3D-Druck auf Inkjet-Basis erfüllt optische und funktionale Kriterien

Rückenwind für den Prototypenbau

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Rapid Prototyping-Verfahren werden in vielen verschiedenen Branchen angewendet, beispielsweise im Bildungswesen, in der Medizin und Zahntechnik, Kieferorthopädie, im Motorsport, in der Elektronik-, Automobil-, Schmuck-, und Konsumgüterindustrie sowie Militärtechnik. Heutzutage können sowohl große als auch kleine Unternehmen komplexe Bauteile und fertige Baugruppen dank dem 3D-Druck simulieren – schneller und genauer als je zuvor.

Exklusiv in kem Der Beitrag stammt von der Objet GmbH, Rheinmuenster Sound of Silence

Drehbänke, Bohrmaschinen und Hobelmaschinen sowie Waagrecht- und Senkrecht-Stoßmaschinen – all diese für die Großserienfertigung so wichtigen Produktionsmittel wurden im 19. Jahrhundert erfunden. Seit der industriellen Revolution haben es die Hersteller nicht geschafft, die Kosteneffizienz der Großserienfertigung auf den Prototyping-Prozess anzuwenden und zu übertragen – doch das ist jetzt anders. Aufgrund des Wirtschaftlichkeitsprinzips durch Massenproduktion bleibt der Prototypenbau die Achillesferse für Konstrukteure und Produktionsunternehmen: Architekten bezahlen Studenten dafür, in mühevoller Kleinarbeit Kartonmodelle ihrer Gebäude zu bauen und zusammenzukleben. Automobilhersteller stellen Mitarbeiter ein, die massive Modelle ihrer nächsten Fahrzeuggeneration aus Holz und Ton bauen. Zahnmedizinische Labors verwenden Zahnabdrücke, um Veneers, Kronen und kieferorthopädische Vorrichtungen zu erstellen. Und das sind nur einige Beispiele.
Mit 3D-Drucktechnologien können jetzt Prototypen, für deren Bau man früher Tage, Wochen oder gar Monate gebraucht hätte, in wenigen Stunden hergestellt werden. Unternehmen, die ihre Effizienz und Produktivität steigern möchten, können nun mithilfe der 3D-Drucktechnologie schnell von der ursprünglichen Konstruktion zur endgültigen Fertigung der Produkte gelangen.
Anforderungen an Form, Passform und Funktion
3D-Druckverfahren sind nicht nur schnell, genau und reproduzierbar, sie bieten auch den unschätzbaren Vorteil realistischer Nachbildungen, die zu einem frühen Zeitpunkt des Konstruktionszyklus richtig getestet und auf Konstruktionsfehler überprüft werden können. Wird ein Konstruktionsfehler am Modell festgestellt, können Designer und Konstrukteure diesen problemlos im CAD-Programm beheben und das Modell mehrfach drucken und testen, bis die Konstruktion perfekt ist und genau ihren optischen und funktionalen Anforderungen entspricht. Die Erfüllung der Anforderungen an Passform und Form beim Rapid Prototyping hing immer von der eingesetzten 3D-Drucktechnologie ab. Die Anforderung an Funktionalität hingegen hängt natürlich stärker von den Eigenschaften des Materials ab, das von dem 3D-Drucksystem verarbeitet wird. Laut Branchenberichten nutzen Unternehmen heute 55 % ihrer generativen Verfahren für Passform- und Formprüfungen. Dafür ist eine originalgetreue Optik und Haptik erforderlich, damit Konstrukteure, Marketingspezialisten und Arbeitsgruppen das geplante Produkt genau visualisieren können. Welche 3D-Drucktechnologien eigenen sich also am besten zur Simulation von Passform und Form?
