Die innovative Produktionstechnik namens 3D-Drucken, wissenschaftlich als generatives oder additives Fertigungsverfahren bezeichnet, zählt zweifelsohne zu den wichtigsten Zukunftstechnologien. Ziel dieser Studie ist es, einen Überblick über das Thema generative Fertigungsverfahren zu erstellen und auf diesem Wissen aufbauend ein 3D-Druck-System auszuwählen, welches den besonderen Anforderungen, der Herstellung von kunststoffbasierten Prototypen am besten entspricht. Dazu wird in dieser Untersuchung der allgemeine Ablauf der Herstellung eines Prototypen mittels 3D-Druck erklärt, die wichtigsten generativen Fertigungsverfahren sowie deren Hersteller gegenübergestellt, um auf dieser Basis die infrage kommenden 3D-Druck-Systeme einzugrenzen. Im Anschluss daran werden in CAD konstruierte Test-Bauteile beschrieben, welche auf diesen Anlagen bei einem 3D-Druck-Dienstleister gedruckt und auf ihre Detailgenauigkeit hin untersucht wurden, sodass am Ende dieser Studie ein 3D-Drucker feststeht, welcher zur Herstellung von kunststoffbasierten Prototypen empfohlen werden kann.

Textprobe: Kapitel 2.2, Komplexität der Bauelemente: Konventionell hergestellte Bauteile werden üblicherweise aus fertigungstechnischen Gründen in einzelne Teile oder Elemente, die zudem oft aus unterschiedlichen Materialien bestehen, aufgeteilt und anschließend montiert oder gefügt. GEBHARDT [3] spricht dabei von einem prozessorientierten Bauteilaufbau [3]. Generativ hergestellte Bauteile sind hierbei ebenfalls im Vorteil: diese können nämlich aufgrund der nahezu unbegrenzten Geometriefreiheit ihrer Funktion optimal angepasst konstruiert und entsprechend aus einem Stück gefertigt werden. Etwaige Montageschritte fallen dadurch weg. Werden gedruckte Bauteile dennoch aus mehreren Elementen montiert oder gefügt, so geschieht dies in aller Regel nicht aus konstruktiven oder fertigungstechnischen Erfordernissen, sondern aufgrund der begrenzten Bauraumgröße der Fertigungsanlage oder zur Simulation der Serienmontage. GEBHARDT [3] spricht deshalb von einem funktionsorientierten Aufbau der Bauteile [3]. Komplexe Baugruppen, die aus einer Vielzahl von niederkomplexen Einzelteilen bestehen, wie dies bei der konventionellen Fertigung häufig der Fall ist, sind also bei der generativen Fertigung eher selten anzutreffen. Stattdessen wandert die Komplexität von der Baugruppe in die Einzelteile, so dass sich Baugruppen mit eher wenigen Teilen ergeben, bei denen jedoch die Einzelteile sehr viel komplexer aufgebaut sind [4]. Durch die erhöhte Komplexität der Einzelteile bilden sich somit neue Herausforderungen für den Konstruierenden, es ergeben sich jedoch auch neue Möglichkeiten in der Produktgestaltung bis hin zu ganz neuen Produktansätzen [4]. 2.3, Werkzeuge: Ein weiterer großer Vorteil der generativen Fertigungsverfahren ist, dass diese komplett ‘werkzeuglos’ arbeiten, d. h. sie benötigen während des Bauprozesses keine auf das jeweilige Bauteil abgestimmten Werkzeuge. Das ‘Werkzeug’, wenn man es so nennen kann, ist ein die Schicht generierendes und sie konturierendes, also formgebendes Element, das weder während der Fertigung eines Bauteils noch von Bauteil zu Bauteil gewechselt werden muss. GEBHARDT [3] bezeichnet dies deshalb als prozessorientierte Werkzeugwahl [3]. Konventionelle Fertigungsverfahren arbeiten dagegen mit unterschiedlichen, auf die jeweilige Teilaufgabe optimal abgestimmten und gegebenenfalls dafür extra angefertigten Werkzeugen, die im Zuge des Fertigungsprozesses gegebenenfalls häufiger gewechselt oder ersetzt werden müssen. GEBHARDT [3] bezeichnet dies als produktorientierte Werkzeugwahl. [3] Die generativen Fertigungsverfahren sind also, was Werkzeuge betrifft, den klassischen Verfahren weitaus überlegen. 2.4, Baugeschwindigkeit: Ein weiterer Vorteil der generativen Fertigungsverfahren besteht darin, dass auf generativen Anlagen mehrere Bauteile gleichzeitig und in einem Schritt gefertigt werden, d. h. mehrere Teile schichtweise in einem einzigen Bauvorgang (‘Baujob’) aufgebaut werden können. Die Teile werden dazu entweder nebeneinander oder bei einigen Verfahren auch übereinander im Bauraum der Anlage platziert. In diesem Fall wird die Anzahl gleichzeitig herstellbarer Bauteile durch die Größe des Bauraums begrenzt. Klassische Fertigungsverfahren sind hier also klar im Nachteil: sollen mehrere unterschiedliche Teile auf einer einzigen CNC-Maschine gefertigt werden, so kann dies immer nur nacheinander (sequentiell) und nicht gleichzeitig geschehen [11]. Weiterhin lässt sich sagen, dass eine CNC-Maschine bei einem Rohling in der Regel Material sehr viel schneller entfernen kann als gleichzeitig eine generative Anlage in der Lage ist, ein neues Bauteil mit gleichem Volumen zu erstellen. Letztere ist jedoch in der Lage, vorausgesetzt der Bauraum ist ausreichend groß, ein Bauteil in nur einem einzelnen Fertigungsschritt aufzubauen. Darüber hinaus benötigen CNC-Maschinen eine sehr viel komplexere Vorbereitung und Prozessplanung als generative Anlagen (z. B in Form einer Programmierung). Diese wird umso aufwendiger, je komplexer die Bauteile in ihrer Geometrie sind. Da generative Anlagen keine solch aufwendige Programmierung benötigen, weisen diese solch einen Nachteil nicht auf [10]. Die Baugeschwindigkeit einer Maschine muss daher im Rahmen des Gesamtprozesses betrachtet werden, nicht nur in Bezug auf die physische Interaktion mit dem Bauteil-Material. Bei der CNC-Fertigung müssen nämlich Bauteile häufig innerhalb einer Maschine umgespannt oder an mehr als einer Maschine weiterbearbeitet werden. Für ein generativ hergestelltes Bauteil werden dagegen meist nur wenige Stunden Bauzeit benötigt. Diese Zeit pro Bauteil kann sogar noch weiter reduziert werden, wenn mehrere Bauteile in ein und demselben Bauraum gleichzeitig hergestellt werden [10].

• generative Fertigungsverfahren

• 3D Printing

• 3D-Drucken

• additive Manufacturing

• Rapid Prototyping

Robert Komorowsky, B. Eng., wurde 1989 im hohenlohischen Künzelsau geboren. Sein Studium des Wirtschaftsingenieurwesens an der Reinhold-Würth-Hochschule der Hochschule Heilbronn in Künzelsau schloss der Autor im Jahre 2014 mit dem akademischen Grad des Bachelor of Engineering erfolgreich ab. Bereits während dieses Studiums entwickelte er eine Faszination für die Möglichkeiten, die die innovative Produktionstechnik namens 3D-Drucken (generative Fertigungsverfahren) bietet. Dies motivierte ihn dazu, sich der Thematik des vorliegenden Buches zu widmen.