3D-Druck beleuchtet: Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung PDF
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Roland Lachmayer Rene Bastian Lippert Thomas Fahlbusch Hrsg. 3D-Druck beleuchtet Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung 3D-Druck beleuchtet Roland Lachmayer (cid:129) Rene Bastian Lippert Thomas Fahlbusch Herausgeber 3D-Druck beleuchtet Additive Manufacturing auf dem Weg in die Anwendung Herausgeber RolandLachmayer ReneBastianLippert Institutf.Produktentwicklungund Institutf.Produktentwicklungund Gera¨tebau Gera¨tebau LeibnizUniversita¨tHannover LeibnizUniversita¨tHannover Hannover,Deutschland Hannover,Deutschland ThomasFahlbusch PhotonicNetGmbH Hannover,Deutschland ISBN978-3-662-49055-6 ISBN978-3-662-49056-3(eBook) DOI10.1007/978-3-662-49056-3 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetu¨berhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg #Springer-VerlagBerlinHeidelberg2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschu¨tzt. Jede Verwertung, die nicht ausdru¨cklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt insbesondere fu¨r Vervielfa¨ltigungen,Bearbeitungen,U¨bersetzungen,Mikroverfilmungenunddie Einspeiche- rungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigtauch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwa¨renunddahervonjedermannbenutztwerdendu¨rften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem WerkzumZeitpunktderVero¨ffentlichungvollsta¨ndigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder dieHerausgeberu¨bernehmen,ausdru¨cklichoderimplizit,Gewa¨hrfu¨rdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehleroder A¨ußerungen. Gedrucktaufsa¨urefreiemundchlorfreigebleichtemPapier SpringerVieweg istTeilvonSpringerNature DieeingetrageneGesellschaftistSpringer-VerlagGmbHBerlinHeidelberg Vorwort DasvorliegendeBuchentstammtderVeranstaltung3D-Druckbeleuchtet,welcheimJuni 2015amInstitutfu¨rProduktentwicklungundGera¨tebau(IPeG)inHannoverdurchgefu¨hrt wurde. Aufgrund der zahlreichen interessanten Vortra¨ge sowie der positiven Resonanz auf die Veranstaltung haben wir uns dazu entschlossen die Veranstaltungsbeitra¨ge zu erga¨nzen und schriftlich aufzubereiten. Im Folgenden wird das Additive Manufacturing unterdenfolgendenAspektenbeleuchtet: (cid:129) Megatrend3D-Druck (cid:129) ChancenundHerausforderungenfu¨rdieProduktentwicklung (cid:129) LaserbasierteTechnologien (cid:129) NachhaltigkeitundBusiness-Case (cid:129) GestaltungvonBauteilen (cid:129) RapidRepair (cid:129) PotentialderProduktindividualisierung (cid:129) EigenschaftenundValidierungoptischerKomponenten (cid:129) PotentialeimProduktdesign (cid:129) Sicherheitsaspekte NebendenunterschiedlichthematisiertenBeitra¨genisteinumfangreichesGlossarund LiteraturverzeichnisdemAnhangbeigefu¨gt.EntsprechendderhohenEntwicklungsdyna- mik ist das vorliegende Buch weniger als Lehrbuch zu verstehen, sondern vielmehr als einestetigwachsendeZusammenstellungunterschiedlicherSichtweisenundAspektedes Additive Manufacturing. Alle Autoren sind ausgewiesene Experten unterschiedlicher Forschungseinrichtungen der Leibniz Universita¨t Hannover bzw. des Laserzentrums Hannover. v vi Vorwort WirdankenderDFGfu¨rdasbewilligteGroßgera¨t,welchesdiezahlreichenVersuche ermo¨glichthat,sowiedemLandNiedersachsenfu¨rdiebereitgestelltenfinanziellenMittel. Wir, die Herausgeber, wu¨nschen Ihnen viel Interessantes bei der Lektu¨re und Nu¨tz- lichesfu¨rIhreAnwendungdesAdditiveManufacturing. Hannover,November2015 RolandLachmayer ReneBastianLippert ThomasFahlbusch Inhalt 1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 RolandLachmayerundReneBastianLippert 2 ChancenundHerausforderungenfu¨rdieProduktentwicklung. . . . . . . 5 RolandLachmayerundReneBastianLippert 3 LaserbasierteTechnologien. . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . 19 MatthiasGieseke,DanielAlbrecht,ChristianNo¨lke,StefanKaierle, OliverSuttmann,undLudgerOvermeyer 4 NachhaltigkeitundBusiness-Cases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 FlorianJohannknechtundReneBastianLippert 5 GestaltungvonAdditiveManufacturingBauteilen. . . . . . . . . . . . . . . . 45 ReneBastianLippert 6 RapidRepairhochwertigerInvestitionsgu¨ter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 YousifZghair 7 DasPotentialderProduktindividualisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 PaulChristophGembarski 8 EigenschaftenundValidierungoptischerKomponenten. . . . . . . . . . . . 87 GerolfKloppenburgundAlexanderWolf 9 PotentialeimProduktdesign. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 RobertJanWyszka 10 Sicherheitsaspekte–EinThemafu¨rdieAus-undWeiterbildung?!. . . 