Exemplarischer Entwurf eines Konsumgüterproduktes mit 3D-Druck

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Technische Grundlagen des 3D-Drucks
2.1 Begriffsabgrenzungen
2.1.1 Subtraktives, additives und formatives Fertigungsverfahren
2.1.2 Bezeichnungen der Technologie des 3D-Drucks
2.2 Entwicklung des 3D-Drucks
2.3 Prozess und Technologien des Schichtbauverfahrens
2.3.1 Allgemeines Vorgehen bei 3D-Druck-Verfahren
2.3.2 Bedeutendste 3D-Druckverfahren
2.3.3 Materialien für den 3D-Druck
2.3.4 Qualltätsparameter eines 3D-gedruckten Objekts
2.4 Anwendungsgebiete des 3D-Drucks
2.4.1 Anwendungsebenen
2.4.2 Praxlsbelsplele
2.5 Limitationen des 3D-Drucks
2.5.1 Rechtliche Grundlagen
2.5.2 Grenzen der Technologie

3 Betriebswirtschaftliche Auswirkungen des 3D-Drucks
3.1 Ökonomische Auswirkungen
3.1.1 Flexlbllltäts- und Efflzlenzkrlterlum
3.1.2 Mass Customization
3.1.3 Auswirkungen auf Innovationen
3.1.4 Suppy-Chaln-Auswlrkungen
3.1.5 Zusammenhang zwischen Komplexität und Kosten
3.1.6 Strategische Neuausrichtung
3.2 Ökologische Auswirkungen
3.2.1 Positive ökologische Effekte
3.2.2 Negative ökologische Effekte

4 Konstruktion und Evaluation mittels 3D-Druck hergestellter Schraubenschlüssel
4.1 Modellentwurf mit Blender
4.1.1 Benutzeroberfläche Blender
4.1.2 Konstruktion eines Schraubenschlüssels
4.2 Druckvorgang mit FlashForge Finder
4.2.1 Druckeinstellungen
4.2.2 Druckvorgang
4.3 Prozessanalyse
4.4 Evaluation des gedruckten Objekts
4.4.1 Funktionsanalyse
4.4.2 Kostenanalyse

5 Fazit

Anhang

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1. Aufbau der Arbeit, eigene Darstellung

Abbildung 2. Unterscheidung der Fertigungsverfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [ChL, s. 19]

Abbildung 3. Evolution der 3D-Druck-Technologie, eigene Darstellung in Anlehnung an [Ber12, s. 158 f.]

Abbildung 4. Gartner Hype Cycle, eigene Darstellung in Anlehnung an [FeG17; ShB17]

Abbildung 5. Globales Marktvolumen von 3D-Druck, eigene Darstellung in Anlehnung an [Wohl7, s. 148 und 297]

Abbildung 6. Beispielhafte Darstellung einer Schicht und ihrer Dimensionen, eigene Darstellung in Anlehnung an [GKT16]

Abbildung 7. Allgemeiner Ablauf der Erstellung eines Objektes mittels 3D-Druck, eigene Darstellung in Anlehnung an [LaL16 s. 9; GTK16, s. 4]

Abbildung 8. Fused-Deposition-Modelling-Verfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [ChL15, s. 135; CWI11, s. 3]

Abbildung 9. Materialunterteilung additiver Verfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [LaL16, s. 8]

Abbildung 10. Einflussfaktoren auf die Qualität eines 3D-gedruckten Objekts, eigene Darstellung in Anlehnung an [GKT16, s. 172]

Abbildung 11. Oberflächenerhebung eines 3D-gedruckten Objekts mit der Schichthöhe h und der Oberflächennormale n, eigene Darstellung in Anlehnung an [WZK16, s. 61]

Abbildung 12. Anwendungsebenen additiver Fertigungsverfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [LaL16, s. 7]

Abbildung 13. Anwendungsebenen des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrt, eigene Darstellung in Anlehnung an [CWY17, s. 11]

Abbildung 14. Marktvolumen des 3D-Drucks in ausgewählten Branchen von 2015 bis 2030, eigene Darstellung in Anlehnung an [Stri 8a]

Abbildung 15. Effizienz- und Flexibilitätskriterium in der Produktherstellung, eigene Darstellung in Anlehnung an [TWK15, s. 140]

Abbildung 16. Supply Chains von konventionellen und additiven Verfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [LeG16, s. 46]

Abbildung 17. Verkürzte Lieferkette, eigene Darstellung in Anlehnung an [LeG16, s. 47]48 Abbildung 18. Zusammenhang von Komplexität und Kosten, eigene Darstellung in Anlehnung an [Ber13, s. 12]

Abbildung 19. Wettbewerbsstrategien nach Porter, eigene Darstellung in Anlehnung an [Por12, s. 79]

Abbildung 20. Blender Icon [Ble09]

Abbildung 21. Benutzeroberfläche Blender, farbige Markierungen zur Illustration einzelner Bereiche

Abbildung 22. Create-Leiste von Blender mit rot umrahmtem Auswahlfeld für Punkte, Kanten und Flächen

Abbildung 23. Create-Fenster und 2D-lnternetvorlage eines Schraubenschlüssels

Abbildung 24. Darstellung der Vergrößerung und Streckung einer Fläche

Abbildung 25. Rotation einer Kante

Abbildung 26. Grundriss des Schlüsselkopfs

Abbildung 27. Teilung der Flächen

Abbildung 28. Verbindung einzelner Punkte zu Kanten

Abbildung 29. Flächenbildung

Abbildung 30. Zweidimensionaler Schraubenschlüssel

Abbildung 31. 3D-Schraubenschlüssel, 3 mm Flöhe

Abbildung 32. 3D-Modell eines fertigen Schraubenschlüssels

Abbildung 33. Schraubenschlüssel in FlashPrint

Abbildung 34. Einstellung der Druckparameter

Abbildung 35. Erweiterte Druckeinstellungen

Abbildung 36. Wabenstruktur als Füllung eines Schraubenschlüssels

Abbildung 37. 3D-gedruckte Schraubenschlüssel

Abbildung 38. Druckfehler an Objekt 1 (oben) und 2 (unten)

Abbildung 39. Messung der Maßhaltigkeit

Abbildung 40. Abstand Objekt 4

Abbildung 41. Versuchsaufbau zur Messung des Drehmoments

Abbildung 42. Verfahren und Preise des Druckdienstleisters Trinckle

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1. Klassifikation additiver Fertigungsprozesse nach ASTM mit beispielhaften Verfah­ren, eigene Darstellung in Anlehnung [ASTM12, s. 1 f.; BHS17, S.18 f.]

