CAD + SIMULATION
CAD + SIMULATION Funktionale Prototypen aus dem 3D-Drucker FFF-Drucker aus der Open-Source-Bewegung bieten eine günstige Alternative zu teuren Sinterdruckern Der 3D-Druck ist in der Automobilindustrie seit Jahrzehnten eine etablierte Technologie – schon zu Zeiten der ersten Stereolithografieanlagen wurden Prototypen auf diese Weise hergestellt. Heute erobern die preiswerten FFF-Drucker die Konstruktionsabteilungen der Automobilhersteller und ihrer Zulieferer. Thomas Pazulla fertigt Prototypen in seinem Unternehmen „TP Technische Dienstleistungen“ , darunter auch viele für die Automobilindustrie. Die Entscheidung, für die ersten Produktentwürfe vom Lasersintern auf 3D-Druck im Schmelzschichtverfahren FFF (Fused Filament Fabrication) zu wechseln, war nicht nur eine Kostenbetrachtung. „Die Teile sind verglichen mit den gesinterten Prototypen viel stabiler“, so Pazulla. Er druckt ausschließlich im Biokunststoff PLA, etwa eine komplette Türverkleidung in Originalgröße. „An dem Objekt befinden sich Haken, die sind vorher immer abgebrochen.“, vergleicht Pazulla die Verfahren. Die 1100 x 650 mm große Türverkleidung druckte der Unternehmer aus Geretsried in mehreren Teilen auf einem X400 von German Der Autor: Ralf Steck, freier Fachjournalist, für die German RepRap GmbH, Feldkirchen RepRap und klebte diese anschließend zusammen. Nach dem Verschleifen lassen sich die Nähte nur noch erahnen. „Der X400 arbeitet sehr maßgenau. Ich habe auf 200 Millimtern maximal vier bis fünf Hundertstel Millimeter Abweichung. Das genügt völlig“, so der Konstrukteur. Thomas Pazulla hat mit einem X400 3D-Drucker angefangen. Mittlerweile sind die Aufträge so zahlreich geworden, dass er einen kleinen X400 3D-Drucker-Park betreibt. Pazulla: „Meine Kunden wechseln von Lasersinterteilen zu 3D-Druck- Teilen aus PLA.“ Lasersintern ist teuer Aktuell kommen zur Erzeugung von Prototypen aber vor allem noch Sinterdrucker zum Einsatz, die Pulvermaterial mit einem gezielt aufgesprühten Bindemittel oder einem Laserstrahl verfestigen. Diese Drucker erzeugen sehr genaue Objekte, mit einer – bei geringen Schichtdicken – sehr glatten Oberfläche. Der Nachteil dieser Drucker ist ihr Preis, sie sind sehr teuer. Geräte mit größerem Bauraum können bis über eine Million Euro kosten. Auch die in den Sin- terdruckern generierten Teile selbst sind relativ teuer, der Preis großer Teile kann mehrere tausend Euro betragen. Entsprechend begrenzt ist die Anzahl der Geräte auch bei großen Automotive-OEMs – und entsprechend lang die Wartezeit, bis ein Auftrag abgearbeitet werden kann. Das wirkliche Potential des 3D-Drucks und des Rapid Prototyping wird oft nicht ausgenutzt, weil die Wartezeiten zu lange und die Druckkosten zu hoch sind. Ein Ausweg, die begrenzten Kapazitäten der im eigenen Unternehmen vorhandenen 3D-Drucker zu erweitern, sind spezialisierte Druckdienstleister wie Creabis – der Preis für den Druck der Prototypen liegt jedoch auch bei dieser Option sehr hoch. Open Source-Drucker für die Industrie FFF ist eine 3D-Drucktechnologie, bei der Kunststoffdraht in einer Düse aufgeschmolzen und in Lagen abgelegt wird, um so dreidimensionale Objekte zu erzeugen. Ist eine dieser Flächen beziehungsweise Schichten fertiggestellt, wird die Düse um einen vorher festgelegten Betrag nach oben gefahren und die nächste Schicht erzeugt. Die Schichten verschmelzen dabei zu einem Gesamtobjekt. Diese technisch relativ einfach umzusetzende Technologie ist heute in Form von Bausätzen und Fertiggeräten verfügbar, die überwiegend aus der Open Source-Bewegung RepRap entstanden sind. Diese Initiative hat zum Ziel, einen einfach zu bauenden 3D-Drucker zu ent- 48 AutomobilKonstruktion 3/2015
