Wie SLA und SLS die Rapid-Prototyping-Branche verändern

---

Gepostet am:13. Juli 2018, | Von Will, WayKen-Projektmanager

Mit der Entwicklung der Technologie hat sich der 3D-Druck von einem bloßen Konzept zur Realität entwickelt. Die Sättigung der Industrien machte das Hauptziel des Herstellers, nicht nur Produkte herzustellen, sondern auch innovative Methoden einzusetzen, um mehr Produkte in kürzerer Zeit herzustellen und die Produktion zu steigern. Daher verwenden die Hersteller heutzutage verschiedene Rapid-Prototyping-Techniken. Diese innovativen Methoden sparen nicht nur Zeit, sondern sind auch kostengünstig. Eine solche Rapid-Prototyping-Technik, die heutzutage eingesetzt wird, ist der 3D-Druck (SLA-Prototyping &SLS-Prototyping). ). 3D-Druck spart nicht nur Zeit und Kosten, sondern produziert auch den besten funktionalen Prototypen aus einem 3D-CAD-Modell des Produkts.

Geschichte des 3D-Drucks

Das Konzept des 3D-Drucks ist so alt wie 1981, als das Nagoya Municipal Industrial Research Institute lichthärtende duroplastische Polymere verwendete, um die dreidimensionalen Modelle herzustellen, bei denen ein Maskenmuster verwendet wurde, um den UV-Belichtungsbereich zu steuern. Aber zu dieser Zeit war seine Verwendung weniger auf die Beschränkung von Materialien und 3D-Modellierungssoftware zurückzuführen. Bereits im Jahr 2000 hatte China kommerzielle Rapid-Prototyping-Anlagen importiert, eine der Hauptanwendungen war der industrielle 3D-Druck. Es wurde 2013 zu einem beliebten Wort in der industriellen Welt, als zwei NASA-Mitarbeiter, Samantha Snabes und Matthew Fiedler, den ersten Prototyp eines erschwinglichen 3D-Druckers, Gigabot, vorstellten.

3D-Druck:Ein führender Trend im Rapid Prototyping

Von der Kostensenkung bis zur Effizienzsteigerung durch die Innovation – viele Menschen sind begeistert von den Auswirkungen, die der 3D-Druck auf die Zukunft der Fertigung haben wird. Die Wahrheit ist jedoch, dass es bereits einen erheblichen Einfluss auf die Branche und die heimischen Kunden hatte.

Ein heimischer 3D-Drucker wird als F&E-Produkt und zum Entwerfen der 3D-Modelle in der Industrie verwendet. Aber es ist falsch zu sagen, dass es sich nur um ein Produkt für Industriekunden handelt. Aufgrund seiner großen Anwendungen wird es jetzt bei zivilen Kunden immer beliebter. Hauptsächlich liegt es daran, dass das im 3D-Druck verwendete Material im Laufe der Zeit billiger und leichter verfügbar wird. Darüber hinaus nimmt der 3D-Drucker im Vergleich zu herkömmlichen subtraktiven Werkzeugraummethoden wie CNC-Fräsen, Drehen und Präzisionsschleifen viel weniger Platz ein.

Die Verfügbarkeit der Modellierungssoftware heutzutage trägt auch zur Entwicklung dieser Technologie bei. Im Allgemeinen wird das Modell im STL-Format gespeichert, das ein CAD-Dateiformat für Rapid Prototyping ist, das Daten basierend auf Triangulationen von CAD-Modellen speichert. Dieses Format wurde jedoch verwendet, um die Datei in einer großen Anzahl von Gitterstrukturen zu speichern, was zu Fehlern führt. Die neuere Software speichert die Datei jedoch im Additive Manufacturing File Format (AMF), das weniger Fehler verursacht. Darüber hinaus verfügen diese Softwares über eine benutzerfreundliche Oberfläche, die es sowohl privaten als auch industriellen Benutzern leicht macht, ein 3D-Modell des Produkts zu modellieren.

