Die Prozesskette der Rapid-Technologien

Um generativ Bauteile zu erzeugen ist eine ganze Reihe von Prozessen notwendig, die sich zum Teil erheblich von den klassischen Prozessen spanender Verfahren differenzieren.

Die im Bild dargestellte Prozesskette unterscheidet sich zwar für unterschiedliche Verfahren in der Art und Ausführung der einzelnen Schritte, die gezeigte Struktur des Ablaufes bleibt aller- dings weitestgehend erhalten.

3D-CAD-Modellierung - Triangulation - Slicen - Bauprozessvorbereitung

Als Ausgangsbasis liegt ein Volumenmodell des zu erstellenden Bauteils in einem 3D-CAD Programm vor. Dieses Modell kann im Weiteren über ein geeignetes Dateiformat aus dem CAD Kontruktionsprogramme exportiert werden. Gängige Dateiformate zum Export der Geometrieinformationen sind IGES, STEP und vor allem STL, wobei hier die Geo- metrieaussenflächen durch Dreiecke angenähert werden. Das häufig verwendete Verfahren der Erzeugung eines STL-Modells nennt man Triangulation. Dieses Modell kann nun von einem Programm zur Jobvorbereitung eingelesen und zur Anzeige gebracht werden. Derartige Softwaretools zur Vorbereitung und Durchführung des eigentlichen Bauprozesses haben in der Prozesskette der Rapid-Technologien eine zentrale Bedeutung. Sie dienen zur virtuellen Platzierung der gewünschten Geometrie im Bauraum sowie zur Definitionen eventueller Stützgeometrien (Support-Strukturen) und nehmen die Zerlegung des STL-Modells in einzelne Schichten vor, das sog. "Slicing". Dieser Vorgang bildet ein virtuelles Modell des Bauteils in einzelne Schichten bestimmter Höhe ab und erzeugt das sog. Schichtmodell, welches in einer CLI-Datei abgespeichert werden kann (vgl. Abbildung). Bei der Orientierung der Bauteile im Bauraum, ist darauf zu achten, dass einerseits Funktionsflächen mit höheren Qualitätsanforderungen parallel zur Bauebene liegen, da hier der Stufeneffekt minimal ist, und dass andererseits das zur Verfügung stehende Bauvolumen optimal hinsichtlich Bauzeit und Materialverbrauch ausgenutzt wird. Hier muss oft vom erfahrenen Bediener der Anlage ein Kompromis gefunden werden.

Die Jobvorbereitungssoftware enthält je nach verwendetem System und Art des generativen Verfahrens eine ganze Reihe zusätzlicher Möglichkeiten den folgenden Bauprozesses zu definieren, wie z.B. die Auswahl der "Belichtungsstrategie". Hierbei müssen die Lage, der Abstand und das Layout der Pfade sowie der zeitlicher Ablauf und die Größe der Energie- bzw. Bindereinbringung eingestellt werden. Der Abstand der Pfade wird auch als Hatchabstand bezeichnet. Oft entscheiden diese Parameter über die Qualität des zu erzeugenden Bauteils und es erfordert ein großes Maß an Expertenwissen diese Einstellungen optimal zu treffen. Manche Softwarewerkzeuge verfügen über die Möglichkeit den Bauprozess mit den gewählten Einstellungen im Vorfeld zu simulieren. Je nach Ausbaustufe des Programms sind hilfreiche Funktionalitäten wie STL-Datensatz-Reperatur, Automatische Platzierung, Kollisionserkennung, Automatische Orientierung, Automatische Supportgenerierung, Automatische Offset-Generierung und verschiedene Kalkulations-Werkzeuge (Bauzeit, Baukosten) implementiert.

Die getroffenen Einstellungen werden als letzter Schritt der "Jobvorbereitung" in die Anlagensteuerung übertragen, welche die Prozesssteuerung und -überwachung übernimmt. Zur Maximierung des Durchsatzes der teuren, generativ arbeitenden Anlagen können die beschriebenen Schritte zur Baujobvorbereitung auch dezentral an mehreren Rechnern durchgeführt werden.

Der Bauprozess

Neben den oben beschriebenen "virtuellen" Vorbereitungen des eigentlichen generativen Fertigungsprozesses, ist auch die Anlage einzurichten. Hier werden je nach verwendetem Rapid Verfahren unterschiedlichste Tätigkeiten nötig (z.B. Befüllen mit Rohmaterial; Aufheizen; usw...). Nun kann der Bauprozess beginnen.

Prinzipiell arbeitet jedes generative Verfahren in zwei Prozessschritten. Zunächst wird das Ausgangsmaterial aufgebracht und anschliessend wird es verfestigt. Das folgende Bild zeigt diese beiden Schritte schematisch für den Prozess des Lasersinterns. Das Aufbringen des Materials und der Verbindungsprozess variieren im Detail je nach Verfahren und Anlage. Zum Teil muss (wie im Bild dargestellt) noch das Absenken der Bauplattform oder das Anheben des Auftragsmechanismuses als kleiner Zwischenschritt implementiert werden, um Platz für den erneuten Materialauftrag zu schaffen.

Diese beiden Prozessschritte werden nun solange sequentiell wiederholt, bis die gewünschte Bauteilhöhe (oder Anzahl der Schichten) erreicht ist. Dieses schichtweise Verfahrensprinzip bei der Erzeugung von Bauteilen erbringt den Rapid Technologien ihre grundsätzlichen Vorteile aber auch manche Nachteile und spezifische Problemstellung. So wird es möglich äußerst komplexe Strukturen zu erzeugen (z.B. kreisförmige innenliegende Kühlkanäle), deren Herstellung mit klassischen, abtragenden Technologien nicht oder nur unter extremen Aufwand möglich ist. Die Herstellung von Produkten, Bauteilen und Modellen auf der Grundlage einer durchgehenden rechnergestützten Datenbasis ist ein weiterer Vorteil der Rapid Technologien. Jedoch führt die schichtweise Erstellung von Bauteilen auch zu prozessspezifischen Nachteilen, wie z.B. dem Treppenstufeneffekt, verminderter Oberflächenqualität oder anisotropen Verhalten in Richtung der Schichtebene (xy-Ebene) und senkrecht dazu (z-Achse), da der Zusammenhalt innerhalb einer Schicht unterschiedlich zur Verbindung der Schichten zueinander ist.

Nach dem Bauprozess

Mit dem Ende des Bauprozesses ist das gewünschte Bauteil bei der Verwendung von Rapid Technologien oft noch nicht direkt. Es folgen Entpackungsprozesse, bei welchen das Bauteil vom nicht verwendeten Rohmaterial (Pulver o.ä.) getrennt werden muss. Der nötige Aufwand hängt erheblich vom Verfahren, der Komplexität des Bauteils und den eingestellten Prozessparametern ab.

Bei manchen Rapid-Technologien (z.B. indirektes Lasersintern) schließt sich an den Bauprozess noch eine Wärmebehandlung bzw. ein Ofenprozess an. Erst hier erlangt der im generativen Verfahren erzeugte "Grünling" seine Festigkeit.

An dieser Stelle endet die eigentliche Rapid-Prozesskette. Nun kann das generativ erzeugte Bauteil entweder direkt als Modell (RP), Werkzeug (RT) oder Produkt (RM) verwendet werden, oder einem Folgeverfahren zugeführt werden. Welche Arten von Modellen mit generativen Verfahren zu erzeugen sind, wird unter Modelle beschrieben. Unter Folgetechnologien sind gebräuchliche Verfahren zur Veredelung, Verbesserung oder Vervielfältigung generativ erzeugter Bauteile aufgeführt.