Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 1WS 2012/13
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3 Merkmale generativer
Fertigungsverfahren
Grundlagen: längerfristig und allgemeingültig
Maschinenkonzepte: ändern sich schnell auf Grund
des hohen Entwicklungstempo der industriell
angebotenen Rapid Prototyping Systeme.
rasche hard- und softwareseitige Änderung der auf
dem Markt befindlichen Systeme
Entwicklung neuer Systeme
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3.1 Verfahrensgrundlagen
besonderes Charakteristikum:
Modellbildung erfolgt unmittelbar aus Computerdaten
Gedanklich:
dreidimensionale Plots oder Faksimiles der zugrunde
liegenden CAD-Daten.
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Generative Fertigungsverfahren:
• Bauteile entstehen durch das Fügen von Schichten
gleicher Dicke (d.h. inkrementelle Volumenelemente);
• Konturierung jeder Schicht, d.h. die eigentliche Form-
gebung, erfolgt in einer x-y-Ebene (= Bauebene);
( flächig = 2D)
• Die 3. Dimension ist keine kontinuierliche z-Koordinate
sondern entsteht durch Aufeinanderfügen der (2D-)
Einzelschichten;
streng genommen sind alle generativen Verfahren
2½D-Verfahren;
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Aber:
• einige Verfahren sind grundsätzlich 3D-fähig (z.B.
Extrusions-Verfahren), d.h. sie können inkrementelle
Volumenelemente an jeder beliebigen Stelle des
Bauteils anfügen.
Dies wird zur Zeit aber noch nicht umgesetzt.
• Kontinuierliche z-Konturierung wird heute nur mit
Schichtfräsverfahren erreicht.
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Bauteile sind:
• in x-y-Ebene sehr präzise
• in z-Richtung ein stufiges dreidimensionales Gebilde;
( Genauigkeit hängt von der Stufung ab,
i. Allg.: 0,1 mm)
Der Treppenstufeneffekt ist ein Charakteristikum der
Generativen Fertigungsverfahren.
Er kann durch Verringerung der Schichtdicke reduziert,
aber nie ganz beseitigt werden.
Fazit:
Unterschiedliche Genauigkeiten in x-y- und in z-Richtung
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Bild 3.1: Stufige Oberfläche als Folge des Schichtbauverfahrens,
Prinzipdarstellung
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Bild 3.2: Treppenstufeneffekt an einem Stereolithographiebauteil
(Schichtstärke 0,125 mm)
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Bild 3.3: Prinzipbedingte Stufung bei schichtorientierten Verfahren am
Beispiel einer Bohrung
a) in Schichtebene, b) senkrecht zur Schichtebene.
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Konturierung in x-y-Richtung:
• Kontinuierlich ( Vektorverfahren)
• Kleine Treppenstufen ( Rasterverfahren)
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Da die Fertigung von physischen Bauteilen direkt aus
Computerdaten erfolgt, muß der Datensatz das 3D-
Volumen vollständig und fehlerfrei beschreiben.
Ursprung der Daten:
• 3-D-CAD-Konstruktion
• Messwerte von Koordinatenmeßmaschinen
• Messwerte von CT- oder MRT-Scanner.
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Genereller Vorteil der generativen Fertigung:
• Daten werden im Zuge des Fertigungsprozesses
nicht verändert.
• Es können geometrisch komplexe Strukturen
gefertigt werden, die mit traditionellen Verfahren
nicht oder nur sehr aufwendig zu realisieren sind.
Weiterer Vorteil gegenüber nicht-generativen
computergesteuerten Fertigungsverfahren:
• Alle heute verfügbaren generativen Maschinen
arbeiten mit dem gleichen von allen Maschinen
verarbeitbaren STL-Datensatz.