Inkjet-basierte 3DDrucktechnologie
Bei einer schnellen Google-Suche nach Rapid Prototyping- Technologien findet man viele Anbieter. Die Hauptunterschiede zwischen diesen „generativen Verfahren“ liegen darin, wie die einzelnen Schichten (Art und Weise) zur Produktion von Bauteilen miteinander verbunden werden. Bei einigen werden Kunststoffe geschmolzen, bei anderen werden pulverförmige Stoffe gebunden und bei wieder anderen werden flüssige Materialien gespritzt oder selektiv mittels Laser aufgeschmolzen.
Objet verfügt über mehr als 110 eingetragene Patente und Patentanmeldungen im Bereich Inkjet-basierter 3D-Drucktechnologie sowie mehr als 60 flüssige Photopolymer-Materialien auf Acrylbasis, die mit UV-Licht ausgehärtet werden. Diese Materialien werden mithilfe spezieller 3D-Drucksysteme mit Inkjet-Druckköpfen verarbeitet, die denen normaler Drucker gleichen.
Die Technik des Inkjet-basierten 3D-Drucks eignet sich besser als jede andere für die Herstellung hoch präziser Teile mit einer Schichtstärke von 16 µm. Bei genauem Hinsehen erkennt man, dass die Wandschichten sehr homogen aufgebaut sind und das keine Schichteffekte auftreten, wie dies bei vielen 3D-Druckverfahren unter Aufbringung von geschmolzenem Material der Fall ist.
Beim Inkjet-Drucken können Bauteile mit glatten Oberflächen hergestellt werden, die bereits matt oder glänzend aus dem Drucker kommen. Dies ist bei anderen 3D-Druck-Verfahren nicht der Fall. Ein Vorteil liegt darin, dass nur so viel Material verwendet wird, wie auch effektiv gebraucht wird. Durch das Jetten des Materials auf die Bauplattform, anstatt Stereolithografie-Techniken einzusetzen, mit denen ein ausgewählter Bereich innerhalb eines mit flüssigem Kunststoff gefüllten Behälters ausgehärtet wird, können unterschiedliche Materialien aus den voneinander getrennten Düsen des Inkjet-Kopfes gejettet werden. Dies hat im Vergleich zur Stereolithografie zwei große Vorteile im Hinblick auf Passform- und Formprüfungen:
Bessere Formstabilität und Visualisierung
Erhöhte Formstabilität: Objet hat jetzt das verbesserte Material „VerowhitePlus FC 835“ auf den Markt gebracht – ein Material, das eine hohe Formstabilität bietet, also seine ursprünglichen Abmessungen beibehält, wenn es Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankungen ausgesetzt ist. Dies ist eine essentielle Eigenschaft für Passform- und Formprüfungen, da es schwierig und oft sogar unmöglich ist, präzise Geometrien zusammenzusetzen, wenn sich ein Modell auch nur leicht verzieht.
Glasklare Transparenz und hohe Formstabilität: Das neue Material „Veroclear FC810“ ermöglicht Prototypen mit ähnlichen optischen Eigenschaften wie PMMA, ein häufig verwendeter Glasersatz, der eingesetzt wird, wenn wenig Gewicht und Splittersicherheit relevant sind und wenn Brechungsindex und Lichtdurchlässigkeit (Transparenz) mit den Eigenschaften von normalem Glas vergleichbar sein sollen. Dieses Material wird häufig für Lampengehäuse sowie für glasähnliche Elemente in den Bereichen Konsumgüter, Unterhaltungselektronik und Kosmetikverpackungen eingesetzt.
Simulation von technischen Kunststoffen
Funktionsprüfungen sind ein wesentlicher Bestandteil der Rapid Prototyping-Anwendung und erfordern in vielen Fällen die Simulation technischer Kunststoffe. Ein dafür häufig verwendetes Material ist Acrylnitril-Butadien-Styrol, auch bekannt unter der Abkürzung ABS.
