Ein Überblick über die Technologie des dreidimensionalen Rapid Prototyping

Rapid Prototyping (RP), auch als 3D-Rapid-Prototyping-Technologie oder 3D-Druck bezeichnet, hat sich in den letzten Jahren in Fertigungskreisen immer stärker durchgesetzt.

Im Vergleich zu traditionellen Fertigungstechnologien zeichnet sich die RP-Technologie durch fortschrittliche Merkmale wie digitale Fertigung, hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, direkte CAD-Modell-gesteuerte schnelle Produktion sowie eine Vielzahl von Materialtypen aus. Seit ihrer Entwicklung in den späten 80er Jahren wurde sie erstmals in der Fertigung eingesetzt und ist seitdem zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner fortschrittlicher Fertigungstechniken geworden.

Verständnis der Rapid-Prototyping-Technologie

Die Rapid-Prototyping-Technologie hat sich mit ihrer unvorhersehbaren Geschwindigkeit rasant auf dem Weltmarkt ausgebreitet und wirkt sich ständig auf die Wahrnehmung traditioneller Industriezweige aus und unterstützt und verändert die Verarbeitungstechnologie.

Dieser Artikel soll dem Leser helfen, die Klassifizierung, die Merkmale und die Vorteile dieses neuen Bereichs im Vergleich zu den traditionellen Verarbeitungsbereichen zu verstehen.

Unser traditionelles Verständnis von Rapid-Prototyping-Technologie bezieht sich auf das Drucken von Wörtern auf ein flaches Stück Papier, indem sie mit einer Druckdüse Zeile für Zeile aufgesprüht werden. Unter "3D-Druck" versteht man das kontinuierliche Stapeln eines solchen "Papiers" in der vertikalen Richtung dieser Ebene, so dass wir eine Ebene mit Höhe erhalten. Anschließend entfernen wir das mittlere "Papier" mit Hilfe einer Methode und erhalten das gewünschte dreidimensionale Objekt.

Ein solcher Druckprozess umfasst hauptsächlich die folgenden Schritte. Zunächst benötigen wir 3D-Daten des zu formenden Objekts, die mit einer 3D-Engineering-Software gezeichnet werden müssen; dann exportieren wir sie als Schnittstellendatentyp, der von 3D-Druckmaschinen erkannt werden kann. Dann werden die Daten zerschnitten, was als das oben erwähnte "Papier" verstanden werden kann. 3D-Druck Schließlich wird das gedruckte Modell nachbearbeitet, z. B. durch das Entfernen von Stützen, Schleifen und Polieren, um das endgültige Designobjekt zu erhalten, das wir benötigen.

Seit der Entwicklung der Rapid-Prototyping-Technologie wurden viele verschiedene Formgebungsverfahren entwickelt. Da es jedoch keinen Standard in der Branche gibt, gibt es viele verschiedene Bezeichnungen, insbesondere für Unternehmen, die gerade erst in die Branche eingestiegen sind und gewohnt sind, Formgebungsverfahren auf der Grundlage ihrer eigenen Maschinenmodelle zu definieren. Im Folgenden übergehen wir diese benutzerdefinierten Prozessbezeichnungen und stellen nur einige der gängigen Prozesse vor, die derzeit in der Branche anerkannt sind.

Die Stereolithografie, allgemein als SLA bezeichnet, ist eine der ältesten, am weitesten entwickelten und am häufigsten verwendeten Rapid-Prototyping-Technologien, die es heute gibt. Ein ultravioletter Laserstrahl beleuchtet einen Harztank, der mit flüssigem, lichtempfindlichem Harz gefüllt ist. Unter seinem Einfluss verfestigt sich das lichtempfindliche Harz schnell, d. h. die Formgebung beginnt, wenn die Höhe des erhöhten Tisches unter die Dicke der flüssigen Oberflächenschicht gesunken ist. Computergesteuert wird ein fokussierter Laserstrahl entlang der Flüssigkeitsoberfläche entsprechend den Anforderungen an das Querschnittsprofil gescannt, härtet das Harz auf seinem Weg aus und erzeugt Kunststoffplatten mit dem entsprechenden Querschnitt.

