Generative Fertigungsverfahren: Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing
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| Previous Title: | Gebhardt, Andreas Rapid Prototyping |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
München
Hanser
2007
|
| Edition: | 3. Aufl. |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Literaturverz. S. [479] - 485 |
| Physical Description: | XVI, 499 S. zahlr. Ill., graph. Darst. 25 cm |
| ISBN: | 9783446226661 3446226664 |
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| adam_text | Inhalt
Vorwort VII
1 Einordnung und Begriffsbestimmung 1
1.1 Systematik der Fertigungsverfahren 1
1.2 Systematik der Generativen Fertigungsverfahren 2
1.2.1 Rapid Prototyping 5
1.2.2 Rapid Manufacturing 6
1.2.2.1 Rapid Tooling - Direct Tooling - (PrototypeTooling) 6
1.2.2.2 Rapid Manufacturing - Direct Manufacturing 7
1.2.3 Abgrenzungen 7
1.3 Wie schnell ist Rapid? 8
1.4 Zuordnung der generativen Fertigungstechnik zu den Phasen der
Produktentstehung 9
2 Merkmale der Generativen Fertigungsverfahren 11
2.1 Verfahrensgrundlagen 11
2.2 Erzeugung der mathematischen Schichtinformation 16
2.2.1 Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz 16
2.2.1.1 Datenfluss und Schnittstellen 16
2.2.1.2 Modellierung dreidimensionaler Körper mittels 3D-CAD 18
2.2.1.3 Modellierung dreidimensionaler Körper aus Messwerten 21
2.2.2 Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten 23
2.2.2.1 STL-Format 23
2.2.2.2 CLI-/SLC-Format 28
2.2.2.3 PLY- und VRML-Format 31
2.3 Physikalische Prinzipien zur Erzeugung der Schicht 32
2.3.1 Generieren aus der flüssigen Phase 33
2.3.1.1 Photopolymerisation - Stereolithographie (SL) 33
2.3.2 Generieren aus der festen Phase 44
2.3.2.1 Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten
- Sintern (Lasersintern, LS), Schmelzen 44
2.3.2.2 Ausschneiden aus Folien und Fügen
- Layer Laminate Manufacturing (LLM) 50
2.3.2.3 Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase
- Fused Layer Modeling (FLM) 52
2.3.2.4 Verkleben von Granulaten mit Bindern
- 3D Printing (3DP) 54
2.3.3 Generieren aus der Gasphase 56
2.3.3.1 Aerosoldruckverfahren 56
2.3.3.2 Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) 57
2.3.4 Sonstige Verfahren 58
2.4 Elemente zur Erzeugung der physischen Schicht 59
2.4.1 Bewegungselemente 59
2.4.2 Generierende und konturierende Elemente 61
2.4.3 Schichterzeugendes Element 67
2.5 Klassifizierung der Generativen Fertigungsverfahren 68
2.6 Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der Generativen
Fertigungsverfahren 70
3 Generative Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und
Direct Manufacturing 77
3.1 Polymerisation - Stereolithographie (SL) 80
3.1.1 Maschinenspezifische Grundlagen 80
3.1.2 Übersicht: Polymerisation - Stereolithographie 89
3.1.3 Stereo Lithography Apparatus (SLA-) - 3D Systems 90
3.1.4 STEREOS - EOS 99
3.1.5 Stereolithographie - Fockele Schwarze (F S) 100
3.1.6 Mikrostereolithographie - microTEC 103
3.1.7 Solid Ground Curing — Cubital 105
3.1.8 Digital Light Processing - Envisiontec 105
3.1.9 Polymerdrucken - Objet 110
3.1.10 Multi-Jet-Modeling (MJM) - In Vision - 3D Systems 113
3.1.11 Digital Wax - Next Factory 115
3.1.12 Film Transfer Imaging - 3D Systems 117
3.1.13 Sonstige Polymerisationsverfahren 119
3.1.13.1 Paste Polymerization - OptoForm 119
3.2 Sintern/Selektives Sintern — Schmelzen im Pulverbett 121
3.2.1 Maschinenspezifische Grundlagen 121
3.2.2 Übersicht: Sintern - Schmelzen 125
3.2.3 Selektives Lasersintern - 3D Systems 126