Warum ABS? Was das Preis-Leistungs-Verhältnis betrifft, stellt ABS einen Meilenstein für die 3D-Drucktechnologie dar, da damit die Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit von Acrylnitril- und Styrolpolymeren sowie die Belastbarkeit von Polybutadienkautschuk kombiniert werden können, jedoch zum günstigen Preis von Standardkunststoffen.
Die Liste der Anwendungsbereiche für ABS-Kunststoffe wird immer länger. Durch ihr geringes Gewicht und die Möglichkeit, sie zum Spritz-, und Strangguss anzuwenden, sind sie für eine Vielzahl von Produkten hervorragend geeignet. Dazu gehören Verkleidungsteile in der Automobilindustrie, Gehäuse für elektrische und elektronische Baugruppen, Schutzschichten, Haushaltsgeräte und Spielzeug.
Das neue ABS-ähnliche „Digital Material“ (RGD5160-DM) von Objet weist eine Temperaturbeständigkeit von 65 °C direkt nach dem Druck, 90 °C nach thermischer Nachbehandlung sowie eine hohe Belastbarkeit von 65 bis 80 J/m auf. Diese ist vergleichbar mit Standard-ABS-Kunststoffen und dreimal so hoch wie von Objet Verogray.
Dieses belastbare und leichte Photopolymer ist im Prinzip ein „digitaler Verbundstoff“. Es wird durch das gleichzeitige Drucken von zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt und ist sowohl sehr temperaturbeständig als auch sehr widerstandsfähig.
Das ABS-ähnliche Digital Mate- rial hat folgende Eigenschaften:
  • Formstabilität: Dank einer Kombination aus Härte und Temperaturbeständigkeit verfügt das ABS-ähnliche Mate- rial über eine hervorragende Formstabilität.
  • Simulation von Schnappverbindungen: Aufgrund der hohen Schlagfestigkeit des ABS-ähnlichen Digital Material von Objet können Anwender problemlos Baugruppen mit Schnappverbindungen simulieren, darunter auch Modelle mit Scharnieren, die wiederholt geknickt und gebogen werden.
  • Temperaturbeständigkeit: Das ABS-ähnliche Digital Material verfügt über eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 95 °C. So können Designer und Konstrukteure auch bei direkter Beanspruchung der Prototypen die Form-, Passform- und Funktionsprüfungen durchführen.
  • Statische/dynamische Lasten: Die hohe Schlagfestigkeit des ABS-ähnlichen Digital Material ermöglicht den Einsatz des gedruckten Bauteils unter hohen dynamischen Lasten.
Hitzebeständig bis 80 Grad Celsius
Modelle herzustellen, die eine hervorragende Oberflächenbe- schaffenheit, feine Details und eine Temperaturbeständigkeit von 80 °C aufweisen, ist im Prototypenbau niemals einfach. Das neue hitzebeständige Material RGD525 vereint eine sehr gute Oberflächenbeschaffenheit mit einer Temperaturbeständigkeit von 65 °C direkt nach dem Druck beziehungsweise 80 °C nach einer kurzen thermischen Nachbehandlung im Temperofen.
Hervorzuheben sind:
  • Licht-Wärme-Prüfungen: Die wichtigsten Anwendungsbereiche für dieses Material sind Wärmestabilitätsprüfungen statischer Teile. Dies können beispielsweise Lichtprüfungen unter langfristiger starker Beleuchtung sein, wie sie für verschiedene Konstruktionsprojekte in Automobil- und Schwerindustrie erforderlich sind.
  • Strömungsprüfungen mit heißem Wasser und heißer Luft
  • Metallisieren, Lackieren, Kleben: Das hitzebeständige Material eignet sich auch optimal zum Lackieren, Kleben und Metallisieren – Verfahren, für die besonders glatte Oberflächen erforderlich sind. Nachbearbeitungen dieser Art sind mit dem hitzebeständigen Material schnell und unkompliziert möglich, ohne dass unerwünschte Grate, die bei anderen Methoden wie der Stereolithografie entstehen, geschliffen und entfernt werden müssen.