Die im FFF-Verfahren gedruckten Teile von Thomas Pazulla sind stabiler und günstiger als Sinterdruckteile. Der verwendete Biokunststoff PLA erreicht einen E-Modul von etwa 4000 MPa Software – GRR arbeitet hier mit Simplify3D – geladen. Hier positioniert der Anwender das Modell im virtuellen Bauraum des Druckers und legt die Druckparameter fest – Schichtdicke, Druckgeschwindigkeit, Dichte der inneren Füllung und anderes. Die Slicer-Software berechnet auf Wunsch auch Supportstrukturen, die überhängende Bereiche des Modells abstützt. Der Name Slicer verrät es schon: Anschließend berechnet diese Software die Schichten – Slices – die der Drucker nacheinander abfährt. Resultat der Berechnung ist eine Druckdatei, die je nach Ausstattung des Druckers per USB, SD-Karte oder Netzwerk an den Drucker übermittelt wird. Natürlich hat der 3D-Druck wie jede andere Fertigungstechnik seine Vorteile und Einschränkungen, so sind sehr dünne Wandungen zu vermeiden, weil hier die Festigkeit unter dem schichtweisen Aufbau leidet. 3D-Druckteile aus dem FFF-Drucker haben einen wichtigen Vorteil gegenüber gesinterten Teilen: Je nach Material sind die Teile elastischer und weniger bruchgefährdet. Das am meisten verbreitete Material im FFF-Druck ist PLA, ein Biokunststoff, der einen E-Modul von etwa 4000 MPa erreicht. Ebenfalls weit verbreitet ist ABS, das eine höhere Temperaturfestigkeit, aber auch eine größere Schwindung besitzt – das kann zu Problemen beim Druck oder bei der Maßhaltigkeit der Teile führen. Daneben existiert eine ganze Reihe eher exotischer Materialien von Nylon über metall- oder holzgefüllte Kunststoffe bis hin zu TPU93, einem flexiblen Material, oder Carbon 20, einem Filament mit 20% Kohlefaser-Anteil und entsprechenden Zugwerten. wickeln, der aus breit verfügbaren Teilen besteht und sich quasi selbst repliziert. Diese Open-Source-Technologie hat sich auch die German RepRap (GRR) GmbH zunutze gemacht und darauf aufbauend 3D-Drucker für industrielle Anwendung entwickelt. Mit seinem X400 ist das Unternehmen in der Industrie zahlreich vertreten. Mit dem X1000 und seinem 1000 x 800 x 600 mm großen Druckraum reagiert das Unternehmen auf die Anforderungen der Industriekunden, noch größere Objekte aus einem Stück oder mehrere Objekte in Serie zu drucken. Inzwischen sind FFF-Drucker ernstzunehmende Alternativen zu den teuren herkömmlichen Geräten. Basis des 3D-Druckvorgangs ist das 3D-Modell aus dem CAD-System. Dieses wird im STL-Format exportiert und in die sogenannte Slicer- Mit dem Open-Source- 3D-Drucker X400 ist German RepRap in der Industrie bereits zahlreich vertreten Bilder: German RepRap Material für funktionstüchtige Prototypen Die Flexibilität in der Materialauswahl ist ein großer Vorteil von FFF 3D Druckern. Oft reicht ein Austausch des Extruders bzw. der Düse. Der Materialwechsel bei Lasersinteranlagen ist wesentlich aufwändiger, die Auswahl deutlich eingeschränkter. Zudem sind die Materialien im FFF-Bereich recht günstig, verglichen mit den Kosten, die in der Regel für das Druckmaterial im Bereich Lasersintern anfallen. Grund dafür ist auch, dass viele 3D Drucker kein proprietäres Filament erfordern, sondern Filamente verschiedener Anbieter verarbeiten können. Materialien wie Carbon-verstärkte Filamente oder TPU93 zeigen auch schon, dass es sich bei FFF-Teilen nicht nur um „Ansichtsexemplare“ handeln muss, sondern durchaus auch funktionale Prototypen gefertigt werden können. Dichtungen, Gummiprofile oder Strukturteile lassen sich aus solchen spezialisierten Materialien fertigen und beispielsweise zu Funktions- und Passtests in ein Prototypenfahrzeug oder eine Vorserie einbauen. Auch die Größe des Bauraums ist keine Begrenzung, FFF-Teile lassen sich hervorragend verkleben und schleifen, so dass sich ein größeres Bauteil in mehreren Abschnitten drucken und dann zusammenfügen lässt. German RepRap GmbH Tel.: +49 89 / 24 88 986-0 info@germanreprap.com TP Technische Dienstleistungen Tel.: +49 178 / 19 40 770 thomaspazulla@alice-dsl.net 3/2015 AutomobilKonstruktion 49