Eine kürzlich durchgeführte Studie hat gezeigt, dass bis 2020 weltweit 6,7 Millionen 3D-Drucker ausgeliefert werden, was 14-mal mehr ist als 2016. Da neue Technologien die Verwendung von 3D-Druckern verbessern, wird die Technologie der Fertigungsindustrie weiterhin zu noch größerem Ruhm verhelfen

Abbildung 1:Weltweite Lieferungen von 3D-Druckern von 2015 bis 2020

3D-Drucktechnologie

Bei der 3D-Drucktechnologie gibt es zwei am häufigsten verwendete Technologien:SLA Rapid Prototyping und SLS Rapid Prototyping.

1. SLA Rapid Prototyping

SLA Rapid Prototyping, auch bekannt als Stereolithographie, ist eine Art von 3D-Drucktechnologie, die verwendet wird, um verschiedene Prototypen, Modelle und Muster Schicht für Schicht unter Verwendung der Technik der Photopolymerisation zu erstellen. Die Photopolymerisation ist ein Prozess, bei dem sich Moleküle unter Einwirkung von Licht zu Polymeren verbinden. Im Grunde genommen wird das Harz (Material, das zur Herstellung des Prototyps verwendet wird) mit Licht und ultravioletten Strahlen verfestigt. So entsteht Schicht für Schicht mittels SLA Rapid Prototyping der gewünschte Prototyp.

Abbildung 2:Eine Abbildung, die die Prozesse des SLA Rapid Prototyping zeigt

Die UV-Strahlung wird verwendet, um eine vorprogrammierte Form auf dem Photopolymer-Behälter aufzubauen. Da die Photopolymere gegenüber UV-Strahlung empfindlich sind, verfestigt sich das Harz und bildet eine einzige Schicht des gewünschten Prototyps. Auf diese Weise werden Harzschichten verfestigt, bis der gewünschte Prototyp entsteht.

SLA-Prototypenprodukte haben die höchste Auflösung und Oberflächenveredelung aller 3D-Rapid-Prototyping-Techniken, aber ihre Vielseitigkeit liegt in dem verwendeten Harz. Mit der Entwicklung der Technologie haben Materialingenieure verschiedene Harze entwickelt, die beim SLA-Prototyping verwendet werden und deren Eigenschaften denen von standardmäßigen technischen Thermoplasten entsprechen.

Verwendung

SLA Rapid Prototyping wird seit seiner Einführung in verschiedenen Branchen für die Entwicklung von Produkten eingesetzt.

· Medizinische Modellierung

SLA Rapid Prototyping-Produkte werden seit Einführung der Technologie in der Medizin eingesetzt. Es dient zur Erstellung anatomischer 3D-Modelle verschiedener Körperregionen eines Patienten auf Basis von Daten aus Computerscans. Diese Modelle werden dann zur Unterstützung der Diagnose und Behandlung verwendet. Chirurgen verwenden diese Modelle, da sie ihnen bei Operationen helfen, während die Orthopädietechniker sie verwenden, um individuell passende Implantate herzustellen.

Abbildung 3:Ein durch SLA Rapid Prototyping hergestelltes Modell

· Prototyping

SLA Rapid Prototyping wird auch verwendet, um die Prototypen von gleichmäßig/unregelmäßig geformten Materialien zu relativ geringeren Kosten herzustellen. Prototypen, die durch das SLA-Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt wurden, können maschinell bearbeitet werden, und es können Muster verschiedener Metallgussvorgänge gebildet werden.

2. SLS Rapid Prototyping

Beim selektiven Lasersintern, das allgemein als SLS-Rapid-Prototyping-Technik bezeichnet wird, wird der Laser als Verfestiger für das pulverförmige Material verwendet. Meistens wird als pulverförmiges Material Nylon verwendet. Nylon ist ein technischer Thermoplast mit beeindruckenden mechanischen Eigenschaften und ist leicht und stabil. Diese Art von 3D-Drucker richtet den Laser automatisch auf das pulverförmige Material, wodurch es sich verfestigt, um die erforderliche Struktur zu erzeugen. SLS Rapid Prototyping unterscheidet sich vom Selective Laser Melting wie beim SLM. Das Material wird geschmolzen und nicht wie beim SLS-Rapid-Prototyping gesintert.