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Bild 3.4: Komplexe, nur generativ herstellbare Geometrie
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Bild 3.5: Prinzip der generativen Fertigung
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Verfahrensschritte zur Herstellung von Bau-
teilen mittels Rapid Prototyping Verfahren
• Generierung der (mathematischen) Schichtinformation
(virtuell im Computer)
• Generierung des physikalischen Bauteils
(Schichtenmodells)
(physikalisch in der Rapid Prototyping Maschine)
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3.2 Erzeugung der mathematischen
Schichtinformation (Geometrie)
Generierung des Datensatzes (des virtuellen Modells):
1. Vollständige Beschreibung des (Volumen-) Modells durch einen 3D-Datensatz;
2. Generierung der Einzelschichten und der darin enthaltenen geometrischen Schichtinformationen, („slicen“);
3. Abbildung/Umsetzung dieser geometrischen Schichtinformationen zur Erzeugung einer Schicht.
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3.2.1 Erzeugung von 3D-Geometrien
3.2.1.1 Datenfluss und Schnittstellen
Grundlage aller Rapid Prototyping Verfahren:
- vollständiges 3D-CAD-Modell (als digitaler Datensatz)
wie der Datensatz erzeugt wird spielt keine Rolle
- geeignete Schnittstelle (STL, SLC, HPGL usw.)
zur Übertragung an die Maschine
- material-, verfahrens- uns anlagenspezifische Daten
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• Weitere Festlegungen vor dem Bauprozess:
– Optimale Baurichtung
– Orientierung des Bauteils im Bauraum
– Platzierung auf der Bauplattform
– Verfahrensspezifische Besonderheiten:
Stützen, Entlastungsschnitte, Base, etc.
• Für Fertigung:
– Konstante Schichtdicke
– Kontur für jede Schicht„slicen“
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• Adaptive Slice-Verfahren:
Es wird regelmäßig die Modellhöhe gemessen und
danach die aktuelle Schichtstärke berechnet
(bzw. die Anzahl der noch zu fertigenden Schichten)
Vermeidung der Baufehler in z-Richtung
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Bild 3.6: Datenfluss beim Rapid Prototyping
(orientieren,
slicen)
(Stützen,
Baupara-
meter)
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Wichtige (neutrale) Schnittstellen:
• IGES (lnitial Graphics Exchange Specification)
• VDAIS (Verband der Automobilhersteller - IGES-Schnittstelle)
• VDAFS (Verband der Automobilhersteller –Flächenschnittstelle)
• SET (Standard d‘échange et de transfer)
• STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data)
• DXF (Drawing Exchange Format)
• HPGL (Hewlett Packard Graphics Language)
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Bild 3.7: Verallgemeinerte Darstellung der Datenwege im Rapid Prototyping
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3.2.1.2 Modellierung dreidimensionaler
Körper im Computer mit 3D-CAD
Wer im Zuge seiner Produktentwicklung
Rapid Prototyping Verfahren verwenden will,
muss 3D-CAD routinemäßig einsetzen.
3D-CAD-Modell = Digitales Produktmodell
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CAD-Modelltypen:
• Eckenmodell (Objekt wird nur durch Eckpunkte
beschrieben nicht verwendbar für RP)
• Kantenmodell (Objekt wird nur durch Begren-
zungslinien dargestellt, d.h. fehlende Information über
exakte Lage von Fläche und Volumen nicht
empfehlenswert für RP)
• Flächenmodell (Objekt wird durch seine inneren
und äußeren Begrenzungsflächen beschrieben, d.h.
Information über exakte Lage von Fläche und Volu-
men (Normalenvektor) ist bekannt gut geeignet für
RP)
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• Volumenmodelle (Objekt wird durch sein Volumen
beschrieben, d.h. Information über Orientierung von
Fläche und Volumen) ist bekannt optimal für RP)
– Grundkörpermodelle (CSG)
(Objekt wird durch das Verknüpfen von
Grundkörpern – Primitives – definiert, d.h.