Tabelle 2. Vor- & Nachteile verschiedener additiver Verfahren, eigene Darstellung

Tabelle 3. Vergleich Mass Customization und 3D-Druck, eigene Darstellung in Anlehnung an [Ber12, s. 157]

Tabelle 4. Vergleich Fräsverfahren und selektivem Laserschmelzen, eigene Darstellung in Anlehnung an [J0L16, s. 39]

Tabelle 5. Unterscheidung der Versuchsobjekte, eigene Darstellung

Tabelle 6. Schätzung einzelner Parameter

Tabelle 7. Abweichungen des Drucks vom Modell

Tabelle 8. Kraft einzelner Schlüssel in Newtonmeter

Tabelle 9. Variable Kosten pro Objekt

Tabelle 10. Relative Anteile von Strom- und Filamentkosten an den variablen Kosten

Tabelle 11. Druckeinstellungen Trinckle

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

״Any Customer can have a car painted any colour that he wants so long as it is black“ [F0C23, s. 72]. Durch dieses Zitat von Henry Ford wird deutlich, dass Produktindividualisierung Anfang des 20. Jahrhunderts eine untergeordnete Rolle spielte. Produktionsprozesse des 20. Jahrhunderts waren durch tayloristische Grundprinzipien geprägt [WeL16, s. 46]. Frederick Winslow Taylors Ziel war die Steigerung der Produktivität durch wissenschaftliche Untersuchungen der Arbeitsprozesse [WeL16, s. 47]. In diesem Zusammenhang spricht er von Scientific Management [WeL16, s. 47]. Die Skalierung von Prozessen stellte den Schlüssel des Erfolgs tayloristisch geprägter Unternehmen dar [WeL16, s. 47]. Im Rahmen der ersten bzw. zweiten industriellen Revolution war die Massenproduktion bzw. die Mechanisierung auf eine angebotsorientierte Produktion ausgerichtet [WeL16, s. 46]. Die dritte industrielle Revolution ist, aufgrund der Entwicklung von Elektronik und flexibler Automatisierung, durch eine zunehmende Nachfrageorientierung gekennzeichnet [WeL16, s. 46]. Der Trend der Individualisierung von Produkten führt weg von der traditionellen Massenproduktion hin zu abnehmenden Losgrößen sowie steigender Variantenvielfalt [WeL16, s. 52 f.]. Dies erfordert neue Produktionsprozesse und Fertigungsmethoden von Unternehmen [FeP16, s. 1]. Kunden verlangen innovative, individuelle und qualitativ hochwertige Produkte zu niedrigen Preisen [FeP16, s. 1]. Folglich Stehen Unternehmen vor dem Problem verkürzter Produktlebenszyklen sowie kürzerer Amortisationsdauern von Maschinen und Werkzeugen [FeP16, s. 1]. 3D-Druck-Technologie bietet in Form einer neuen industriellen Revolution [Beri 2] die Möglichkeit, kundenindividuelle Produkte in geringen Stückzahlen kosteneffizient zu fertigen [FeP16, s. 1], da hierfür keine speziellen Werkzeuge benötigt werden und aufgrund des schichtweisen Auftragens von Material nahezu jede komplexe geometrische Struktur erstellt werden kann [LaL16, s. 1].

Ziel dieser Abschlussarbeit ist es, ein konzeptuelles Modell zu erläutern, wie Konsumenten mit Hilfe einer Modellierungssoftware und einem 3D-Drucker Produkte zu Hause konstruieren und Drucken können. Weiterhin werden wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen der 3D-Druck-Technologie analysiert und mit traditionellen Fertigungsprozessen verglichen.

Die Relevanz der 3D-Druck-Technologie zeigt sich unter anderem in der Anzahl an verfassten wissenschaftlichen Beiträgen. Allein der englische Begriff 3D-Printing liefert bei einer Google-Scholar-Suche 246.000 Beiträge, die seit 2010 über das Themengebiet verfasst wurden [G0018].

Im Zuge dieser Arbeit werden folgende Leitfragen beantwortet:

- Welche Auswirkungen hat 3D-Druck auf die Produktentwicklung?
- Wie beeinflusst 3D-Druck bestehende betriebswirtschaftliche Prozesse und welche Möglichkeiten entstehen für Unternehmen und Konsumen- ten durch die Implementierung und Nutzung von 3D-Druck?
- Wie ist der systematische Prozess der Konstruktion eines Produktes mittels 3D-Druck gestaltet?

Der Aufbau der Arbeit ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. Aufbau der Arbeit, eigene Darstellung

Zur Beantwortung der Leitfragen wird in Kapitel 2 zunächst mit Hilfe einer strukturierten Literaturanalyse ein allgemeiner Überblick über die Technologie des 3D-Drucks dargestellt, bevor in Kapitel 3 die betriebswirtschaftlichen Auswirkungen der Implementierung des 3D-Drucks analysiert werden. In

Kapitel 4 findet aufbauend auf den in Kapitel 2 und 3 vermittelten Grundlagen ein Experiment zum Entwurf einen Konsumgüterprodukts statt. Beispielhaft werden vier Schraubenschlüssel in unterschiedlichen Größen und Druckparametern entworfen, gedruckt und evaluiert. Im Fazit werden die ausgewählten Leitfragen beantwortet.

