Inhaltsverzeichnis

Herstellung hochgenauer Prototypen mittels Fräsen
als quasi-generativem Rapid-Prototyping-Verfahren
Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur ............................................................................................................ IV
Formelzeichen ............................................................................................ IV
Abkürzungen ............................................................................................... V
1
Einleitung und Aufgabenstellung ...................................................................... 1
1.1 Rapid Prototyping als Werkzeug der Produktentwicklung ............................ 1
1.2 Fräsen als Rapid-Prototyping-Verfahren ...................................................... 3
1.3 Aufgabenstellung .......................................................................................... 4
2
Theoretische Grundlagen und Stand des Wissens ......................................... 5
2.1 Modelle im Rapid Prototyping ....................................................................... 5
2.1.1
Informationskette im Rapid Prototyping ........................................... 7
2.1.2
3D-CAD ........................................................................................... 8
2.1.3
Reverse Engineering ....................................................................... 9
2.1.4
Schnittstellen und Datenformate .................................................... 10
2.1.4.1
STL-Format ............................................................................ 12
2.1.4.2
IGES-Format .......................................................................... 13
2.1.4.3
SLC-Format............................................................................ 14
2.1.4.4
STEP-Format ......................................................................... 14
2.2 Überblick industriell eingesetzter generativer RP-Verfahren ...................... 15
2.2.1
Stereolithographie .......................................................................... 18
2.2.2
Selektives Lasersintern .................................................................. 19
2.2.3
Fused Deposition Modelling ........................................................... 21
2.2.4
Layer Laminate Manufacturing....................................................... 22
2.2.5
Controlled Metal Build-Up .............................................................. 23
2.3 Klassifizierung nach funktionalen Gesichtspunkten .................................... 24
2.4 Einteilung von Rapid Prototyping nach konventionellen
Fertigungsverfahren ................................................................................... 25
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2.5 Fräsen als quasi-generatives Rapid-Prototyping-Verfahren ....................... 27
2.5.1
Fertigung mittels integrierter CAD/CAM-Systeme .......................... 28
2.5.2
Kommerzielle Softwareprodukte zum RP durch Fräsen ................ 29
2.5.3
2.5.2.1
STRATOCONCEPTION (CIRTES/CHARLYROBOT) ............. 29
2.5.2.2
MILLIT (COSCOM) ................................................................. 31
2.5.2.3
Stratified Object Manufacturing nach ERATZ ......................... 34
Problematik beim Rapid Prototyping mittels Fräsen ...................... 34
2.6 Fügeprozesse im Rapid Prototyping durch Fräsen ..................................... 35
2.6.1
Stoffschlüssige Fügeprozesse ....................................................... 35
2.6.2
Kraftschlüssige Fügeprozesse ....................................................... 37
2.7 Zusammenfassung ..................................................................................... 38
3
Anforderungen an ein optimales Prototyping ................................................ 39
3.1 Schicht erzeugen ........................................................................................ 40
3.1.1
STL-unabhängiger Austausch der Geometriedaten
zwischen CAD-System/CAM-System ............................................ 40
3.1.2
Bauteilzerlegung zur Bearbeitung von Hinterschneidungen .......... 42
3.2 Kontur erzeugen ......................................................................................... 43
3.2.1
NC-Programmierung ...................................................................... 43
3.2.2
Zweiseitige Bauteilbearbeitung ...................................................... 44
3.3 Schichten fügen .......................................................................................... 45
3.3.1
Positionierung der Körperschichten ............................................... 45
3.3.2
Verbindung durch reversible Fügeprozesse .................................. 46
3.4 Wirtschaftliche Aspekte .............................................................................. 47
4
Ansätze für ein optimiertes Prototyping ......................................................... 50
4.1 Schicht erzeugen ........................................................................................ 50
4.2 Kontur erzeugen ......................................................................................... 52
4.2.1
Entwicklung von Hilfsgeometrien zur zweiseitigen
Werkstückbearbeitung ................................................................... 52
4.2.1.1
Innere Hilfsgeometrien als Mittel zur Bauteilfixierung.............. 53
4.2.1.2
Genauigkeitseinflüsse durch elastische Verformungen
der Hilfsgeometrien ................................................................ 55
4.2.1.3
4.2.2
Optimierte Gestaltung der inneren Hilfsgeometrien ................ 59
Bearbeitungsvorgang mit inneren Hilfsgeometrien ........................ 60
II
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4.3 Schichten Fügen......................................................................................... 62
4.3.1
Positionieren der Schichten zum Fügen mittels klassischer
Fügeverfahren................................................................................ 62
4.3.2
6
Fügeprozesse durch angepasste Pressverbindung ....................... 63
4.3.2.1
Bohrung-Zapfen-Kombination als Pressverbindung ................ 66
4.3.2.2
Hilfsgeometrie als Basis für Pressverbindungen ..................... 67
4.3.2.3
Ideale Pressverbindung mit höchsten Festigkeiten ................. 69
4.3.2.4
Ermittlung wirksamer Pressverbindungen mittels FEM ........... 71
Beispielstudie Miniaturturbine ......................................................................... 82
6.1 Geometrieanalyse zur Aufteilung in Körperschichten ................................. 83
6.2 Fertigung der Körperschichten ................................................................... 85
6.2.1
Fertigung mittels Fräsen ................................................................ 85
6.2.2
Fertigung mittels äußerer Hilfsgeometrien ..................................... 86
6.2.3
Fertigung mittels innerer Hilfsgeometrien ...................................... 88
6.3 Vergleich der RP-Verfahren Lasersintern und Fräsen ................................ 89
6.3.1
Fertigung mittels Lasersintern (SLS) .............................................. 89
6.3.2
Vergleich der Fertigungszeiten und visuellen Eindrücke ................ 90
6.4 Struktur- und Genauigkeitsanalyse der Prototypen .................................... 93
7
Ausblick und Tendenzen .................................................................................. 97
7.1 Implementierung von Schnitt-Algorithmen in 3D-CAD-Systeme ................. 97
7.2 Automatisierte Konstruktion von inneren Hilfsgeometrien .......................... 98
7.3 Bauteilschnitte in unterschiedlichen Ausrichtungen .................................... 99
8
Zusammenfassung ......................................................................................... 101
Anhang A Skizzen und Zeichnungen................................................................. 103
Anhang B Abbildungen....................................................................................... 107
Anhang C Werkstoffkennwerte .......................................................................... 110
Literaturverzeichnis .............................................................................................. 112
III