Abbildung 4:Eine Abbildung, die die Prozesse des SLS Rapid Prototyping zeigt

SLS-Rapid-Prototyping nutzt wie SLA-Rapid-Prototyping die computergestützte Konstruktion, um mit Hilfe von Sinterpulver den benötigten Prototypen zu entwickeln. Es verwendet Hochleistungslaser, hauptsächlich Kohlendioxidlaser, der eine Quelle für die Verschmelzung kleiner Partikel in Form von Pulver ist, um den erforderlichen Prototyp zu bilden. Der Laser scannt die vom CAD-Modell erzeugten Querschnitte und verschmilzt die gesinterten Materialien selektiv in Form eines gewünschten Prototyps. Nachdem der Querschnitt gescannt wurde, wird das Pulverbett abgesenkt und eine neue Materialschicht auf die Oberseite aufgetragen, bis das gewünschte Produkt entsteht.

Das beim SLS-Rapid-Prototyping verwendete Nylonmaterial macht es nützlich, um Prototypen mit hoher mechanischer Festigkeit sowie schlag-, licht- und wasserbeständige Prototypen zu erstellen. Niedrigere Produktionskosten und hohe Produktivität machen diese Technik in der Industrie für Rapid Prototyping sehr beliebt.

Verwendung

SLS Rapid Prototyping wird seit seiner Einführung in verschiedenen Branchen für die Entwicklung von Produkten eingesetzt

· Luft- und Raumfahrtindustrie

SLS Rapid Prototyping ist in Branchen sehr beliebt, in denen qualitativ hochwertige Teile in geringeren Mengen benötigt werden. Eine solche Industrie ist die Luft- und Raumfahrtindustrie, wo Prototypen für Flugzeuge benötigt werden. Da Flugzeuge und andere Luft- und Raumfahrtfahrzeuge in geringerer Anzahl gebaut werden und jahrzehntelang im Einsatz bleiben, wird SLS Rapid Prototyping zur Herstellung hochwertiger Teile für die Flugzeugindustrie eingesetzt.

Abbildung 5:Eine von Airbus mittels SLS-Rapid-Prototyping hergestellte Kabinenverkleidung

· Prototyping komplexer Geometrien

SLS Rapid Prototyping ist in der Industrie weit verbreitet, um Geometrien mit komplexen Formen unter Verwendung ihres CAD-Modells herzustellen. Dies liegt daran, dass SLS Rapid Prototyping Prototypen mit einer Vielzahl von Materialien herstellen kann, wodurch diese unter der Einwirkung des Lasers verschmelzen. Da keine Stützstrukturen erforderlich sind, ist es auch in der Industrie beliebt, die Teile von höherer Qualität herstellt.

Abbildung 6:Ein durch SLS Rapid Prototyping entworfener Propeller

Vergleich zwischen SLA und SLS

1. Verwendetes Rohmaterial

SLS – Das verwendete Rohmaterial variiert von Nylonpulver; Polycarbonat-Kohle-Pulver zu Vinylchlorid; Pulver aber mit hoher Leistung.

SLA - Der verwendete Rohstoff ist ein flüssiges Polymer, dessen Qualität nicht mit der von thermoplastischen Materialien vergleichbar ist.

2. Materialschrumpfung

SLS – Die Materialschrumpfung liegt zwischen 2 und 4 %.

SLA – Die Materialschrumpfung beträgt weniger als 0,4 %, sodass detailliertere Teile hergestellt werden können.

3. Build-Größe

SLS -Prototypen können bis zu einer Größe von 1500 x 750 x 500 mm hergestellt werden.

SLA -Prototypen können bis zu einer Größe von 145 x 145 x 175 mm hergestellt werden.

4. Oberflächenbeschaffenheit

SLS - Die Oberfläche des Materials ist rau und etwas locker.

SLA – Die Oberfläche des Materials ist relativ glatt.

5. Stärke

SLS -Die Festigkeit der produzierten Teile ist aufgrund des verwendeten Rohmaterials hoch.

SLA -Die Festigkeit des hergestellten Materials ist relativ gering.