2 Technische Grundlagen des 3D־Drucks

ln diesem Kapitel werden die Grundlagen für das weitere Verständnis der Technologie erläutert. Zu Beginn werden relevante Begriffe im Rahmen des 3D-Drucks definiert. Anschließend wird die Entwicklung der Technologie aufgezeigt. Der Prozess der Erstellung eines Produktes mittels 3D-Druck wird in Kapitel 2.3 erläutert. Dazu wird zunächst das allgemeine Vorgehen erklärt und darauf aufbauend werden die bedeutendsten 3D-Druckverfahren sowie mögliche Materialien für den 3D-Druck aufgezeigt. Weiterhin werden die Anwendungsgebiete der Technologie beschrieben und anhand von Praxisbeispielen näher erläutert. Das Kapitel schließt mit Limitationen des 3D- Drucks in Bezug auf rechtliche Rahmenbedingungen und Grenzen der Technologie.

2.1 Begriffsabgrenzungen

Zunächst werden relevante Fertigungsverfahren im Rahmen von Produktionsprozessen definiert und Bezeichnungen der 3D-Druck- Technologie erläutert.

2.1.1 Subtraktives, additives und formatives Fertigungsverfahren

Im Bereich der Produktion wird zwischen drei Fertigungsverfahren unterschieden, die in Abbildung 2 modellhaft dargestellt sind [ChL15, s. 19]. Die Abbildung zeigt die Flerstellung eines zylinderförmigen Körpers.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2. Unterscheidung der Fertigungsverfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [ChL, s. 19]

Bei einem subtraktiven Fertigungsverfahren wird aus einem festen Grundstoff, der größer ist als das zu formende Objekt, schrittweise Material entfernt, bis das gewünschte Design erreicht ist [ChL15, s. 19; ASTM12, s. 2]. Das gegenteilige Verfahren dazu ist das additive Verfahren, bei dem Material hinzugefügt wird, sodass das Objekt nach der Fertigstellung größer ist als das ursprüngliche Ausgangsmaterial [ChL15, s. 19]. Dieser Prozess ist automatisiert und dient der Flerstellung maßstabsgetreuer dreidimensionaler physischer Bauteile aus einem 3D-CAD-Datensatz (von engl, computer-aided design) [GKT16, s. 2]. Die Objekte entstehen durch Aufeinander- und Aneinanderfügen von Volumenelementen, die als Voxel bezeichnet werden [GKT16, s. 2]. Bei einem formativen Verfahren wirken mechanische Kräfte oder feste Formen auf das Ausgangsmaterial ein, um das Produkt zu formen [ChL15, s. 20].

Subtraktive Verfahren sind Maschinenprozesse unter Einsatz von CNC (Computerized Numerical Control) und beinhalten beispielsweise Fräsen, Bohren, Drehen und ähnliche Prozesse zur Produktherstellung [ChL15, s. 20; VDI14, s. 4]. Additive Fertigungsverfahren umfassen Fertigungsprozesse, die in Kapitel 2.3.2 erläutert werden [ChL15, s. 20]. Beispielhaft lässt sich jedoch das Stereolithographie-Verfahren als ältester Prozess nennen [CWI11, s. 4]. Charakteristisch für formative Verfahren sind das Plastik-Spritzgussverfahren, Schmieden oder Biegen [ChL15, s. 20].

Denkbar sind auch hybride Prozesse, bei denen Maschinen zwei oder mehr Verfahren kombiniert zur Objektherstellung nutzen [ChL15, s. 20]. Da der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der 3D-Druck-Technologie liegt, wird darauf jedoch nicht näher eingegangen.

2.1.2 Bezeichnungen der Technologie des 3D-Drucks

,Additives Fertigungsverfahren‘ ist der übergreifende Begriff für Rapid Prototyping und 3D-Druck [VDI14, s. 4]. Die Bezeichnung der Technologie als Rapid Prototyping ist insofern veraltet, als neue Anwendungsmöglichkeiten neben der Erstellung von Prototypen existieren [ChL15, s. 15]. Weitere Anwendungsebenen werden in Kapitel 2.4.1 näher betrachtet. ,3D-Druck‘ ist der medial am weitesten verbreitete Begriff für diese Form von Fertigungsverfahren [VD114, s. 4; Chl_15, s. 15] und steht für dreidimensionalen Druck. Obwohl der Begriff nur Druckprozesse bezeichnet, die einen Druckkopf oder eine Druckdüse zum Aufträgen des Materials nutzen, ersetzt er die in der Gesellschaft offizielle Industriebezeichnung der additiven Fertigung [ChL15, s. 15].

Andere 3D-Druckverfahren, die keinen Druckkopf zum Aufträgen von Material nutzen, werden in Kapitel 2.3.2 genauer beschrieben, beispielsweise das Powder-Bed-Fusion-Verfahren. Nicht zu verwechseln ist der generische Begriff des 3D-Drucks mit dem gleichnamigen Pulver-Binder-Verfahren (3D­Printing, siehe Kapitel 2.3.2) [GKT16, s. 3]. Gründe für die Wandlung der Bezeichnungen sind unter anderem Weiterentwicklungen der Technologie [ChL15, s. 15]. In der vorliegenden Arbeit wird 3D-Druck synonym zum Begriff der additiven Fertigung verwendet.

2.2 Entwicklung des 3D־Drucks

Erste Entwicklungen der Technologie des 3D-Drucks fanden bereits 1977 statt, als Wyn Kelly Swainson mit elektromagnetischer Strahlung zum Aushärten eines empfindlichen Polymers experimentierte [CWI11, s. 4]. Diese Methode war der Wegbereiter der modernen Stereolithographie [CWI11, s. 4], die durch Charles Fluii entwickelt [NKI18, s. 172] und 1986 patentiert wurde [FİUİ86]. Damals wurde die Technologie hauptsächlich für den Bau von Prototypen genutzt und bot die Möglichkeit, schnell Modelle neuer Produkte zu entwickeln [CWI11, s. 4]. Aufgrund dieser und weiterer Vorteile wurden neue Technologien wie das Fused Deposition Modelling und das Laminated Object Manufacturing im Jahr 1991 sowie die Technologie des selektiven Lasersinterns im Jahr 1992 am Markt eingeführt [ChL15, s. 2]. Trotz erster Entwicklungen im Jahre 1977 [CWI11, s. 4] sind erst seit 2009 ein Wachstum der Verbreitung und eine Weiterentwicklung der Technologie zu verzeichnen [SaJ16, s. 92]. Der Grund dafür ist, dass Technologien, wie die Stereolithographie oder das Fused Deposition Modelling ihren patentrechtlichen Schutz verloren haben und dadurch neue Unternehmen in den Markt eintreten konnten [SaJ16, s. 92; ChL15, s. 3]. Dies hatte zur Folge, dass seitdem neue Drucktechnologien entwickelt wurden und neue Materialien für den Druckprozess verwendet werden können [SaJ16, s. 92]. Viele Unternehmen haben kostengünstige 3D-Drucker entwickelt und bieten auch Konsumenten die Möglichkeit, diese Technologie zu Hause zu nutzen [ChL15, s. 3] und im Sinne der Home Fabrication selbst Objekte mit Hilfe des 3D- Drucks zu fertigen [RaS15, s. 216].