109 IlkaZajonsundKlausNowitzki Autorenverzeichnis. . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . .. . . . .. . . . . .. . . . .. . 115 Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Sachverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 vii 1 Einleitung Roland Lachmayer und Rene Bastian Lippert Seit Chuck Hull 1986 mit der Stereolithografie die erste 3D-Druck Technologie zum Patent anmeldete, entwickelte sich eine ganze Bandbreite von Anwendungsbereichen, welche sich unter dem Begriff des Additive Manufacturing zusammenfassen lassen. Bedingt durch die Vorteile gegenu¨ber konventioneller Verfahren, wie beispielsweise derwerkzeuglosenFormgebungoderderMo¨glichkeitzurHerstellungnahezubeliebiger Bauteilgeometrien,etablierensichdiese Verfahren inimmermehrBranchen.Nebender HeimanwendungkleinerMaschinendurchdenEndkundenistbesondersinderindustrie- llen Anwendung des Additive Manufacturing ein beachtlicher Entwicklungsfortschritt deutlich.Sohabensichinju¨ngsterZeitdieBaugeschwindigkeit,dieZuverla¨ssigkeitund Genauigkeit,dieFertigungsqualita¨tunddieAnschaffungskostenvonAdditiveManufac- turingAnlagenerheblichverbessert. 1.1 Megatrend 3D-Druck Das Additive Manufacturing (AM), als U¨berbegriff fu¨r das Rapid Prototyping (RP), das Rapid Tooling(RT),dasDirectManufacturing(DM)unddasRapid Repair(RR)basiert aufdemPrinzipdesadditivenSchichtaufbausinx-,y-undz-Richtungzurmaschinellen Herstellung einer (Near-) Net-Shape Geometrie [1]. Wie in Abb.1.1 erkenntlich, lassen sich die verschiedenen Bereiche des AM in einen Endkundenbereich und einen profes- sionellenBereichunterscheiden. Der Endkundenbereich umfasst zum einen die Do-It-Yourself (DIY) Anwendung, woruntermandieVerwendungdesAMdurchdenEndkundenversteht.DurchdenErwerb R.Lachmayer(*)(cid:129)R.B.Lippert Institutfu¨rProduktentwicklungundGera¨tebau(IPeG),Hannover,Deutschland E-Mail:[email protected];[email protected] #Springer-VerlagBerlinHeidelberg2016 1 R.Lachmayeretal.(Hrsg.),3D-Druckbeleuchtet, DOI10.1007/978-3-662-49056-3_1 2 R.LachmayerundR.B.Lippert Abb.1.1 Anwendungsbereiche desAdditiveManufacturing oderdenAufbaueines„3D-Druckers“gelangtderEndkundezunehmendindieRolledes Produzenten. Im Rahmen einer Open-Source Bewegung erfolgt der Wissensaustausch unter Verwendung von beispielsweise Web-Foren oder Wiki-Systemen. Zum anderen gliedertsichdieAnwendungdesArt&DesignindenEndkundenbereichein.Durchden additiven Schichtaufbau ko¨nnen Modelle schnell und einfach gefertigt werden. Dabei erfolgt die Substitution von zeitaufwendiger Handarbeit, sodass organische Formen gu¨nstig hergestellt werden ko¨nnen. Die Anwendungen reichen dabei vom Modellbau, u¨ber die Personalisierungvon Accessoiresbis hinzum Produktdesign(InterieurDesign, Instrumente,Kunst,etc.). Dem gegenu¨ber stehtder professionelle Bereich. Dieser wiederum entha¨lt zum einen die industrielle Anwendung. Hierunter versteht man die Herstellung von Komponenten, welche die Produktentwicklung unterstu¨tzen, sowie den Aufbau von Bauteilen, welche spa¨teralsProduktverwendetodermitanderenKomponentenzueinerBaugruppeassem- bliert werden. DerindustrielleAnwendungsbereich beschreibt ein großesSpektrum ver- schiedener Doma¨nen, wie beispielsweise die Luft- und Raumfahrt, die Automobilbran- che, den Anlagenbau oder die Medizintechnik. Andererseits entha¨lt der professionelle Bereichvisiona€reAnwendungsgebiete,welcheunterVerwendungdesadditivenSchicht- aufbaus innovative Felder ero¨ffnen. Beispielsweise werden im Nahrungsmittelbereich Mahlzeitenfu¨rdieRaumfahrtadditivhergestellt.DurchdasVerklebenvonpulverisierten Komponenten, wie z.B. Zucker oder Kohlenhydraten, ko¨nnen so individualisierte „Me- nu¨s“generiertwerden. Einweitererinnovativer Anwendungsbereich istder Aufbau von menschlichenOrganen.Durchden„Druck“vonorganischen ZellenaufGewebestruktu- ren, sollen patientenspezifische Organe hergestellt werden. Abstoßvorga¨nge und Unver- tra¨glichkeitenimKo¨rperentfallen. Eine maßgebliche Herausforderung fu¨r die erfolgreiche Etablierung des AM in den verschiedenen Anwendungsbereichen ist das Erlangen einer technologischen Reife zur Reproduzierbarkeit und Stabilita¨t des Prozesses. Fu¨r die Identifizierung des Reifegrades einerAMTechnologiebeschreibtdasUS-MarkforschungsunternehmenGartnerdenHype Cycle, welcher die Erwartungen an eine Technologie durch einen zeitlichen Verlauf beschreibt.WieinAbb.1.2dargestellt,werden5Phasendefiniert,welchejedeTechnolo- giezumErlangenderMarktreifedurchla¨uft. DieerstePhase,dersogenannteInnovationsauslo¨ser,steigertdieErwartungenaneine Technologie.DerHo¨hepunktderErwartungenmu¨ndetinderzweitenPhase.Darauffolgt
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