6. Bearbeitungsvorgang

SLS - Die hergestellten Prototypen lassen sich leicht bearbeiten, wie Fräsen, Drehen, Bohren usw.

SLA – Die Festigkeit des Prototyps ist gering, sodass die Bearbeitung schwierig ist und große Sorgfalt angewendet werden sollte.

7. Verschleißfestigkeit

SLS - Die Verschleißfestigkeit ist ähnlich der von thermoplastischen Materialien.

SLA -Geringe Beständigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen. Durch die Verwendung von Epoxidharzen kann die Beständigkeit erheblich verbessert werden.

Abbildung 7:Ein durch SLS Rapid Prototyping hergestelltes Modell

Vorteile:3D-Druck mit SLA und SLS

Um die Produkte in kürzerer Zeit in Serie zu produzieren, ist der 3D-Druck ein unverzichtbares Werkzeug. Es gibt viele Vorteile, die durch den Einsatz dieser Technik genossen werden können.

1. Kosteneffizienz

Kosteneffizienz ist einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks. Die Festigkeit und das Finish des aus diesem Verfahren hergestellten Prototyps erfordern keine Modifikationen, die Geld sparen. Außerdem können die Produkte in Massenproduktion hergestellt werden, was auch viel Geld spart.

2. Geschwindigkeit

Diese Technik ermöglicht es den Industriellen, eine größere Anzahl von Produkten mit höherer Geschwindigkeit herzustellen, was im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Verfahren viel weniger Zeit in Anspruch nimmt. Der Benutzer benötigt nur ein CAD-Modell und der Drucker verwendet dieses Modell und entwickelt das Produkt in viel kürzerer Zeit. Darüber hinaus ist der entworfene Prototyp von hoher Qualität und Stärke, was diese Technik sowohl in der Industrie als auch bei Zivilisten auf der ganzen Welt beliebt macht.

3. Reduzierung des Speicherplatzes

3D-Drucker nehmen im Vergleich zu herkömmlichen Massenproduktionsmaschinen, die bisher von der Industrie eingesetzt werden, viel weniger Platz ein. Darüber hinaus sind die Werkzeuge dieser Maschinen schwer und teuer im Vergleich zu einem kompakten 3D-Drucker, der viel weniger Platz benötigt.

4. Risikominderung

Der 3D-Druck ermöglicht auch die Verifizierung eines Designs vor der Herstellung eines teuren Prototyps im CAD-Modell. Das CAD-Modell wurde also entsprechend korrigiert. Außerdem ist die Herstellung von Testformen weitaus günstiger als die Änderung einer bereits hergestellten Form.

5. Feedback

Mit einem Prototypen kann man das Marktpotenzial des Produkts testen, bevor man es tatsächlich produziert. Die Reaktion der Käufer vor der eigentlichen Herstellung des Produkts kann die Zukunftsaussichten des Produkts vorhersagen und bei der Entscheidung über die Anzahl der Produkte helfen, die in Massenproduktion hergestellt werden sollen, um auf den Markt gebracht zu werden.

6. Personalisierung

Bei den Standard-Bearbeitungsvorgängen, die für die Massenproduktion verwendet werden, kommen alle Teile mit dem gleichen Design oder Fehlern, falls vorhanden, von der Maschine oder der Form. Aber im Fall des 3D-Drucks gibt es immer Spielraum für Anpassungen, Personalisierung des Produkts nach Kundenwunsch oder Marktanforderungen.

Abschließende Bemerkungen

Sowohl das SLA-Prototyping als auch das SLS-Prototyping gelten als eine der großen Revolutionen in der technologischen Welt. Die Herstellung eines funktionsfähigen Prototyps ist jetzt keine schwierige Aufgabe mehr, da er durch den Einsatz dieser beiden Techniken gemäß den Anforderungen der Eigenschaften des Prototyps leicht hergestellt werden kann. SLA ist besser für die Oberflächenveredelung, aber SLS ist besser für die Herstellung von hochfesten Produkten. Beide sind erstklassige Rapid-Prototyping-Techniken und können für die Massenproduktion von Produkten mit weniger Fehlern verwendet werden.