3.2.4 Lasersintern - EOS 136
3.2.5 Laser Schmelzen - MCP-HEK/Fockele Schwarze 146
3.2.6 Laser Cusing — Concept Laser 149
3.2.7 Direktes Laserformen - TRUMPF 153
3.2.8 Elektronenstrahlsintern - ARCAM 156
3.2.9 Selective Mask Sintering (SMS) - Speed Part 159
3.2.10 Lasersintern - Phenix 161
3.3 Beschichten - Schmelzen mit der Pulverdüse 162
3.3.1 Verfahrensprinzip 163
3.3.2 Laser Engineered Net Shaping (LENS) - Optomec 165
3.3.3 Direct Metal Deposition (DMD) -TRUMPF/POM 168
3.4 Schicht-Laminat-Verfahren - Layer Laminate Manufacturing (LLM) 171
3.4.1 Übersicht: Schicht-Laminat-Verfahren 171
3.4.2 Maschinenspezifische Grundlagen 172
3.4.3 Laminated Object Manufacturing (LOM) - Cubic Technologies 176
3.4.4 Rapid Prototyping System (RPS) - Kinergy 180
3.4.5 Selective Adhesive and Hot Press Process (SAHP) - Kira 182
3.4.6 RapidPro - Boxford 185
3.4.7 Layer Milling Process (LMP) - Zimmermann 187
3.4.8 Stratoconception - rp2i 189
3.4.9 Stratified Object Manufacturing (SOM) - ERATZ 191
3.4.10 Plastic Sheet Lamination - 3D Systems 193
3.4.11 Sonstige Schicht-Laminat Verfahren 195
3.4.11.1 Bauteile aus Metalllamellen - Laminated Metal Prototyping... 195
3.5 Extrusionsverfahren - Fused Layer Modeling (FLM) 196
3.5.1 Übersicht: Extrusionsverfahren 196
3.5.2 Fused Deposition Modeling (FDM) - Stratasys 196
3.5.3 Multiphase Jet Solidification (MJS) - ITP 205
3.5.4 3D-Printer Dimension - Stratasys 205
3.5.5 Wachsprinter - Solidscape 207
3.5.6 Multi-Jet-Modeling (MJM) - Thermojet - 3D Systems 210
3.6 Three Dimensional Printing (3DP) 210
3.6.1 Übersicht: 3D Printing 210
3.6.2 3D-Printer - Z-Corporation 210
3.6.3 Rapid Production Machine Tools — Prometal 215
3.6.3.1 Metall-Linie: Direct Metal Printer 216
3.6.3.2 Formsand-Linie: Direct Core and Mold Making Machine 219
3.6.4 Direct Shell Production Casting (DSPC) - Soligen 220
3.6.5 3D-Druck-System - Voxeljet 223
3.6.6 Maskless Masoscale Material Deposition (MD) - Optomec 225
3.7 Hybridverfahren 227
3.7.1 Laserauftragsschweißen und Fräsen - Controlled Metal Build Up (CMB)
- Röders 227
3.7.2 Laminieren und Ultraschallschweißen - Ultrasonic Consolidation
- Solidica 229
3.8 Zusammenfassende Betrachtung der Rapid Prototyping Verfahren 231
3.8.1 Charakteristische Eigenschaften der Generativen Fertigungsverfahren
im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren 232
3.8.2 Genauigkeit 234
3.8.3 Oberflächen 237
3.8.4 Benchmark-Tests und User-Parts 240
3.9 Entwicklungsziele 243
3.10 Folgeprozesse 244
3.10.1 Zielwerkstoff Kunststoff 244
3.10.2 Zielwerkstoff Metall 244
4 Rapid Prototyping 245
4.1 Einordnung und Begriffsbestimmung 245
4.1.1 Eigenschaften von Prototypen 245
4.1.2 Charakteristika des Rapid Prototyping 246
4.2 Strategische Aspekte beim Einsatz von Prototypen 247
4.3 Operative Aspekte beim Einsatz von Prototypen 253
4.3.1 Rapid Prototyping als Werkzeug zur schnellen Produktentwicklung 253
4.3.1.1 Modelle 254
4.3.1.2 Modellklassen 254
4.3.1.3 Modellklassen und generische Verfahren 258
4.3.1.4 Zuordnung von Modellklassen und Modelleigenschaften
zu den Familien der Generativen Fertigungsverfahren 261
4.3.2 Anwendung des Rapid Prototyping in der industriellen Produkt¬
entwicklung 264
4.3.2.1 Beispiel: Pumpengehäuse 265
4.3.2.2 Beispiel: Büroleuchte 266
4.3.2.3 Beispiel: Einbauleuchtenfassung 270
4.3.2.4 Beispiel: Modellbaggerarm 271
4.3.2.5 Beispiel: LCD-Projektor 274
4.3.2.6 Beispiel: Kapillarboden für Blumentöpfe 276
4.3.2.7 Beispiel: Gehäuse einer Kaffeemaschine 276
4.3.2.8 Beispiel: Ansaugkrümmer eines Vierzylindermotors 277