Flächen sind nicht explizit bekannt sondern
müssen bei der Ausgabe als STL-Datei vom
Programm berechnet werden)
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– Flächenbegrenzungsmodelle (BRep)
(Objekt wird durch seine Einzelflächen und die
Lage des Volumens definiert)
– Hybridmodelle vereinigen die Vorteile beider
Modellarten
(enthalten Elemente von CSG und Brep)
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Bemerkung:
• Die Dimension der Objekte ist zu unterscheiden von der
Dimension des umgebenden Objektraumes.
Dimension von Objekten
und Objektraum
P(x) P(x,y) P(x,y,z)
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Bild 3.8: CAD-Elemente und Modelltypen
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Bild 3.9: CSG-Baum eines Grundkörpermodells
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Bild 3.10: Ausgewählte Arbeitsschritte
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Anforderungen an CAD-Modelle
• 3D-Volumenmodellierer (Hybridmodell)
• Schnittstelle für den Export von Daten (STL)
• Parametrische 3D-Konstruktionen (Parameter
statt feste Maßvorgaben)
• Durchgängige Datenbasis (alle Module des
CAD-Programms greifen auf eine gemeinsame
Datenbasis zu)
• Redundanzfreiheit (keine doppelt gespeicherter
Daten)
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• Offene Systeme (zur Verknüpfung mit Modulen
freier Hersteller)
• Assoziativität (bei Änderungen werden alle
Abhängigkeiten überprüft und modifiziert)
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3.2.1.3 Modellierung dreidimensionaler
Körper aus Meßwerten
„Reverse Engineering“:
physikalisches Modell 3D-CAD-Modell
Umsetzung von (niederwertigen) Punktdaten in
(höherwertige) Flächendaten
(Flächenrückführung)
polygonale Flächen
Dreiecksflächen
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Bsp: Ente - Punktewolke
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Triangulierte Flächen
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Texturiertes Modell
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Messdatenerfassung
• manuelles Messen (Meßschieber, Maßband, etc.)
• automatisch arbeitende Meßsysteme
– mechanische Abtaster
– berührungslose Abtaster
• aktive 3D-Scanner
• passive 3D-Scanner
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Komplexität der Messaufgabe:
• Erforderliche Messgenauigkeiten
• Größe und Gewicht des Messobjektes
• Werkstoff und Oberflächenzustand des
Messobjektes
• Kosten für Messwertaufnahme und Verarbeitung.
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Messmaschinen:
• Koordinatenmessgerät: berührende, nicht
berührende, schaltende oder messenden
Meßsysteme
• LASER-Triangulation: im Bereich einiger
Zentimeter Entfernung vom Messobjekt
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Tabelle 3.1: Vor- und Nachteile berührender (taktiler) und berührungs-
loser Meßsysteme
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Aufbau einer 3D-Messmaschine:
Bild 3.11: a) 3D-Meßmaschine b) Einstifttaster c) Mehrstifttaster
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Bild 3.12: Auflösungsgrenze der Oberfläche beim Einsatz eines Kugeltasters
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Bild 3.13: Mögliche Messstrategie zur Erfassung räumlicher Flächen
(Punktraster - Linie - Fläche)
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Bild 3.14: Vermessung eines KFZ-Karosserie mittels eines
Koordinatenmessgerätes
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 44WS 2012/13
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Bild 3.15: Triangulationsverfahren. a) Triangulation,
b) Aktive Triangulation
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 45WS 2012/13
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Bild 3.16: 3D-LASER-Scanner (L2000 3D-Scan)
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Bild 3.17: 3D-Scan-Book (Dimension 3D-System)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 47WS 2012/13
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Bild 3.18: Die Bildansichten mit dem 3D-Scan-Book
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 48WS 2012/13
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Bild 3.19: Das Silhouettenschnittverfahren
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3.2.2 Erzeugung der mathematischen
Schichten (geometrische Schichtinformation)
3D-CAD-Volumenmodell wird mathematisch in
gleichen Schichten zerlegt („slicen“)
• Oberfläche mit kleinsten Dreiecken überziehen
Dreiecks- oder Triangulationsverfahren
STL-Datensatzes (Industriestandard)
• beliebig in Schichten schneiden
Schnitte direkt in das CAD-Modell. (direkte Methode)
CLI- (SLC-) Datensatz.