Die Evolution der Technologie fand laut Berman in drei Phasen statt [Beri 2, s. 158 f.], die in Abbildung 3 dargestellt sind. In der ersten Phase nutzten Produktdesigner, Architekten oder Künstler den 3D-Druck, um Prototypen oder Modelle neuer Produkte zu entwerfen. Die zweite Phase umfasste die Herstellung fertiger Endprodukte mittels 3D-Druck. Charakteristisch für die dritte Phase sind der Betrieb und der Besitz eines eigenen 3D-Druckers [Beri2, s. 158 f.]. Unternehmen die 3D-Drucker für die Home Fabrication anbieten, erfahren in den letzten Jahren ein Umsatzwachstum [Wohl7, s. 157]. Das durchschnittliche jährliche Wachstum der Verkaufszahlen von Desktop-3D-Druckern für unter 5.000 US-Dollar betrug zwischen 2012 und 2015 rund 89 % [Wohl7, s. 157].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3. Evolution der 3D-Druck-Technologie, eigene Darstellung in Anlehnung an [Ber12,S. 158 f.]

Wie bedeutend die Technologie ist, zeigt die Assoziation des 3D-Druckens mit einer neuen industriellen Revolution [Ber12, S.155]. Die derzeitige Einschätzung bezüglich der Erwartung an die 3D-Druck-Technologie am Markt beschreibt der Gartner-Hype-Cycle-Report [Kau 15, s. 8]. Dieser beurteilt die Reife aktuell relevanter Technologien am Markt und hilft Unternehmen bei der Auswahlentscheidung für bestimmte Technologien [Kau15, s. 8]. Er zeigt dazu die Entwicklung von Technologien vom ersten Hype bis zur Etablierung am Markt auf [Kau15, s. 8] und beschreibt die sich verändernden Erwartungen an eine Technologie im Zeitverlauf [LaL16, s. 2]. Abbildung 4 zeigt die Phasen einzelner Anwendungsbereiche des 3D-Drucks. Dabei werden auf der Ordinate die Erwartung an die Technologie und auf der Abszisse der Zeitablauf dargestellt [FeG17, s. 2].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zeitverlauf

Abbildung 4. Gartner Hype Cycle, eigene Darstellung in Anlehnung an [FeG17; ShB17[1]]

Die Entwicklung von einer Innovation bis zur Etablierung am Markt durchläuft fünf Phasen. In der ersten Phase (Innovationsauslöser) beginnt eine Innovation ihren technologischen Durchbruch bzw. wird mit einem Projekt gestartet [FeG17, s. 2]. Charakteristisch ist hier ein steiler Anstieg der Erwartungen, die in Phase zwei ihren Flochpunkt erreichen [FeG17, s. 2-4]. Diese Phase wird auch als ,Gipfel überzogener Erwartungen‘ bezeichnet [FeG17, s. 4]. In der dritten Phase, dem Tal der Ernüchterung, sinken die Erwartungen, bevor in Phase vier, der Phase der steigenden Erleuchtung, reale Einsatzmöglichkeiten der Technologie festgestellt werden [FeG17, s. 4]. Bei abschließender Marktreife und einer entsprechenden Marktdurchdringung erreicht die Technologie das Plateau der Produktivität [FeG17, s. 4]. An den beispielhaft ausgewählten Anwendungen des 3D-Drucks ist zu erkennen, dass der Druck von menschlichen Organen und deren Transplantation noch am

[1] Anwendungsbereiche in den einzelnen Phasen sind nur ausgewählte Beispiele von derzeit vielen Forschungsgebieten. Siehe dazu [ShB17].

Anfang ihrer Entwicklung steht, während 3D-Druck im Prototypenbau bereits weit verbreitet ist.

Das Umsatzwachstum der Technologie wird in Abbildung 5 dargestellt. Das globale Marktvolumen umfasst additive Fertigungssysteme, zugehörige Dienstleistungen sowie Fertigungsmaterialien [Wohl7, s. 148]. 2015 betrug der globale Umsatz im Bereich des 3D-Drucks 5,165 Mrd. US-Dollar [Wohl 7, s. 148]. Dieser steigt stetig an, bis er nach der Schätzung von Wohler Associates 2022 weltweit 26,187 Mrd. US-Dollar erreicht [Wohl7, s. 297]. Jedoch muss auch erwähnt werden, dass unterschiedliche Unternehmen verschiedene Umsatzzahlen prognostizieren. Das Unternehmen strategy& schätzt das Marktvolumen für gedruckte Produkte erst für das Jahr 2030 auf bis zu 22,6 Mrd. Euro [Stri8а].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5. Globales Marktvolumen von 3D-Druck, eigene Darstellung in Anlehnung an [Woh17, s. 148 und 297]

2.3 Prozess und Technologien des Schichtbauverfahrens

3D-Druck ist der Prozess der Herstellung eines Produkts durch schichtweises Aufträgen von Material [VDI14, s. 4]. Trotz vieler unterschiedlicher Verfahren lassen sich Gemeinsamkeiten im Herstellungsprozess feststellen [MHZ14, s. 1 f.]. Zunächst wird in diesem Kapitel das allgemeine Vorgehen bei der Erstellung eines Produkts mit Hilfe des 3D-Drucks beschrieben. Anschließend werden die bedeutendsten 3D-Druckverfahren erläutert, sowie Vor- und Nachteile jeweiliger Verfahren ausgearbeitet. Das Kapitel schließt mit möglichen Kriterien zur Beurteilung der Qualität eines 3D-gedruckten Objekts.