4.3.2.9 Beispiel: Cocktailbecher 278
4.3.2.10 Beispiel: Spiegeldreieck 279
4.3.2.11 Beispiel: Cabrioverdeck 280
4.3.3 Rapid Prototyping Modelle zur Visualisierung von 3-D Daten 283
4.3.4 Rapid Prototyping in der Medizin 284
4.3.4.1 Charakteristika medizinischer Modelle 284
4.3.4.2 Anatomische Faksimiles 285
A3 A3 Beispiel: Anatomisches Faksimile für eine Umstellungs-
osteotomie 287
4.3.5 Rapid Prototyping in Design, Kunst und Architektur 288
4.3.5.1 Modellbildung in Design und Kunst 288
4.3.5.2 Beispiel Kunst: Computer-Skulptur 289
4.3.5.3 Beispiel Design: Flaschenöffner 289
4.3.5.4 Angewandte Kunst - Bildhauerei und Plastiken 291
4.3.5.5 Beispiel Archäologie: Büste der Königin Teje 292
4.3.5.6 Modellbildung in der Architektur 293
4.3.5.7 Beispiel Architektur: Deutscher Pavillon für die Expo 92 294
4.3.5.8 Beispiel Architektur: Wohnungsbauprojekt 294
4.3.5.9 Beispiel Architektur: Groud Zero 295
4.3.6 Rapid Prototyping zur Überprüfung von Rechenverfahren 296
4.3.6.1 Spannungsoptische und thermoelastische Spannungsanalyse .. 296
4.3.6.2 Beispiel: Spannungsoptische Spannungsanalyse an einem
Kipphebel eines LKW-Verbrennungsmotors 298
4.3.6.3 Beispiel: Thermoelastische Spannungsanalyse zum
Festigkeitsnachweis an einer Automobilfelge 300
4.4 Ausblick 302
5 Rapid Tooling 303
5.1 Einordnung und Begriffsbestimmung 303
5.2 Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge 305
5.2.1 Strategische Aspekte beim Einsatz Generativer Werkzeuge 305
5.2.1.1 Schnelligkeit 306
5.2.1.2 Umsetzung neuer technischer Konzepte 306
5.2.2 Konstruktive Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge 308
5.2.2.1 Prototypwerkzeuge 308
5.2.2.2 Bereitstellung der Daten 311
5.3 Indirekte Rapid Tooling Verfahren — Abformverfahren und Folgeprozesse 312
5.3.1 Eignung generativer Verfahren zur Herstellung von Urmodellen
für Folgeprozesse 312
5.3.2 Indirekte Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für Kunststoff¬
bauteile 313
5.3.2.1 Abgießen in weiche Werkzeuge oder Formen 314
5.3.2.2 Abgießen in harte Werkzeuge 318
5.3.2.3 Andere Abformverfahren für harte Werkzeuge 323
5.3.3 Indirekte Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen 324
5.3.3.1 Der Feingussprozess mit generativen Prozessschritten 324
5.3.3.2 Werkzeuge durch Feinguss von Rapid Prototyping Urmodellen 327
5.4 Direkte Rapid Tooling Verfahren 328
5.4.1 Prototype Tooling - Werkzeuge auf der Basis von
Kunststoff-Rapid-Prototyping-Modellen und -Verfahren 328
5.4.1.1 ACES Injection Molding, AIM 328
5.4.1.2 Tiefziehen oder Thermoformen 329
5.4.1.3 Ausgießen von Rapid Prototyping Modellen 330
5.4.1.4 Herstellung von Kernen und Formen für den Metallguss 330
5.4.2 Metallwerkzeuge auf der Basis von mehrstufigen generativen Prozessen. 332
5.4.2.1 Selektives Lasersintern von Metallen - IMLS - 3D Systems 332
5.4.2.2 Paste Polymerization — OptoForm 333
5.4.2.3 3D Printing von Metallen - Prometal 333
5.4.3 Direct Tooling - Werkzeuge auf der Basis von Metall Rapid Prototyping
Verfahren 334
5.4.3.1 Mehrkomponenten-Metallpulver-Lasersintern 335
5.4.3.2 Einkomponenten-Metallpulver-Verfahren — Sintern und
Generieren 336
5.4.3.3 Laser-Generieren mit Pulver und Draht 340
5.4.3.4 Schicht-Laminat-Verfahren - Metalllamellenwerkzeuge -
Laminated Metal Tooling 342
5.5 Ausblick 343
6 Direct Manufacturing - Rapid Manufacturing 345
6.1 Einordnung und Begriffsbestimmungen 345
6.1.1 Begriffe 346
6.1.2 Vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing 347
6.1.3 Anforderungen an die direkte Fertigung 348