Euromold: Halle 11, Stand D90
Online-Info
Mit der NVH-Simulation lassen sich Ursachen und Quellen von Vibrationen und Geräuschen auffinden und beseitigen.
Wo immer Maschinen ihren Dienst verrichten, sind Vibrationen und Geräusche meist unvermeidlich. Sie können das Wohlbefinden stören, krank machen, und auch die Funktion und Sicherheit von Produkten mindern. Mit NVH-Simulationsprogrammen (NVH – Noise, Vibration, Harshness) RückenIngenieure den Ursachen und Quellen zu Leibe. Einer der führenden Anbieter von NVH-Lösungen ist MSC.Software, die jüngst durch die Übernahme von Free Field Technologies (FFT)ihr Leistungsportfolio nochmals beträchtlich erweitert haben.
Geräusche und Vibrationen sind hörbare bzw. fühlbare Schwingungen, die an Maschinen jedweder Art auftreten und dabei meist als störend empfunden werden, die aber auch direkt oder indirekt die Sicherheit beeinträchtigen können, weil Schwingungen die Haltbarkeit deutlich herabsetzenoderVibrationen und Geräusche Ermüdungen hervorrufen. Auch die in den vergangenen Jahren kontinuierliche gestiegene Umweltbelastung durch Lärm soll hier nicht unerwähnt bleiben. Der Sammelbegriff für diese Thematik lautet NVH – Noise, Vibration, Harshness, wobei mit Harshness (Rauheit) der für diese Problematik besonders signifikante Frequenzbereich zwischen 20 und 100 Hertz bezeichnet wird.
Vielfältige Aufgabenstellungen
Das Thema NVH zieht sich durch alle Branchen, von Konsumgütern wie Waschmaschinen bis hin zu Fahrzeugen, Flugzeugtriebwerken und Windkraftanlagen. Speziell in der Fahrzeugtechnik treten besonders vielfältige Anforderungen auf. Karosserie, Motor, Getriebe, Fahrwerk, Abgasanlage, Lüftung und andere Subsysteme erzeugen je nach Fahrzustandein äußerst komplexes Konglomerat an Geräuschen (Luft- und Körperschall)und Vibrationen, das Kunden immer weniger bereit sindzu akzeptieren. Hinzu kommenanwendungs- bzw. markenspezifische Aspekte. Während für einen Rolls Royce-Fahrer das Ticken der Uhr das lauteste Geräusch im Innenraum sein sollte, möchte der Ferrari-Fahrer den einzigartigen Motorsound immer und überall deutlich zu hören.
Umfassende Optimierungen nur mit der numerische Simulation möglich
Bei den Bemühungen, den Ursachen und Quellen von Geräuschen und Vibrationen auf die Spur zu kommen, müssenkonventionelle „Trial and Error“-Entwicklungsmethoden fast zwangsläufig scheitern. Den notwendigen physischen Testskomplexer Gesamt- oder Subsysteme sindaus Kosten- und Zeitgründen relativ enge Grenzen gesetzt, sodass selbst unter guten Voraussetzungen höchstens eine lokale Optimierung erzielt werden kann.
Numerische NVH-Simulationen mit der Finite Elemente Analyse (FEA) und der Mehrkörpersimulation (MKS) setzen sich immer stärker durch, lassen sich doch auf der Basis von 3D-Geometriemodellen umfangreiche Analysendes Schwingungsverhaltens bzw. Akustik-Untersuchungenrelativ schnell und kostengünstig durchführen und den Ingenieuren ein weitaus besserer Einblick in Zusammenhänge vermittelt wird, als dies mit Versuchen möglich wäre.
Einer der führenden Anbieter von NVH-Lösungenist das amerikanische Unternehmen MSC.Software, das mit seinen Programmen NASTRAN und Adams über anerkannte und etablierte Programme verfügt, die in vielen industriellen Bereichen seit Jahren einen Quasi-Standard darstellen.