2.3.1 Allgemeines Vorgehen bei 3D-Druck-Verfahren

Der Prozess der Erstellung eines Produktes gliedert sich in vier Phasen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Pre-Prozess beschreibt die Erstellung eines digitalen Objekts [LaL16, s. 9] und findet virtuell statt [GKT16, s. 4]. Er beinhaltet die Erstellung einer CAD- Datei, den Datentransfer in ein neues Datenformat, das virtuelle Positionieren des Objekts im Bauraum, das Slicen sowie die Einstellung von Druckparametern [LaL16, s. 9-11]. Die Erstellung der CAD-Datei erfolgt entweder mit Hilfe einer Modellierungssoftware oder durch Reverse Engineering, bei dem durch einen Scanner die räumliche Anordnung der Oberfläche eines bestehenden Objekts digital erfasst wird [CWI11, s. 3; VDI14, s. 13]. Alternativ kann ein fertiges Design von einer Internetplattform heruntergeladen werden [VDI14, s. 13]. Die Erstellung eines Modells ist der zeitintensivste Schritt in diesem Prozess [ChL15, s. 22]. Die CAD-Datei muss einen geschlossenen Volumenkörper darstellen, da Flächenmodelle oder fehlerhafte Volumenkörper im Druckprozess nicht hergestellt werden können [LaL16, s. 9]. Als nächstes wird dieses CAD-Modell in ein Stereolithographie­Dateiformat (*.STL-Datei) konvertiert [MHZ14, s. 2; CWY17, s. 2; ChL15, s. 22]. Dieses beschreibt die Oberfläche des dreidimensionalen Objekts durch Dreiecksfacetten [LaL16, s. 10] und wird von nahezu jedem additiven System verarbeitet [ChL15, s. 23].

Der nächste Prozessschritt ist die digitale Positionierung und Anordnung des Objekts im Bauraum des Druckers [LaL16, s. 10]. Eine Software schneidet das Modell im Querschnitt in dünne Profile und erzeugt eine Datei, die die einzelnen Schichten im Druckvorgang repräsentiert [Beri2, s. 155]. Dieser Vorgang wird auch als Slicen bezeichnet [BHS17, s. 186]. Stützstrukturen für hängende Objektkomponenten werden berechnet und eingefügt [LaL16, s. 10]. Anschließend wird das Maschinen-Setup eingestellt [LaL16, s. 10]. Dazu gehört unter anderem die Einstellung von Druckparametern [LaL16, s. 10]. Hierunter fallen je nach Drucksystem beispielsweise die Temperatur des Druckbetts, die Vorheiztemperatur oder die Lasergeschwindigkeit und - Intensität des Druckers [LaL16, s. 10]. Die gewählten Einstellungen beeinflussen Qualitätseigenschaften des Objekts wie Dichte,

Oberflächenauflösung oder Kantenschärfe [LaL16, s. 10]. Weitere Druckparameter werden in Kapitel 4 näher erläutert. Zum Abschluss der Pre- Prozess-Phase wird die Datei an den Drucker gesendet [CWI11, s. 3]. Der fertige Datensatz beinhaltet die Konturdaten in der X-y-Dimension, die Schichtdicke dz sowie die Schichtnummer (z-Koordinate) jeder Schicht [GKT16, s. 5]. Abbildung 6 zeigt vereinfacht die Schicht eines Objekts mit ihren einzelnen Dimensionen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6. Beispielhafte Darstellung einer Schicht und ihrer Dimensionen, eigene Darstellung in Anlehnung an [GKT16]

Die folgenden Prozesse beschreiben die reale, physische Herstellung des Objekts [GKT16, s. 4]. Die In-Prozess-Phase beinhaltet den Druckvorgang und die Entnahme aus der Druckkammer [LaL16, s. 10 f.]. Im Druckvorgang wird das Objekt schichtweise aufgebaut [LaL16, s. 10]. In der X-y-Dimension wird zunächst eine Schicht aufgetragen und ausgehärtet [LaL16, s. 10]. Anschließend wird entweder das Druckbett mit dem Bauteil gesenkt oder der Druckkopf erhöht, sodass eine weitere Schicht auf die darunterliegende ausgehärtete Schicht gedruckt werden kann [LaL16, s. 10]. Je nach Druckverfahren wird das Objekt unterschiedlich aufgebaut [NKI18, s. 173­175]. Wie einzelne Systeme den Druck durchführen, wird in Kapitel 2.3.2 beschrieben.

Der Post-Prozess beschreibt die Phase der Fertigstellung des Produkts und beinhaltet die Nachbearbeitung, die Reinigung und den Zusammenbau [LaL16, s. 9-11]. überschüssiges Material und Stützstrukturen werden dabei entfernt [LaL16, s. 11 f.]. Zusätzlich kann eine thermische Nachbehandlung erfolgen, die innere Spannungen reduziert und das Material homogenisiert [LaL16, s. 12]. Im letzten Schritt kann das Produkt für seine Verwendung montiert und zusammengebaut werden [LaL16, s. 12].