6.2 Potenziale der generativen Fertigung von Endprodukten 348
6.2.1 Erhöhte Konstruktionsfreiheit 349
6.2.1.1 Erweiterte konstruktive und gestalterische Möglichkeiten 349
6.2.1.2 Funktionsintegration 350
6.2.1.3 Neuartige Konstruktionselemente 350
6.2.2 Herstellung traditionell nicht herstellbarer Produkte 351
6.2.3 Variation von Massenprodukten 352
6.2.4 Personalisierung von Massenprodukten 353
6.2.4.1 Passive Personalisierung - Hersteller Personalisierung 353
6.2.4.2 Aktive Personalisierung - Kunden Personalisierung 355
6.2.5 Realisierung neuer Werkstoffe 356
6.2.6 Realisierung neuer Fertigungsstrategien 357
6.2.7 Entwurf neuer Arbeits- und Lebensformen 358
6.3 Anforderungen an generative Verfahren für die Fertigung 359
6.3.1 Anforderungen an die generative Herstellung eines Bauteils 359
6.3.1.1 Prozess 359
6.3.1.2 Materialien 361
6.3.1.3 Organisation 362
6.3.1.4 Konstruktion 362
6.3.1.5 Qualitätssicherung 363
6.3.1.6 Logistik 363
6.3.2 Anforderungen an die generative Serienfertigung mit heutigen
Verfahren 363
6.3.2.1 Prozess 364
6.3.2.2 Materialien 365
6.3.2.3 Organisation 366
6.3.2.4 Konstruktion 366
6.3.2.5 Qualitätssicherung 366
6.3.2.6 Logistik 367
6.3.3 Zukünftige Anforderungen an die generative Serienfertigung 367
6.3.3.1 Prozess 368
6.3.3.2 Materialien 369
6.3.3.3 Organisation 370
6.3.3.4 Konstruktion 370
6.3.3.5 Qualitätssicherung 371
6.3.3.6 Logistik 372
6.4 Realisierung des Rapid Manufacturing 372
6.4.1 Generative Fertigungsanlagen als Elemente einer Fertigungskette 373
6.4.2 Generative Anlagen zur Komplettfertigung von Produkten 374
6.4.2.1 Industrielle Komplettfertigung 374
6.4.2.2 Individuelle Komplettfertigung (Personal Fabrication) 376
6.5 Anwendungsbereiche 377
6.5.1 Anwendungsfelder nach Werkstoffen 377
6.5.1.1 Metallische Werkstoffe und Legierungen 378
6.5.1.2 Hochleistungskeramiken 379
6.5.1.3 Kunststoffe 380
6.5.1.4 Neue Werkstoffe 381
6.5.2 Anwendungsfelder nach Branchen 381
6.5.2.1 Werkzeugbau 381
6.5.2.2 Gießereiwesen 383
6.5.2.3 Medizinische Geräte und Hilfsmittel, Medizintechnik 386
6.5.2.4 Design und Kunst 390
6.6 Perspektiven 393
7 Sicherheitsvorschriften und Umweltschutz 395
7.1 Gesetzliche Grundlagen für das Betreiben und das Herstellen von Generativen
Pertigungsanlagen und den Umgang mit den zugehörigen Werkstoffen 396
7.1.1 Baurecht 396
7.1.2 Wasserrecht 397
7.1.3 Gewerberecht 398
7.1.4 Immissionsschutzrecht 399
7.1.5 Abfallrecht 400
7.1.6 Chemikalienrecht 401
7.1.6.1 Sicherheitsdatenblätter 403
7.1.6.2 REACH 404
7.2 Anmerkungen zu Materialien für die generative Fertigung 405
7.3 Anmerkungen zur Benutzung von generativ gefertigten Bauteilen 406
8 Aspekte zur Wirtschaftlichkeit 409
8.1 Strategische Aspekte 409
8.1.1 Strategische Aspekte für den Einsatz generativer Verfahren
in der Produktentwicklung 410
8.1.1.1 Qualitative Ansätze 410
8.1.1.2 Quantitative Ansätze 411
8.2 Operative Aspekte 412
8.2.1 Zur Auswahl geeigneter Generativer Fertigungsverfahren 412
8.2.2 Zur Ermittlung der Kosten von Rapid Prototyping Verfahren 413
8.2.2.1 Variable Kosten 413
8.2.2.2 Fixkosten 415
8.2.3 Charakteristika Generativer Fertigungsverfahren und ihre Auswirkung
auf die Wirtschaftlichkeit 417
8.3 Make or buy? 422
9 Zukünftige Rapid Prototyping Verfahren 425
9.1 Mikrobauteile 425
9.2 Mikrobauteile aus Metall und Keramik 425
9.2.1 Mikrobauteile aus Metall und Keramik mittels Laserschmelzen 426
9.2.1.1 Schmelzvorgang beim selektiven Laserschmelzen 426
9.2.1.2 MikroStrukturen aus Metallpulver 427
9.2.1.3 MikroStrukturen aus Keramikpulver 430