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 50WS 2012/13
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3.2.2.1 STL-Format („Standard Transformation
Language“)
• Industriestandard (nicht standardisiert)
• Die einfache Beschreibung der Oberfläche
ermöglicht das problemlose Schneiden an jeder
beliebigen z-Koordinate (ohne CAD-Programm).
• nur ein Datenelement ; kaum Syntaxfehler
(Normalenvektor und Koordinaten der Eckpunkte)
• kleinere Fehler können mit wenig Aufwand repariert
werden
• Dreieck stellt höherwertige Geometrieinformation
dar (als der Vektor eines Konturzuges - CLI)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 51WS 2012/13
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• Daten können gedreht, vergrößert oder verkleinert –
d.h. skaliert – werden (ohne dass eine CAD-Programm
verfügbar sein muß).
1. Eckpunkt
3. Eckpunkt
Flächen-
normale
Bild 3.20: Darstellung einer Dreiecksfacette („Patch“)
2. Eckpunkt
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 52WS 2012/13
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solid Untitled1
facet normal 0.00000000E+000 0.00000000E+000 1.00000000E+000
outer loop
vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000
vertex -1.96850394E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000
vertex -1.96850394E+000 0.00000000E+000 1.96850394E+000
endloop
endfacet
facet normal 0.00000000E+000 0.00000000E+000 1.00000000E+000
outer loop
vertex -1.96850394E+000 0.00000000E+000 1.96850394E+000
vertex 0.00000000E+000 0.00000000E+000 1.96850394E+000
vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000
endloop
endfacet
……………..
facet normal 0.00000000E+000 1.00000000E+000 0.00000000E+000
outer loop
vertex 1.96850394E+000 1.96850394E+000 0.00000000E+000
vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 0.00000000E+000
vertex 0.00000000E+000 1.96850394E+000 1.96850394E+000
endloop
endfacet
endsolid Untitled1
Flächennormale
1. Eckpunkt
2. Eckpunkt
3. Eckpunkt
Tabelle 2.1: ASCII-Beschreibung einer STL-Schnittstelle
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 53WS 2012/13
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Bild 3.21: Einfluß der Größe der Dreiecksflächen auf die
Approximation einer Verrundung.
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Bild A1.1: Punktewolke (6570 Punkte)
Beispiel: Hand
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Bild A1.2: Anfangstriangulierung (4693 Punkte, 8832 Dreiecke)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 56WS 2012/13
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Bild A1.3: Triangulierung mit geschlossenen Löchern (4693 Punkte,
8841 Dreiecke)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 57WS 2012/13
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Bild A1.4: Triangulierung mit geglättetem Rand
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 58WS 2012/13
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Bild A1.5: Triangulierung einer Hand (3257 Punkte, 5569 Dreiecke)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 59WS 2012/13
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Fehler bei der Umsetzung der CAD-internen
Geometriedaten in STL-Daten
• Konstruktionsfehler
– fehlerhafte Vereinigung von Einzelelementen im CAD;
(wirken sich primär bei Schicht-Laminat-Verfahren
aus durch mögliche zusätzliche Schnitte aus.)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 60WS 2012/13
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Bild 3.22: Auswirkungen fehlerhaft vereinigter Körper
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 61WS 2012/13
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• Umsetzungsfehler
– Approximation der mathematisch exakten Kontur
durch gerade Dreiecke, d.h. keine direkte Umsetzung
von gekrümmten Formelementen möglich -
Ungenauigkeit;
– Verzerrung von Formelementen durch den gewählten
Approximationsgrad;
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 62WS 2012/13
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Bild 3.23: a) Sekantenfehler bei der Annäherung eines Kreises durch
4 (f/4), 8 (f/8) oder 12 Geradenabschnitte (f/12)
b) Einfluss der Anzahl der Dreiecke auf die Modellierung
einer Kugel (STL)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 63WS 2012/13
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• Syntaktische Darstellungsfehler
(Beschreibungsfehler)
– Lücken zwischen Dreiecksfacetten (Berandungsfehler)
– Doppelte Dreiecksfacetten (Überlappungen)
– Falsche Orientierung einzelner Facetten
(Fehlorientierung)
Fertigung ist nur mit Einschränkung oder über-
haupt nicht möglich.