Die Anwendungsphase umfasst die Nutzung des Produkts sowie Instandhaltungsmaßnahmen, Reparaturen und Recycling [LaL16, s. 12]. Die einzelnen Phasen mit den jeweiligen Prozessschritten werden in Abbildung 7 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7. Allgemeiner Ablauf der Erstellung eines Objektes mittels 3D-Druck, eigene Darstellung in Anlehnung an [LaL16 s. 9; GTK16, s. 4]

2.3.2 Bedeutendste 3D־Druckverfahren

Es gibt eine Vielzahl an Druckverfahren, die sich dahingehend unterscheiden, wie einzelne Schichten eines Objekts aufgebaut werden [CWI11, s. 3]. In diesem Abschnitt werden sowohl die bedeutendsten Verfahren [NKI18, s. 173] erläutert als auch Vor- und Nachteile einzelner Verfahren aufgezeigt. Das Wachstum additiver Fertigungsverfahren seit 2009 hat zu einer steigenden Anzahl an Prozessbezeichnungen geführt [BHS17, s. 18]. Die American Society for Testing and Materials International (ASTM) klassifiziert sieben unterschiedliche additive Fertigungsprozesse [BFIS17, s. 18]. Tabelle 1 beschreibt jeweils das Grundprinzip dieser sieben Kategorien und nennt für jede Kategorie ein Beispiel, anhand dessen das Verfahren anschließend genauer erläutert wird. Es wurden bewusst die englischen Bezeichnungen für die Prozesskategorien genutzt, da dies auch die offiziellen Industriebezeichnungen sind.

Tabelle 1. Klassifikation additiver Fertigungsprozesse nach ASTM mit beispielhaften Verfahren, eigene Darstellung in Anlehnung [ASTM127Š. 1 f.; BHS17, S.18 f.]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fused Deposition Modelling

Das am häufigsten verwendete Verfahren [NKI18, ร. 173], das auch zur Her­Stellung der Schraubenschlüssel verwendet wird, ist das Fused-Deposition- Modelling-Verfahren (FDM-Verfahren), das von der Firma Stratasys Inc. entwickelt wurde [ChL15, s. 48]. Es handelt sich um einen Materialextrusionsprozess, bei dem durch Ausstößen von thermoplastischem Polymer aus einer erhitzten Düse schichtweise ein Objekt erzeugt wird [ASTM12, s. 2; NKI18, s. 174]. Das Verbrauchsmaterial, das beim FDM- Verfahren genutzt wird, ist Filament. Dieses ist vergleichbar mit einer steiferen Angelschnur, die in Form einer Kartusche oder einer Spule gelagert wird [ChL15, s. 134]. Abbildung 8 zeigt das FDM-Verfahren graphisch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8. Fused-Deposition-Modelling-Verfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [ChL15, s. 135; CWI11, s. 3]

Das Filament wird mit Hilfe von Zuführrollen in den Extrusionskopf geführt und durch Heizelemente erhitzt [ChL15, s. 134 f.]. Nach dem Erhitzen ist das halbflüssige Material in der Lage, frei durch die Düse zu fließen [CWI11, s. 3; NKI18, s. 174]. Sobald das Material aus dem Druckkopf in Form einer dünnen Schicht aufgetragen wird und die zugrunde liegende Basis erreicht, kühlt es ab und erhärtet, sofern die Umgebungstemperatur unter dem Schmelzpunkt des Filaments liegt [ChL15, s. 134]. Hat die Düse eine komplette Schicht gedruckt, senkt sich das Druckbett um eine Schichtdicke in Richtung der z- Dimension und druckt die nächste Schicht [ChL15, s. 135]. Zusätzlich zum Das Filament wird mit Hilfe von Zuführrollen in den Extrusionskopf geführt und durch Heizelemente erhitzt [ChL15, s. 134 f.]. Nach dem Erhitzen ist das halbflüssige Material in der Lage, frei durch die Düse zu fließen [CWI11, s. 3; NKI18, s. 174]. Sobald das Material aus dem Druckkopf in Form einer dünnen Schicht aufgetragen wird und die zugrunde liegende Basis erreicht, kühlt es ab und erhärtet, sofern die Umgebungstemperatur unter dem Schmelzpunkt des Filaments liegt [ChL15, s. 134]. Hat die Düse eine komplette Schicht gedruckt, senkt sich das Druckbett um eine Schichtdicke in Richtung der z- Dimension und druckt die nächste Schicht [ChL15, s. 135]. Zusätzlich zum Druckmaterial lässt sich auch ein Stützmaterial auftragen, das Objektteile auffängt, die keine Auflagefläche haben und sonst frei schweben würden. Dieses muss im Anschluss an den Druck entfernt werden [CWI11, s. 3]. Je nach Objektgröße und gewünschter Qualität des Objekts erstreckt sich der Druckvorgang von wenigen stunden bis hin zu Tagen [KPH14, s. 51]. Die thermoplastische Eigenschaft des polymeren Filaments ist dabei die bedeutendste, da durch diese die einzelnen Schichten miteinander verschmelzen und bei Raumtemperatur aushärten [NKI18, s. 174].

Die Vorteile dieses Verfahrens sind geringe Kosten, eine hohe Geschwindigkeit und die einfache Bedienung [NKI18, s. 174]. Demgegenüber stehen unvorteilhafte mechanische Eigenschaften, sichtbare einzelne Schichten, eine geringe Oberflächenqualität, eine begrenzte Auswahl unterschiedlicher thermoplastischer Filamente [NKI18, s. 174], ein langwieriger Druckvorgang und ein mögliches unvorhersehbares Schrumpfen des Objekts durch den Temperaturschock aufgrund der hohen Differenz zwischen Umgebungstemperatur und dem heißen Düsenkopf [ChL15, s. 137]. Dieser Schrumpfvorgang wird als Warping bezeichnet [Kna14], Ein Begünstigungsfaktor dafür ist unter anderem das Infill, das die Füllung eines Bauteils beschreibt [Kna14], Je mehr Infill im Inneren des Bauteils gedruckt wird, desto größer sind die Spannungen und folglich auch der Warp-Effekt [Kna14], Selektives Lasersintern. Laserschmelzen und 3D Printing Das Grundprinzip des Powder-Bed-Fusion-Verfahrens ist, dass dünne Schichten von Pulverpartikeln auf einer Bauplattform ausgebreitet werden und jede einzelne Schicht durch einen Laserstrahl oder ein Bindemittel mit der vorigen Schicht verschmolzen bzw. verklebt wird [NKI18, s. 174]. Anschließend wird die nächste Pulverschicht auf der Plattform verteilt und verschmolzen, bis das Objekt fertig ist [NKI18, s. 174]. Das überschüssige Pulver wird am Ende mit einem Sauger entfernt und das Objekt wird einer Nachbehandlung unterzogen [NKI18, s. 174]. Die Qualität des Pulvers bestimmt, wie porös das Objekt nach der Fertigstellung ist [NKI18, s. 174].