Anhang 433
Kritische Erfolgsfaktoren und Wettbewerbsstrategien 433
Wirtschaftlichkeitsmodell nach Siegwart und Singer 435
Technische Daten und Informationen 440
Begriffe und Abkürzungen 470
Literaturverzeichnis 479
Stichwortverzeichnis 487
Über den Autor 505
|
| adam_txt |
Inhalt
Vorwort VII
1 Einordnung und Begriffsbestimmung 1
1.1 Systematik der Fertigungsverfahren 1
1.2 Systematik der Generativen Fertigungsverfahren 2
1.2.1 Rapid Prototyping 5
1.2.2 Rapid Manufacturing 6
1.2.2.1 Rapid Tooling - Direct Tooling - (PrototypeTooling) 6
1.2.2.2 Rapid Manufacturing - Direct Manufacturing 7
1.2.3 Abgrenzungen 7
1.3 Wie schnell ist Rapid? 8
1.4 Zuordnung der generativen Fertigungstechnik zu den Phasen der
Produktentstehung 9
2 Merkmale der Generativen Fertigungsverfahren 11
2.1 Verfahrensgrundlagen 11
2.2 Erzeugung der mathematischen Schichtinformation 16
2.2.1 Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz 16
2.2.1.1 Datenfluss und Schnittstellen 16
2.2.1.2 Modellierung dreidimensionaler Körper mittels 3D-CAD 18
2.2.1.3 Modellierung dreidimensionaler Körper aus Messwerten 21
2.2.2 Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten 23
2.2.2.1 STL-Format 23
2.2.2.2 CLI-/SLC-Format 28
2.2.2.3 PLY- und VRML-Format 31
2.3 Physikalische Prinzipien zur Erzeugung der Schicht 32
2.3.1 Generieren aus der flüssigen Phase 33
2.3.1.1 Photopolymerisation - Stereolithographie (SL) 33
2.3.2 Generieren aus der festen Phase 44
2.3.2.1 Schmelzen und Verfestigen von Pulvern und Granulaten
- Sintern (Lasersintern, LS), Schmelzen 44
2.3.2.2 Ausschneiden aus Folien und Fügen
- Layer Laminate Manufacturing (LLM) 50
2.3.2.3 Schmelzen und Verfestigen aus der festen Phase
- Fused Layer Modeling (FLM) 52
2.3.2.4 Verkleben von Granulaten mit Bindern
- 3D Printing (3DP) 54
2.3.3 Generieren aus der Gasphase 56
2.3.3.1 Aerosoldruckverfahren 56
2.3.3.2 Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) 57
2.3.4 Sonstige Verfahren 58
2.4 Elemente zur Erzeugung der physischen Schicht 59
2.4.1 Bewegungselemente 59
2.4.2 Generierende und konturierende Elemente 61
2.4.3 Schichterzeugendes Element 67
2.5 Klassifizierung der Generativen Fertigungsverfahren 68
2.6 Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der Generativen
Fertigungsverfahren 70
3 Generative Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und
Direct Manufacturing 77
3.1 Polymerisation - Stereolithographie (SL) 80
3.1.1 Maschinenspezifische Grundlagen 80
3.1.2 Übersicht: Polymerisation - Stereolithographie 89
3.1.3 Stereo Lithography Apparatus (SLA-) - 3D Systems 90
3.1.4 STEREOS - EOS 99
3.1.5 Stereolithographie - Fockele Schwarze (F S) 100
3.1.6 Mikrostereolithographie - microTEC 103
3.1.7 Solid Ground Curing — Cubital 105
3.1.8 Digital Light Processing - Envisiontec 105
3.1.9 Polymerdrucken - Objet 110
3.1.10 Multi-Jet-Modeling (MJM) - In Vision - 3D Systems 113
3.1.11 Digital Wax - Next Factory 115
3.1.12 Film Transfer Imaging - 3D Systems 117
3.1.13 Sonstige Polymerisationsverfahren 119
3.1.13.1 Paste Polymerization - OptoForm 119
3.2 Sintern/Selektives Sintern — Schmelzen im Pulverbett 121
3.2.1 Maschinenspezifische Grundlagen 121
3.2.2 Übersicht: Sintern - Schmelzen 125
3.2.3 Selektives Lasersintern - 3D Systems 126
3.2.4 Lasersintern - EOS 136
3.2.5 Laser Schmelzen - MCP-HEK/Fockele Schwarze 146
3.2.6 Laser Cusing — Concept Laser 149
3.2.7 Direktes Laserformen - TRUMPF 153
3.2.8 Elektronenstrahlsintern - ARCAM 156
3.2.9 Selective Mask Sintering (SMS) - Speed Part 159
3.2.10 Lasersintern - Phenix 161