Anforderungen an praxisorientierte NVH-Lösungen
Für das Verständnis der strukturmechanischen Schwingungseigenschaften einer Struktur – Ursache für Vibrationen und Körperschall – müssen die zugehörigen Schwingungsmodi sowie die Systemreaktion auf externe Belastungen bekannt sein. Die NVH-Lösungen von MSC.Software bieten dazu Funktionen zur Berechnung des linearen und nichtlinearen Einschwingverhaltens in transienten Analysen sowie Frequenzganganalysen struktureller Komponenten, Systeme und mechanischer Baugruppen mit und ohne modale Reduktion. Über die vergangenen Jahre wurde die Leistungsfähigkeit, Stabilität und Praktikabilität der NVH-Lösungen kontinuierlich verbessert, u. a. auch durch die Einbindung in multi-disziplinäre Lösungsansätze.
Realistische NVH-Untersuchungen auf Systemebene bedingen umfangreiche Modelle, weshalb leistungsstarke Methoden und Solvertechnologienunabdingbar sind. Einige der in der jüngsten Vergangenheit integrierten Entwicklungen umfassen:
– ACMS (AutomatedComponent Mode Synthesis) für eine schnellere, parallelisierte modale Analyse umfangreicher Modelle,
– Externe Superelemente für den Montageprozess, wodurch die logische Partitionierung eines kompletten Systems, z. B. eines Fahrzeugs, und die Wiederverwendung von Komponenteninformationen ermöglicht wird
– Gekoppelte Fluid-Struktur Interaktion (FSI) für die Innenraum-Akustik, bei der bestimmt werden kann, welchem Schalldruckpegel beispielsweise Fahrzeuginsassen ausgesetzt sind.
– Kopplung mit Außenraumakustik: Die Kopplung von Strukturen und Schwingungen wird eingesetzt, um in einer einzigen gekoppelten vibro-akustischen Analyse das Schallfeld zu analysieren, das von einer schwingenden Struktur abgestrahlt wird. Dank der Verwendung infiniter Elemente erübrigen sich umfangreiche Netzdarstellungen des Feldes um akustische Quellen.
– Zeitabhängige NVH Analyse wird benutzt, um ein transientes ereignis zu analysieren, das potenziell eine nicht-lineare dynamische Systemantwort anstoßen könnte. Über die Fast Fourrier Transformation werden Modi und Frequenzen extrahiert, die die dynamische Lösung beschreiben.
– ‚Panel Participation‘ist ein Analyseverfahren, um festzustellen, welche Komponenten einer Baugruppe am meisten zu einem bestimmten Geräusch betragen (Panel Participation).
– Analyse Bremsenquietschen ermöglicht die Vorhersage instabiler reibungsinduzierter Modi, die Geräusche erzeugen.
Mit der FRF-basierten NVH-Analyse, einer auf der Frequenzgangfunktion (Frequency Response Function, FRF) beruhenden Methode, wird es ermöglicht, den Pfad des Energieflusses von der Quelle zu einem relevanten Punkt bestimmen zu können, um so kritischer Wege und Geräuschquellen frühzeitig zu identifizieren. Der Frequenzgang von Komponenten wird aufgrund von Einheitsbelastungen bei einer bestimmten Frequenz dargestellt und können anschließend kombiniert werden, um so die FRFs von Baugruppen mit diesen Komponenten zu erzeugen. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass er sich für die Übertragungsweganalyse eignet.
Hilfreich für alle Branchen
Ein Beispiel aus der Konsumgüter-Branche zeigt auf, das NVH nicht allein in der Automobilindustrie ein Thema ist. So konnte ein Hersteller von Waschmaschinen durch den Einsatz des MKS-Systems Adams manuell 60 unterschiedliche Iterationen durchführen und so die Vibrationen seines Produkts um immerhin 35 Prozent senken. Durch Einsatz der sog. Taguchi-Methoden (Six Sigma) konnten virtuelle Tests entwickeln, bei denen weitere 4374 (!) Varianten untersuchen wurden, was letztlich zu einer Reduzierung der Vibrationen um 70 Prozent führte.