Die Laser-Methode wird nochmals in zwei unterschiedliche Verfahren eingeteilt [NKI18, s. 174]. Zum einen ist dies das selektive Lasersintern (SLS) und zum anderen das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) [NKI18, S. 174]. Das SLS-Verfahren erhöht die Temperatur, bis die Oberflächen der Pulverkörner auf molekularer Ebene verschmelzen [NKI18, s. 174]. SLS-Verfahren nutzen Pulver aus Polymeren, Metallen und Legierungen [NKI18, s. 174]. Im Gegensatz dazu schmilzt der Laser beim SLM-Verfahren das Pulvermaterial über die molekulare Ebene hinaus und erhöht dadurch die mechanische Stabilität des Objekts [NKI18, s. 174]. Jedoch eignen sich nur bestimmte Materialien für dieses Verfahren. Dazu gehören Metalle wie Stahl oder Aluminium [NKI18, s. 174].

Wird beim Powder-Bed-Fusion-Verfahren flüssiges Bindemittel genutzt, um die Schichten zu verkleben, so wird das Verfahren auch als Three Dimensional Printing (3DP) bezeichnet [NKI18, s. 174]. Dabei spielen chemische und Theologische Eigenschaften des Binders, Größe und Form der Pulverpartikel, Auftragegeschwindigkeit des Binders und die Interaktion zwischen Binder und Pulver eine bedeutende Rolle [NKI18, s. 174]. Unter Rheologie wird die Fließlehre eines Materials verstanden [BB013, s. 65 f.]. Die Viskosität beschreibt das Maß der Fließfähigkeit [BB013, s. 65 f.]. Im Vergleich zu den Laser-Verfahren entsteht beim 3DP ein poröseres Objekt mit geringerer Dichte [NKI18, s. 174].

Eigenschaften wie eine hohe Auflösung und Qualität ermöglichen das Drucken komplexer Strukturen und zeichnen das Powder-Bed-Fusion-Verfahren aus [NKI18, s. 174]. Komplexe Geometrien sind all jene, die durch additive Verfahren direkt in einem Stück hergestellt werden können und nicht wie bei der Nutzung konventioneller Verfahren mehrstufige Produktionsprozesse, komplizierte Werkzeuge und eine Endmontage erfordern [GKT16, s. 141].

Inkjet Printing

Inkjet Printing ist eines der bedeutendsten additiven Flerstellverfahren von Keramikobjekten, die beispielsweise im Bereich der menschlichen Gewebezüchtung eingesetzt werden [NKI18, s. 174]. Bei diesem Verfahren wird unter anderem eine Keramik-Suspension aus Zirconiumoxid-Pulver und Wasser gemischt und schichtweise in Form von Tropfen durch eine Düse auf das Druckbett aufgetragen [NKI18, s. 174]. Diese Tropfen verfestigen sich und formen das Objekt [NKI18, s. 174].

Die Methode ist schnell und effizient und ermöglicht den Bau komplexer geometrischer Strukturen [NKI18, s. 174]. Die unvorteilhafte Weiterverarbeitbarkeit des fertigen Objekts, die geringe Auflösung und die schwache Haftung zwischen den Schichten sind allerdings Herausforderungen dieses Verfahrens [NKI18, s. 174].

Eine weitere Form des Inkjet Printing ist das Contour Crafting. Dieses bezeichnet ein additives Verfahren, mit dem große Gebäudestrukturen hergestellt werden können [NKI18, s. 174]. Hierbei wird ein Beton- oder Erdgemisch mit hohem Druck durch große Düsenköpfe aufgetragen [NKI18, s. 175]. Die Intention dieses Verfahrens ist die Anwendung im Rahmen der Schaffung von Konstruktionen auf dem Mond [NKI18, s. 175].

stereolithoaraohie

Stereolithographie ist, wie bereits erwähnt, eine der ältesten Methoden additiver Fertigungsverfahren. Diese Methode nutzt ultraviolettes Licht (UV- Licht), um eine Kettenreaktion auf einer Schicht von Kunstharz oder Monomeren auszulösen [NKI18, s. 174]. Die Monomere oder Kunstharze reagieren mit dem UV-Licht und bilden feste polymere Kettenstrukturen [NKI18, s. 174]. Das Objekt wird schichtweise aufgebaut und im Anschluss daran kann die ungenutzte Kunstharzlösung entfernt werden [NKI18, s. 174]. Weitere Nachbehandlungen wie UV-Härtung oder Erhitzen können durchgeführt werden, um die mechanische Stabilität zu erhöhen [NKI18, s. 174]. Neben dem Kunstharz kann auch eine Keramik-Suspension genutzt werden, um Objekte zu erstellen [NKI18, s. 174].

Das Stereolithographie-Verfahren druckt mit einer hohen Auflösung von 10 pm [NKI18, s. 174]. Weitere Vorteile sind, dass je nach Wunsch sowohl kleine (250 X 250 X 250 mm) als auch große (1500 X 750 X 550 mm) Objekte gedruckt werden können [ChL15, s. 43]. Andererseits ist das Verfahren zeitintensiv, teuer und hinsichtlich der Materialien begrenzt [NKI18, s. 174]. Außerdem benötigt es Stützstrukturen für hängende Komponenten sowie eine Nachbehandlung [ChL15, s. 43]. Darüber hinaus sind die Kinetik der Reaktion und der Härtungsprozess des Materials komplex [NKI18, s. 174]. Die Energie und die Art der Lichtquelle, der das Objekt ausgesetzt ist, bestimmen hierbei die Schichtdicke [NKI18, s. 174].