Sobald diese Schicht ausgehärtet ist, senkt sich der Tisch um eine Schichthöhe ab, bevor er die erstarrte Kunststoffplatte mit einer weiteren Schicht Flüssigharz für die Aushärtung durch Laserscanning bedeckt und ein weiteres Mal aushärtet, bis alle Produktformen fertiggestellt sind. Sobald alle Formgebungsvorgänge abgeschlossen sind, hebt sich der Hubtisch aus seiner Flüssigharzoberfläche, so dass das Werkstück zur Reinigung und Oberflächenbehandlung nach Bedarf entnommen werden kann.

Das Modellmaterial ist Harz, so dass das Endprodukt als Kunststoffprodukt angesehen werden kann. Es wird hauptsächlich für die Rapid-Prototyping-Technologie für konzeptionelle Modelle oder für die Montageprüfung und Prozessplanung verwendet. Es kann auch zur Herstellung von Gussformen anstelle von Wachsformen sowie als Urform für Metallspritzgussformen, Epoxidharzformen und andere weiche Formen verwendet werden. Es ist derzeit ein relativ ausgereiftes Verfahren der Rapid-Prototyping-Technologie.

Die Vorteile von SLA sind:

• 1. Das System arbeitet stabil. Sobald das System zu arbeiten beginnt, läuft der gesamte Prozess der Herstellung von Teilen völlig automatisch, ohne besondere Überwachung, bis zum Ende des gesamten Prozesses.
• 2. Die Maßgenauigkeit ist hoch und gewährleistet, dass die Maßgenauigkeit des Werkstücks innerhalb von 0,1 mm liegt.
• 3. Die Oberflächenqualität ist gut, wobei die Oberseite des Werkstücks sehr glatt ist, während die Seitenflächen Stufen und Unebenheiten zwischen verschiedenen Ebenen aufweisen können.
• 4. Das System hat eine hohe Auflösung, so dass es Werkstücke mit komplexen Strukturen herstellen kann.

Die Nachteile von SLA liegen ebenfalls auf der Hand:

• 1. mit der Zeit nimmt das Harz Feuchtigkeit aus der Luft auf, was dazu führt, dass sich weiche und dünne Teile mit der Zeit biegen oder wellen.
• 2. Lebensdauer der Laserröhre: etwa 3.000 Stunden zu relativ hohen Kosten. Gleichzeitig müssen alle Abschnitte gleichzeitig gescannt und ausgehärtet werden, was zu langen Formzeiten führt, die die Produktionskosten erheblich erhöhen.
• 3. Die verfügbaren Materialien müssen lichtempfindliche Harze enthalten. Werkstücke, die mit solchen Harzen hergestellt werden, können in den meisten Fällen die Tests zur Haltbarkeit und thermischen Leistung nicht bestehen; außerdem können lichtempfindliche Harze Umweltschäden und Hautallergien verursachen.
• 4. Es ist notwendig, eine Stützstruktur um jedes während des Formgebungsprozesses hergestellte Werkstück herum zu entwerfen, damit jedes während dieses Schritts hergestellte Strukturteil sicher fixiert werden kann.

Einführung in das Selektive Laser-Sintern

Selektives Lasersintern, besser bekannt unter dem Akronym SLSDie Rapid-Prototyping-Technologie hat sich jedoch in der Industrie als das am schnellsten wachsende und am häufigsten verwendete Verfahren durchgesetzt. Mithilfe einer Pulverauftragswalze werden Pulverschichten auf eine Formgebungsplattform aufgetragen, bevor sie für die anschließenden Aushärtungs- und Formgebungsprozesse auf Temperaturen knapp unter dem Sinterpunkt des Pulvers erhitzt werden.

Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, übernimmt das Steuerungssystem die Laserstrahlabtastung der Pulverschicht entsprechend dem Querschnittsprofil zum Sintern und Verbinden mit den bereits geformten Teilen darunter. Wenn eine Schicht fertiggestellt ist, senkt sich der Arbeitstisch um eine Schichtdicke ab, während die Pulverauftragsrolle eine gleichmäßige, dichte Pulverschicht zum Sintern einer neuen Querschnittsschicht aufträgt, bis das gesamte Modell fertiggestellt ist.