3.3 Beschichten - Schmelzen mit der Pulverdüse 162
3.3.1 Verfahrensprinzip 163
3.3.2 Laser Engineered Net Shaping (LENS) - Optomec 165
3.3.3 Direct Metal Deposition (DMD) -TRUMPF/POM 168
3.4 Schicht-Laminat-Verfahren - Layer Laminate Manufacturing (LLM) 171
3.4.1 Übersicht: Schicht-Laminat-Verfahren 171
3.4.2 Maschinenspezifische Grundlagen 172
3.4.3 Laminated Object Manufacturing (LOM) - Cubic Technologies 176
3.4.4 Rapid Prototyping System (RPS) - Kinergy 180
3.4.5 Selective Adhesive and Hot Press Process (SAHP) - Kira 182
3.4.6 RapidPro - Boxford 185
3.4.7 Layer Milling Process (LMP) - Zimmermann 187
3.4.8 Stratoconception - rp2i 189
3.4.9 Stratified Object Manufacturing (SOM) - ERATZ 191
3.4.10 Plastic Sheet Lamination - 3D Systems 193
3.4.11 Sonstige Schicht-Laminat Verfahren 195
3.4.11.1 Bauteile aus Metalllamellen - Laminated Metal Prototyping. 195
3.5 Extrusionsverfahren - Fused Layer Modeling (FLM) 196
3.5.1 Übersicht: Extrusionsverfahren 196
3.5.2 Fused Deposition Modeling (FDM) - Stratasys 196
3.5.3 Multiphase Jet Solidification (MJS) - ITP 205
3.5.4 3D-Printer Dimension - Stratasys 205
3.5.5 Wachsprinter - Solidscape 207
3.5.6 Multi-Jet-Modeling (MJM) - Thermojet - 3D Systems 210
3.6 Three Dimensional Printing (3DP) 210
3.6.1 Übersicht: 3D Printing 210
3.6.2 3D-Printer - Z-Corporation 210
3.6.3 Rapid Production Machine Tools — Prometal 215
3.6.3.1 Metall-Linie: Direct Metal Printer 216
3.6.3.2 Formsand-Linie: Direct Core and Mold Making Machine 219
3.6.4 Direct Shell Production Casting (DSPC) - Soligen 220
3.6.5 3D-Druck-System - Voxeljet 223
3.6.6 Maskless Masoscale Material Deposition (MD) - Optomec 225
3.7 Hybridverfahren 227
3.7.1 Laserauftragsschweißen und Fräsen - Controlled Metal Build Up (CMB)
- Röders 227
3.7.2 Laminieren und Ultraschallschweißen - Ultrasonic Consolidation
- Solidica 229
3.8 Zusammenfassende Betrachtung der Rapid Prototyping Verfahren 231
3.8.1 Charakteristische Eigenschaften der Generativen Fertigungsverfahren
im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren 232
3.8.2 Genauigkeit 234
3.8.3 Oberflächen 237
3.8.4 Benchmark-Tests und User-Parts 240
3.9 Entwicklungsziele 243
3.10 Folgeprozesse 244
3.10.1 Zielwerkstoff Kunststoff 244
3.10.2 Zielwerkstoff Metall 244
4 Rapid Prototyping 245
4.1 Einordnung und Begriffsbestimmung 245
4.1.1 Eigenschaften von Prototypen 245
4.1.2 Charakteristika des Rapid Prototyping 246
4.2 Strategische Aspekte beim Einsatz von Prototypen 247
4.3 Operative Aspekte beim Einsatz von Prototypen 253
4.3.1 Rapid Prototyping als Werkzeug zur schnellen Produktentwicklung 253
4.3.1.1 Modelle 254
4.3.1.2 Modellklassen 254
4.3.1.3 Modellklassen und generische Verfahren 258
4.3.1.4 Zuordnung von Modellklassen und Modelleigenschaften
zu den Familien der Generativen Fertigungsverfahren 261
4.3.2 Anwendung des Rapid Prototyping in der industriellen Produkt¬
entwicklung 264
4.3.2.1 Beispiel: Pumpengehäuse 265
4.3.2.2 Beispiel: Büroleuchte 266
4.3.2.3 Beispiel: Einbauleuchtenfassung 270
4.3.2.4 Beispiel: Modellbaggerarm 271
4.3.2.5 Beispiel: LCD-Projektor 274
4.3.2.6 Beispiel: Kapillarboden für Blumentöpfe 276
4.3.2.7 Beispiel: Gehäuse einer Kaffeemaschine 276
4.3.2.8 Beispiel: Ansaugkrümmer eines Vierzylindermotors 277
4.3.2.9 Beispiel: Cocktailbecher 278
4.3.2.10 Beispiel: Spiegeldreieck 279
4.3.2.11 Beispiel: Cabrioverdeck 280
4.3.3 Rapid Prototyping Modelle zur Visualisierung von 3-D Daten 283
4.3.4 Rapid Prototyping in der Medizin 284
4.3.4.1 Charakteristika medizinischer Modelle 284