Laser Engineered Net Shaping

Das Directed-Energy-Deposition-Verfahren ist auch als Laser Engineered Net Shaping bekannt und nutzt einen Laser- oder Elektronenstrahl als Energiequelle, der den Untergrund erhitzt und gleichzeitig das Ausgangsmaterial schmilzt [NKI18, s. 175]. Das geschmolzene Material wird auf die geschmolzene untere Schicht aufgetragen und verfestigt sich [NKI18, s. 175]. Der Unterschied zum selektiven Laserschmelzen liegt darin, dass kein Pulverbett benötigt wird und das Ausgangsmaterial direkt vor dem Aufträgen auf die nächste Schicht geschmolzen wird [NKI18, s. 175]. Dieser Vorgang ist vergleichbar zum Fused Deposition Modelling; mit dem Unterschied, dass hier mehr Energie benötigt wird, da es sich beim Ausgansmaterial nicht um Polymere, sondern um Metalle handelt, die geschmolzen werden müssen [NKI18, s. 175]. Das Verfahren wird in Fällen, in denen das Powder-Bed- Fusion-Verfahren beschränkt ist, eingesetzt, um Risse zu füllen und Teile nachzurüsten [NKI18, s. 175]. Das Material lässt sich aus mehreren Winkeln auftragen und es besteht die Möglichkeit, gleichzeitig unterschiedliche Materialien zu verwenden [NKI18, s. 175]. In der Luft- und Raumfahrt werden unter anderem Titan, Inconel, rostfreier Stahl, Aluminium und ähnliche Legierungen verarbeitet [NKI18, s. 175].

Vorteile dieser Technologie sind eine hohe Druckgeschwindigkeit (10 kg/h) und die Möglichkeit, große Teile zu fertigen (6 X 1,4 X 1,4 m) [NKI18, s. 175]. Darunter leiden jedoch im Vergleich zu SLM- oder SLS-Verfahren die Genauigkeit, Oberflächenqualität und die Fähigkeit, geometrisch komplexere Teile herzustellen [NKI18, s. 175].

Laminated Obiect Manufacturing

Diese Methode basiert auf der Idee des schichtweisen Ausschneidens und Laminierens von Blättern oder Rollen von Material [NKI18, s. 175]. Es werden sukzessive Schichten mit Hilfe eines mechanischen Schneidegeräts oder einem Laser entweder zuerst zurechtgeschnitten und dann laminiert oder umgekehrt [NKI18, s. 175]. Die erste Methode, bei der zunächst das Material geschnitten wird, vereinfacht den Bau von inneren Strukturen im Objekt, indem überschüssiges Material weggeschnitten und recycelt wird [NKI18, s. 175]. Beim Erwärmungsvorgang werden keramische oder metallische Materialien der Laminierung verwendet [NKI18, s. 175]. Weiterhin können Polymere oder Papier genutzt werden [NKI18, s. 175]. Eine Nachbehandlung des Objekts kann je nach verwendetem Material und gewünschten Eigenschaften in Form einer Hochtemperaturbehandlung erfolgen [NKI18, s. 175]. Vorteile des Laminated Object Manufacturing sind unter anderem reduzierte Kosten für die Werkzeugherstellung, eine geringe Herstelldauer und die Eignung zur Herstellung größerer Objekte [NKI18, s. 175]. Nachteile sind eine geringe Oberflächenqualität vor einer möglichen Nachbehandlung und die im Vergleich zu Pulverbett-Verfahren geringere Genauigkeit. Somit eignet sich das Verfahren nicht für die Herstellung komplexer Strukturen [NKI18, s. 175].

Tabelle 2 zeigt zusammenfassend die spezifischen Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren. Diese beziehen sich auf den Vergleich zwischen den verschiedenen additiven Verfahren.

Tabelle 2. Vor- & Nachteile verschiedener additiver Verfahren, eigene Darstellung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3.3 Materialien für den 3D-Druck

Neben den Verfahren haben auch die eingesetzten Materialien einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften eines Objekts [Geb17, s. 33]. Je nach Anwendung und geforderten Eigenschaften eines Objekts wird ein entsprechendes Material gewählt [CWY17, s. 10]. Beispielsweise sind die Größe des Objekts, die gewünschte Präzision, Oberflächenstabilität, Auflösungsqualität oder Temperaturspanne Entscheidungskriterien für die Materialauswahl [CWY17, s. 10]. Materialien des 3D-Drucks lassen sich hinsichtlich ihres Aggregatzustands unterscheiden [LaL16, s. 8]. Mögliche Ausprägungsformen sind dabei fest oder flüssig [LaL16, s. 8]. Bei festen Materialien liegt das Ausgangsmaterial in Form von Pulver, Strängen oder Folien vor - bei flüssigen in Form eines Liquides [LaL16, s. 8]. Die unterschiedlichen Formen des Materials führen zu unterschiedlichen

Schichtbindungsmechanismen, die verschiedene 3D-Druck-Verfahren nutzen [LaL16, s. 8]. Die Unterteilung der einzelnen Materialien wird in Abbildung 9 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9. Materialunterteilung additiver Verfahren, eigene Darstellung in Anlehnung an [LaL16, S. 8]

Materialien des 3D-Drucks lassen sich zusätzlich in die vier Hauptkategorien ,Kunststoffe‘, ,Metalle‘, ,Keramik‘ und ,Kompositwerkstoffe‘ gliedern [CWY17, s. 5] und treten dabei in verschiedenen Formen auf [LaL16, s. 8].

Kunststoffe

Eine Vielzahl unterschiedlicher Kunststoffe ist für den 3D-Druck am Markt verfügbar [CWY17, s. 5]. Diese unterscheiden sich in Hinblick auf Transparenz sowie thermische und mechanische Eigenschaften [CWY17, s. 5]. Je nach Anwendung sollte ein entsprechender Kunststoff für das additive Fertigungsverfahren ausgewählt werden [CWY17, s. 5]. Neuere Entwicklungen von Kunststoffen im 3D-Druck ersetzen klebrige, unangenehm riechende und spröde Materialien aus den 1990er Jahren und ähneln Kunststoffen aus dem Spritzgussverfahren [GKT16, s. 177 f.]. Jedoch ist zu beachten, dass sich die Objekte aus dem Spritzgussverfahren und des 3D- Drucks unterscheiden, selbst wenn das Ausgangsmaterial den gleichen

[...]