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 64WS 2012/13
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Bild 3.24: Mögliche Fehler im STL-Datenfile
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 65WS 2012/13
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Bild 3.25: Einfluss nicht exakt berandeter Flächenmodelle auf die
Erzeugung von Schichtmodellen
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 66WS 2012/13
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3.2.2.2 CLI-/SLC-Format
(konturorientierte Schnittstelle)
• CLI: Systemübergreifende, anlagenneutrale Form
der Datenübergabe
• SLC: anlagenspezifische Zusatzinformationen zu
den geometrischen Grunddaten
kann nicht zwischen den verschiedenen gene-
rativen Fertigungssystemen ausgetauscht
werden.
• Schnitterzeugung erfolgt direkt im CAD
(am mathematisch exaktes Objekt)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 67WS 2012/13
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Bild 3.26: Direkte Konturgenerierung aus einem 3D-CAD (SLC)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 68WS 2012/13
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• Polyline-Anweisung (für jede Schicht):
– Außenkontur (mathematisch positiv)
– Innenkontur (mathematisch negativ)
Konturen müssen geschlossen sein, d.h. Endpunkt =
Anfangspunkt
In einer Ebene können beliebig viele Konturen existieren
• Aber: Daten können nachträglich nicht mehr skaliert
werden (da kein Bezug zur Höhenkoordinate)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 69WS 2012/13
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Bild 3.27: Darstellung von Konturen im CLI-Datenformat
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 70WS 2012/13
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Bild: 3.28: Fehler im CLI-File und ihre Auswirkungen
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 71WS 2012/13
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3.2.2.3 PLY- und VRML-Format
Insbesondere für farbige Bauteile und solche, die mit
kontinuierlich über den Querschnitt veränderlichen
Eigenschaften (Graded Material) hergestellt werden.
(Diese können nicht mit STL-Datensätzen beschrieben
werden, da die Beschreibung immer das gesamte Drei-
eck betrifft.)
• PLY – „Polygon-File-Format“
• VRML – „Virtual Reality Modeling Language“
(ISO-Standard seit 1997)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 72WS 2012/13
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3.3 Elemente zur Erzeugung der
physischen Schicht
a) Schicht wird entsprechend der geometri-
schen Schichtinformation auf der Bauebe-
ne (x,y-Ebene) abgefahren;
( Bewegungselement)
b) Schicht wird simultan gemäß einem
physikalischen Prinzip physisch erzeugt.
( generierendes/konturierendes Element)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 73WS 2012/13
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3.3.1 Bewegungselemente
definieren die Geometrie des Bauteils
– Plotter
x-y-Positioniersysteme mit getrennten Achsen
Antrieb: Zahnriemen, Zahnstangen, Linearantriebe
– Scanner (nur bei Lasereinsatz)
frei programmierbare Ablenksysteme, die den
Laserstrahl auf der Bauebene bewegen.
(für hohe Scan-Geschwindigkeiten müssen die
Spiegel leicht sein)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 74WS 2012/13
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• Problem: Projektion ist im Zentrum scharf am Rande
aber unscharf.