Die SLS-Technologie funktioniert ähnlich wie das Rapid-Prototyping-Verfahren, bei dem Materialschichten mit Laserstrahlen abgetastet werden. Anstelle eines Lasers in Industriequalität wie bei SLA oder SLA werden jedoch CO2-Laser und Pulvermaterial für die Produktion verwendet. Die Produktion beginnt damit, dass das Pulver knapp unter dem Schmelzpunkt vorgewärmt wird, bevor es der Lasererwärmung ausgesetzt wird, um es auf Sintertemperaturen zu bringen, damit es erstarrt und sich mit den vorherigen Schichten verbindet. Zu den Materialien, die mit SLS erfolgreich verarbeitet werden, gehören unter anderem Paraffin, Polymere, Metalle, keramische Pulver sowie deren Verbundwerkstoffe in Pulverform. Unter anderem.

Vorteile von SLS:

• Die Vielfalt der verwendeten Materialien. Theoretisch können alle Pulvermaterialien, die erhitzt und mit dem Laser geschmolzen werden können, als Formmaterialien verwendet werden, wie z. B. Nylonpulver.
• Einfacher Herstellungsprozess. Aufgrund der breiten Palette an verfügbaren Materialien kann dieses Verfahren direkt komplexe Formen der Rapid-Prototyping-Technologie, Hohlraumformen, dreidimensionale Konstruktionen oder Komponenten und Werkzeuge aus verschiedenen Materialien herstellen.
• Hohe Präzision. Mit diesem Verfahren wird in der Regel eine Toleranz von (0,05-2,5)mm im Gesamtbereich des Werkstücks erreicht.
• Keine Stützstrukturen erforderlich. Die während des Stapelvorgangs entstehenden Schwebeschichten können direkt durch ungesintertes Pulver gestützt werden.
• Hoher Materialausnutzungsgrad. Dieser Prozess benötigt keine Unterstützung und erfordert nicht die Herstellung eines Substratträgers

Nachteile von SLS:

• Direkt geformte Modelle haben aufgrund ihres Materials und ihrer Herstellungsprozesse eine unattraktive pulverförmige Oberfläche, die später zusätzliche Polierschritte erfordert, um die glatte Oberfläche echter Produkte anzunähern. Außerdem kann es während des Sinterprozesses zu einem unangenehmen Geruch kommen. Beim SLS wird die Pulverschicht mit Laserlicht erhitzt, bis ihr Schmelzzustand erreicht ist, und polymere Materialien oder Pulverpartikel, die sich während des Lasersinterns verflüchtigen, geben einen unangenehmen Geruch ab.
• Manchmal müssen im Rahmen dieses Verfahrens zusätzliche Prozesse durchgeführt werden.
• Manchmal sind auch zusätzliche Verarbeitungsschritte erforderlich.
• Beim Sintern von Polyamidpulver sind mehrere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, um eine Entzündung und Verbrennung des Materials zu vermeiden, da die Temperaturen beim Laserscanning-Sintern über 500 F liegen. So muss vor und während des Laserscanning-Sinterns flammhemmendes Gas wie Stickstoff in den Arbeitsraum eingebracht werden; das Vorheizen sollte vor dem Lasersintern erfolgen, während das Entfernen nach dem Sintern in einer geschlossenen Umgebung stattfinden muss, um die Staubbelastung zu minimieren.

Überblick über das Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling, allgemein bekannt unter dem Kürzel FDM, ist ein industrielles 3D-Druckverfahren, bei dem thermoplastische Filamentmaterialien (wie Wachs, ABS, PC und Nylon) verwendet werden, um Objekte durch Schmelzen und Extrusion durch Düsen zu formen. Jede Schicht baut auf der vorhergehenden auf und bietet der aktuellen Schicht Halt und Positionierung. Mit zunehmender Höhe nehmen auch die Fläche und die Form des Profils einer Schicht zu; sobald sich diese Form erheblich verändert, können die vorherigen Profile keine angemessene Positionierung und Unterstützung für die aktuellen Schichten bieten.