Free Field Technologies (FFT),ein ausgewiesener Spezialist für Akustik
Im Sommer 2011 hat MSC.Software mit der Belgischen Free Field Technologies (FFT) ein Unternehmen übernommen, das sich seit seiner Gründung 1998 äußerst erfolgreich auf den Bereich der Akustik-Simulation spezialisiert hat. Geplant ist,dass beide Unternehmenzwar nach wie vor getrennt im Markt agieren. Das Produktportfoliowird jedoch aufeinander abstimmen werden, um Redundanzen zu reduzieren und Synergieeffekte zu nutzen.
Über Bereiche hinaus, die von beiden Unternehmen abgedeckt werden (Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt etc.), ist FFT auch im Marktsegment der Unterhaltungs- und Konsumentenelektronik präsent, wo man mit richtungsweisenden Lösungen für die Entwicklung und Optimierung u. a. von Lautsprechern, Kopfhörern, Hörhilfen etc. aufwarten kann.
FFTs ACTRAN-Produktfamilie ist derzeit eine der umfangreichsten und leistungsstärksten Akustiklösungen im Markt. ACTRANAcoustics stellt eine Stand-Alone Lösung dar und ist gleichzeitig die Basis für aufbauende Lösungen, u. a. ACTRANVibroAcoustics, ACTRANAeroAcoustics oder ACTRANTM und ACTRAN DGM. Mit dem Pre-/Postprocessor ACTRAN VI ist die Verarbeitung der Netze von Drittanbietern sowie eine komfortable Ergebnisaufbereitung mühelos möglich.
ACTRAN for NASTRAN ist eine bereits heute verfügbare Hybrid-Lösung, in der die spezifischen Vorteile beider Systeme bzw. Ansätze (modale vs. physikalische Koordinaten) optimal genutzt werden können. Möglich ist beispielsweise die Integration von ACTRAN-Modellen in eine NASTRAN-Umgebung, Beispiel Verbundglasfrontscheibe (ACTRAN) in Fahrzeugmodell (NASTRAN), oder aber NASTRAN-Modellekönnen durch reduzierte ACTRAN-Komponenten komplettiert werden. Der Zugewinn ist u. a. darin zu sehen, das so die Untersuchung voll ausgestatteter Karosseriestrukturen ermöglicht wird, anstatt sich mit der Rohkarosserie – Body-in-White) begnügen zu müssen.
In diesem Kontext ist besonders die Expertise hervorgehoben werden, die sich FFT auf dem Materialsektor erworben hat. Eine umfangreiche Bibliothek unterschiedlicher Materialmodelle (elastisch, visko-elastisch, poro-elastisch, Verbundwerkstoffe), die in enger Kooperation mit den Herstellern aufgebaut wurde, ist speziell für den Ausstattungsbereich wichtig, wo oftmals Materialien mit atypischenEigenschaften, wie beispielsweise einem hohenDämpfungsverhalten und akustischer Absorptionsfähigkeit, eingesetzt werden.
Schlussbemerkung
Die Bedeutung von NVH wächst kontinuierlich und wird auch zukünftig noch stark zunehmen, u. a. durch eine zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen, die den Innengeräuschpegel deutlich senkt. Die Simulation kann auf diesem Gebiet einen Beitrag leisten, der eine deutlich effektivere Produktentwicklung und –optimierung bewirkt. MSC ist hier mit seinen Simulationslösungen NASTRAN und ADAMS, die in manchen Bereichen einen quasi-Standard darstellen, sehr gut aufgestellt. Mit Free Field Technologies hat man zudem ein innovatives Expertenteam hinzugewonnen, dessen ACTRAN-Familie die Leistungsfähigkeit nochmals erheblich erweitert.
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