4.3.4.2 Anatomische Faksimiles 285
A3 A3 Beispiel: Anatomisches Faksimile für eine Umstellungs-
osteotomie 287
4.3.5 Rapid Prototyping in Design, Kunst und Architektur 288
4.3.5.1 Modellbildung in Design und Kunst 288
4.3.5.2 Beispiel Kunst: Computer-Skulptur 289
4.3.5.3 Beispiel Design: Flaschenöffner 289
4.3.5.4 Angewandte Kunst - Bildhauerei und Plastiken 291
4.3.5.5 Beispiel Archäologie: Büste der Königin Teje 292
4.3.5.6 Modellbildung in der Architektur 293
4.3.5.7 Beispiel Architektur: Deutscher Pavillon für die Expo '92 294
4.3.5.8 Beispiel Architektur: Wohnungsbauprojekt 294
4.3.5.9 Beispiel Architektur: Groud Zero 295
4.3.6 Rapid Prototyping zur Überprüfung von Rechenverfahren 296
4.3.6.1 Spannungsoptische und thermoelastische Spannungsanalyse . 296
4.3.6.2 Beispiel: Spannungsoptische Spannungsanalyse an einem
Kipphebel eines LKW-Verbrennungsmotors 298
4.3.6.3 Beispiel: Thermoelastische Spannungsanalyse zum
Festigkeitsnachweis an einer Automobilfelge 300
4.4 Ausblick 302
5 Rapid Tooling 303
5.1 Einordnung und Begriffsbestimmung 303
5.2 Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge 305
5.2.1 Strategische Aspekte beim Einsatz Generativer Werkzeuge 305
5.2.1.1 Schnelligkeit 306
5.2.1.2 Umsetzung neuer technischer Konzepte 306
5.2.2 Konstruktive Eigenschaften generativ gefertigter Werkzeuge 308
5.2.2.1 Prototypwerkzeuge 308
5.2.2.2 Bereitstellung der Daten 311
5.3 Indirekte Rapid Tooling Verfahren — Abformverfahren und Folgeprozesse 312
5.3.1 Eignung generativer Verfahren zur Herstellung von Urmodellen
für Folgeprozesse 312
5.3.2 Indirekte Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für Kunststoff¬
bauteile 313
5.3.2.1 Abgießen in weiche Werkzeuge oder Formen 314
5.3.2.2 Abgießen in harte Werkzeuge 318
5.3.2.3 Andere Abformverfahren für harte Werkzeuge 323
5.3.3 Indirekte Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen 324
5.3.3.1 Der Feingussprozess mit generativen Prozessschritten 324
5.3.3.2 Werkzeuge durch Feinguss von Rapid Prototyping Urmodellen 327
5.4 Direkte Rapid Tooling Verfahren 328
5.4.1 Prototype Tooling - Werkzeuge auf der Basis von
Kunststoff-Rapid-Prototyping-Modellen und -Verfahren 328
5.4.1.1 ACES Injection Molding, AIM 328
5.4.1.2 Tiefziehen oder Thermoformen 329
5.4.1.3 Ausgießen von Rapid Prototyping Modellen 330
5.4.1.4 Herstellung von Kernen und Formen für den Metallguss 330
5.4.2 Metallwerkzeuge auf der Basis von mehrstufigen generativen Prozessen. 332
5.4.2.1 Selektives Lasersintern von Metallen - IMLS - 3D Systems 332
5.4.2.2 Paste Polymerization — OptoForm 333
5.4.2.3 3D Printing von Metallen - Prometal 333
5.4.3 Direct Tooling - Werkzeuge auf der Basis von Metall Rapid Prototyping
Verfahren 334
5.4.3.1 Mehrkomponenten-Metallpulver-Lasersintern 335
5.4.3.2 Einkomponenten-Metallpulver-Verfahren — Sintern und
Generieren 336
5.4.3.3 Laser-Generieren mit Pulver und Draht 340
5.4.3.4 Schicht-Laminat-Verfahren - Metalllamellenwerkzeuge -
Laminated Metal Tooling 342
5.5 Ausblick 343
6 Direct Manufacturing - Rapid Manufacturing 345
6.1 Einordnung und Begriffsbestimmungen 345
6.1.1 Begriffe 346
6.1.2 Vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing 347
6.1.3 Anforderungen an die direkte Fertigung 348
6.2 Potenziale der generativen Fertigung von Endprodukten 348
6.2.1 Erhöhte Konstruktionsfreiheit 349
6.2.1.1 Erweiterte konstruktive und gestalterische Möglichkeiten 349
6.2.1.2 Funktionsintegration 350
6.2.1.3 Neuartige Konstruktionselemente 350
6.2.2 Herstellung traditionell nicht herstellbarer Produkte 351