Zur Erleichterung dieses Formgebungsprozesses müssen im Voraus Hilfsstrukturen, so genannte Stützen, entworfen werden, um die nachfolgenden Schichten während ihres Formgebungsprozesses zu positionieren und zu unterstützen. Im Gegensatz zur Laser-Rapid-Prototyping-Technologie erfordert dieser Ansatz keine kostspielige Laserausrüstung, sondern ermöglicht einen einfachen Betrieb mit geringeren Wartungskosten.

Mit der Rapid-Prototyping-Technologie hergestellte Teile aus Wachs können leicht im Wachsausschmelzverfahren gegossen werden. Prototypen aus ABS-Prototypenmaterial werden aufgrund ihrer Festigkeit seit langem für Produktdesign, Tests und Bewertungen verwendet. In jüngerer Zeit sind jedoch höherfeste Formwerkstoffe wie PC/ABS/PPSF aufgetaucht, die eine direkte Herstellung von Funktionsteilen mit dieser Methode ermöglichen.

FDM hat mehrere Vorteile:

• Da kein Laser verwendet wird, ist die Wartung eine einfache und kostengünstige Technologie für das Rapid Prototyping. Der Preis ist ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung, ob ein Formgebungsverfahren für den 3D-Druck geeignet ist.
• Das Kunststoff-Filament ist sauber und leicht zu ersetzen. Im Vergleich zu anderen Verfahren, bei denen Pulver und flüssige Materialien verwendet werden, ist das Filament sauberer, einfacher zu ersetzen und zu lagern und bildet keine Verunreinigung durch Pulver oder Flüssigkeiten in oder in der Nähe des Geräts.
• Die Nachbearbeitung ist einfach: Es dauert nur wenige Minuten bis zu einer Viertelstunde, um den Träger nach der Rapid-Prototyping-Technologie zu entfernen.
• Da es keine Schritte wie das Vorlegen von Pulver gibt und die Scheiben relativ dick sind, ist die Formgeschwindigkeit hoch.

Den Vorteilen stehen auch die Nachteile von FDM gegenüber:

• Geringe Genauigkeit aufgrund der begrenzten Größe der Düse, was die Konstruktion hochpräziser Modelle erschwert.
• Geringe Festigkeit in senkrechter Richtung zum Querschnitt.

Konklusion

Die drei oben erwähnten Rapid-Prototyping-Technologien fassen im Wesentlichen die Hauptrichtungen im Bereich des RP zusammen. Eine Reihe von neuen Technologien und Verfahren, die auf dieser Grundlage entwickelt wurden, basieren im Wesentlichen auf dieser Entwicklung und Veränderung, wie z. B. die Eden-Maschine von Objet und die Zprinter-Maschine von Z-coper.

Die Vorteile der RP-Technologie werden von einigen industriell entwickelten Ländern und Unternehmen nach jahrzehntelanger Entwicklung zunehmend erkannt. Die erhebliche Verkürzung des Entwicklungszyklus und die signifikante Verbesserung der Zuverlässigkeitsüberprüfung haben sie zum am schnellsten wachsenden Industriebereich des 21. Jahrhunderts gemacht.

In China wird die Rapid-Prototyping-Technologie einerseits auf nationaler Ebene energisch gefördert und hat andererseits die Aufmerksamkeit vieler Unternehmen auf sich gezogen. Was die Anwendung angeht, hat sie jedoch bei weitem noch nicht die Breite und Tiefe der entwickelten Industrieländer erreicht und bleibt meist im Hintergrund. Sondierung Bühne. Gegenwärtig verschärft sich der Wettbewerb auf dem Markt, und die Produkte werden immer schneller ersetzt.

Das Aufkommen der Rapid-Prototyping-Technologie trägt diesem Markttrend Rechnung und bietet neue Lösungen für die Überprüfung des Produktdesigns, die Funktionsprüfung, die Überprüfung des Aussehens und die technische Analyse unter der Prämisse, die Zuverlässigkeit zu gewährleisten und den Forschungs- und Entwicklungszyklus neuer Produkte erheblich zu verkürzen. Langfristig gesehen wird die Rapid-Prototyping-Technologie die industrielle Entwicklung mit Sicherheit vorantreiben und sogar die Richtung ändern und eine neue industrielle Revolution auslösen.