– Abhilfe: Planfeldlinse (Brennpunkt außerhalb der
optischen Achse)
Bild 3.29: Scan-Optik zur Abbildung der
Schichtinformation auf der Bauebene
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 75WS 2012/13
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3.3.2 Generierende und konturierende Elemente
Generierende Elemente erzeugen die Schicht
(Laser, Extruder, Druckköpfe)
Konturierende Elemente beranden die Schicht
(Laser, Messer, Fräser)
Impact-Verfahren: mech. Wechselwirkung mit der
Schicht (berührende Verfahren)
Messer – Fräser – Extruder
Non-Impact Verfahren: keine mech. Wechselwir-
kung mit der Schicht (berührungslose Verfahren)
Laser – Druckköpfe
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3.3.2.1 Lasergestützte Konturierung /
Generierung
Der energiereiche Strahl kann auf extrem
kleine Durchmesser fokussiert werden.
Er kann gepulst oder kontinuierlich sein.
• zum schneiden und sintern: ( = 10 600 nm):
CO2-Laser
• Polymerisation: ( < 500 nm)
Ar-Ionen-/HeCd-Laser (früher)
Festkörperlaser (heute)
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 77WS 2012/13
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Vektorverfahren:
• Konturelemente werden aus geometrischen
Grundelementen (Primitives) erzeugt.
• Kontur kann um einen halben
Strahldurchmesserversetzt werden.
(Strahlweitenkompensation, beam width
compensation)
• Dauer der Generierung hängt von der Komplexität
der Schicht ab.
genauestes und langsamstes Verfahren
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Rasterverfahren:
• Kontur wird zeilenweise generiert
( Treppenstufeneffekt in x-y-Ebene)
• Dauer der Generierung hängt nicht von der Komplexität der Schicht ab.
Schneller als Vektorverfahren
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 79WS 2012/13
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Maskenverfahren:
• geometrisch ähnliche, aber maßstäblich verkleinerte
Maske der Schichtkontur wird hergestellt und mittels
einer Energiequelle (UV-Lampe) durchleuchtet.
• Belichtung erfolgt auf einmal und ist unabhängig von
der Komplexität der Schichtinformation.
schnellstes Verfahren
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Bild 3.30: a) Vektor-, b) Raster- und c) Maskenverfahren zur Abbildung
der geometrischen Schichtinformationen auf der Schicht
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Zu fertigendes Teil Maske
(Positiv-Teil): (Negativ-Teil):
Maskenverfahren:
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 82WS 2012/13
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3.3.2.2 Konturierung / Generierung ohne Laser
a) Druckköpfe (Inkjet-Systeme)
Auftragen von flüssigem Baumaterial
Lokales Einbringen von flüssigem Binder ins
Pulverbett
1.) Bubble-Jet- oder thermische Druckköpfe
– mehrere hundert Düsen pro Druckkopf
– Düsen : 20 – 50 m
– Volumen : 4 – 30 pl
Das thermische System ist vergleichsweise
langsam.
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2.) Piezo-Druckköpfe
– ca. 50 – 100 Düsen pro Druckkopf
– Düsen : 20 – 50 m
– Volumen : 2 pl
Das elektro-mechanische Verfahren lässt sich
präziser und schneller steuern als das thermische.
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 84WS 2012/13
Prof. Dr. Roland Friedrich
b) Extruder
Das Material wird in eine beheizte Kammer gefördert
und dort durch Wärme in einen pastösen Zustand
überführt.
Durch eine Düse wird das Material extrudiert und als
Schicht auf das Bauteil aufgetragen.
Mehrere parallel arbeitende Düsen sind möglich.
c) Schneidmesser
Konturierung von Folien aus Papier, Kunstsoff und
Keramik.
Rapid Prototyping – Kap. 3 Seite 85WS 2012/13
Prof. Dr. Roland Friedrich
3.3.3 Schichterzeugendes Element
Setzt sich zusammen aus aufeinander abgestimmten
Bewegungselementen und generierenden Elementen.
Stellt das Werkzeug der generativen Maschine dar.
Ob ein schichterzeugendes Element generiert oder
konturiert hängt vom physikalischen Prinzip der
Schichtentstehung ab.