6.2.3 Variation von Massenprodukten 352
6.2.4 Personalisierung von Massenprodukten 353
6.2.4.1 Passive Personalisierung - Hersteller Personalisierung 353
6.2.4.2 Aktive Personalisierung - Kunden Personalisierung 355
6.2.5 Realisierung neuer Werkstoffe 356
6.2.6 Realisierung neuer Fertigungsstrategien 357
6.2.7 Entwurf neuer Arbeits- und Lebensformen 358
6.3 Anforderungen an generative Verfahren für die Fertigung 359
6.3.1 Anforderungen an die generative Herstellung eines Bauteils 359
6.3.1.1 Prozess 359
6.3.1.2 Materialien 361
6.3.1.3 Organisation 362
6.3.1.4 Konstruktion 362
6.3.1.5 Qualitätssicherung 363
6.3.1.6 Logistik 363
6.3.2 Anforderungen an die generative Serienfertigung mit heutigen
Verfahren 363
6.3.2.1 Prozess 364
6.3.2.2 Materialien 365
6.3.2.3 Organisation 366
6.3.2.4 Konstruktion 366
6.3.2.5 Qualitätssicherung 366
6.3.2.6 Logistik 367
6.3.3 Zukünftige Anforderungen an die generative Serienfertigung 367
6.3.3.1 Prozess 368
6.3.3.2 Materialien 369
6.3.3.3 Organisation 370
6.3.3.4 Konstruktion 370
6.3.3.5 Qualitätssicherung 371
6.3.3.6 Logistik 372
6.4 Realisierung des Rapid Manufacturing 372
6.4.1 Generative Fertigungsanlagen als Elemente einer Fertigungskette 373
6.4.2 Generative Anlagen zur Komplettfertigung von Produkten 374
6.4.2.1 Industrielle Komplettfertigung 374
6.4.2.2 Individuelle Komplettfertigung (Personal Fabrication) 376
6.5 Anwendungsbereiche 377
6.5.1 Anwendungsfelder nach Werkstoffen 377
6.5.1.1 Metallische Werkstoffe und Legierungen 378
6.5.1.2 Hochleistungskeramiken 379
6.5.1.3 Kunststoffe 380
6.5.1.4 Neue Werkstoffe 381
6.5.2 Anwendungsfelder nach Branchen 381
6.5.2.1 Werkzeugbau 381
6.5.2.2 Gießereiwesen 383
6.5.2.3 Medizinische Geräte und Hilfsmittel, Medizintechnik 386
6.5.2.4 Design und Kunst 390
6.6 Perspektiven 393
7 Sicherheitsvorschriften und Umweltschutz 395
7.1 Gesetzliche Grundlagen für das Betreiben und das Herstellen von Generativen
Pertigungsanlagen und den Umgang mit den zugehörigen Werkstoffen 396
7.1.1 Baurecht 396
7.1.2 Wasserrecht 397
7.1.3 Gewerberecht 398
7.1.4 Immissionsschutzrecht 399
7.1.5 Abfallrecht 400
7.1.6 Chemikalienrecht 401
7.1.6.1 Sicherheitsdatenblätter 403
7.1.6.2 REACH 404
7.2 Anmerkungen zu Materialien für die generative Fertigung 405
7.3 Anmerkungen zur Benutzung von generativ gefertigten Bauteilen 406
8 Aspekte zur Wirtschaftlichkeit 409
8.1 Strategische Aspekte 409
8.1.1 Strategische Aspekte für den Einsatz generativer Verfahren
in der Produktentwicklung 410
8.1.1.1 Qualitative Ansätze 410
8.1.1.2 Quantitative Ansätze 411
8.2 Operative Aspekte 412
8.2.1 Zur Auswahl geeigneter Generativer Fertigungsverfahren 412
8.2.2 Zur Ermittlung der Kosten von Rapid Prototyping Verfahren 413
8.2.2.1 Variable Kosten 413
8.2.2.2 Fixkosten 415
8.2.3 Charakteristika Generativer Fertigungsverfahren und ihre Auswirkung
auf die Wirtschaftlichkeit 417
8.3 Make or buy? 422
9 Zukünftige Rapid Prototyping Verfahren 425
9.1 Mikrobauteile 425
9.2 Mikrobauteile aus Metall und Keramik 425
9.2.1 Mikrobauteile aus Metall und Keramik mittels Laserschmelzen 426
9.2.1.1 Schmelzvorgang beim selektiven Laserschmelzen 426
9.2.1.2 MikroStrukturen aus Metallpulver 427
9.2.1.3 MikroStrukturen aus Keramikpulver 430
Anhang 433
Kritische Erfolgsfaktoren und Wettbewerbsstrategien 433
Wirtschaftlichkeitsmodell nach Siegwart und Singer 435
Technische Daten und Informationen 440
Begriffe und Abkürzungen 470
Literaturverzeichnis 479
Stichwortverzeichnis 487
Über den Autor 505 |
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