design Space und "complexity for free" durch SLM
Das Institut für Produkt- und Produktionsengineering verfügt über die SLM-Maschine SLM125 der Marke Realizer. Die Masse des Bauraumes der Maschine sind 125 x 125 x 200 mm. Verarbeitete Materialien sind sowohl Nickel-Basis-Legierungen (Superlegierungen), wie auch Aluminium und Stahl.
SLM-gefertigte Einspritzdüse des LEAP-Flugzeugtriebwerkes von GE (Gewichtsreduktion von 25%, Reduktion von 20 Bauteilen auf eines; Quelle: GE Aviation)
An der Fachhochschule Nordwestschweiz werden Kleinserien und Prototypen mit einer ProJet® MJP 2500 Plus-Anlage der Firma 3DSystems im Poly-Jet-Modelling-Verfahren hergestellt.
Dabei wird flüssiges Photopolymer mit einem Druckkopf schichtweise aufgetragen und durch UV-Lampen ausgehärtet (Genauigkeit bis zu 900 DPI). Gleichzeitig wird auch wachsartiges Supportmaterial aufgebaut, das nach dem Bauprozess sehr einfach in einem Ofen ausgeschmolzen wird.
Poly-Jet Modelling (Quelle: Objet)
Die maximale Bauteilgrösse liegt bei 294x211x144 mm. Grössere Bauteile können aufgeteilt und nach dem Druck zu einem Ganzen verklebt werden. Es stehen Materialien in verschiedenen Farben und Qualitäten zur Verfügung. Die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Bauteile lassen auch einen nachträglichen Zerspanungsprozess (z.B. Gewindebohren, Fräsen, Drehen und Schleifen) zu.
Bei additiven Fertigungsverfahren erfolgt die Fertigung nicht materialabtragend aus einem massiven Körper wie z.B. beim Fräsen, sondern materialzuführend, 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 oder Werkzeugen.
Prozessablauf
Durch den additiven Aufbauprozess entstehen auf der Basis von 3D-CAD-Daten einsatzfähige Bauteile im gewünschten Werkstoff, wobei je nach Verfahren im Anschluss an das Entnehmen der Teile aus der additiven Fertigungsanlage eine mechanische Nachbearbeitung, die Entfernung der Stützkonstruktionen und/oder eine Reinigung erforderlich sein können.
Einteilung der additiven Fertigungsverfahren
Mit zunehmender Anzahl verschiedener AM-Technologien wird die Auswahl des richtigen Verfahrens immer schwieriger. Häufig spielt die Bauteilequalität eine bedeutende Rolle, je nachdem ob es sich bei den Produkten um Fertigteile, Kleinserien oder Prototypen handelt.
Nachfolgend werden die aktuell wichtigsten AM-Verfahren nach der Art des Materials, wie es in die Maschine kommt, eingeteilt. Für den metallischen 3D-Druck wird momentan ausschliesslich Metallpulver verwendet. Bei den Kunststoffen bestehen weitere Möglichkeiten, wie z.B. ein Thermoplast-Draht, welcher beim FLM-Verfahren aufgeschmolzen wird.
