"Das Studium an der Schnittstelle von Mensch und Maschine"

Automatisierungstechnik

Eckdaten

Bachelor:
Organisationsform:	Berufsbegleitend
Studienplätze:	38 pro Jahrgang
Studiendauer:	6 Semester
Abschluss:	BSc, Bachelor of Science

Master:
Organisationsform:	Berufsbegleitend

Studienplätze:	33 pro Jahrgang
Studiendauer:	3 Semster
Abschluss:	Dipl.-Ing., Diplomingenieur

3D-Drucker

Einleitung

Rapid Technologien

„Rapid Technologien“ ist ein Sammelbegriff für neuartige, meist aufbauende Fertigungsverfahren. Sie erlauben die Herstellung von Werkstücken ohne Umwege direkt aus CAD-Daten. Diese neuartigen Verfahren, mit denen ein Werkstück aus Schichten von Material aufgebaut wird, stehen im Gegensatz zu den trennenden Verfahren. Die für diese Verfahrensgruppe relevanten Datenschnittstellen sind das STL- und das WRL-Format.

Technik des 3D-Printers am Campus02

Das Druckverfahren, mit welchem der Drucker an der FH Campus 02 arbeitet, nennt sich 3D-Printing (3DP). Der Drucker hat die Bezeichnung „ZPrinter 650“ und ist das aktuelle Topmodell der ZCorporation Inc., Burlington, MA, USA. Beim 3D-Printing-Verfahren wird auf einer höhenveränderlichen Arbeitsplattform eine ca. 0,1mm dünne Pulverschicht (Keramikpulver) mit einer Walze aufgetragen. Auf diese Pulverschicht werden dann die zu verfestigenden Stellen in der Ebene mit einem speziellen Binder verklebt. Dieser Binder wird durch einen Druckkopf aufgetragen. Nach diesem Arbeitsschritt fährt die Arbeitsplattform um die Schichtstärke nach unten und eine weitere Pulverschicht wird aufgetragen, erneut wird eine Ebene gedruckt. Somit werden die Schichten auch in der vertikalen Richtung miteinander verklebt – ein dreidimensionales Objekt entsteht. Dieser Prozess wird solange durchgeführt, bis die fertige Bauteilhöhe erreicht ist.

Nach dem Trocknungsprozess wird das nicht verklebte Pulver, das für überhängende Konstruktionen beim Drucken auch als Stütze dient, abgesaugt. Um die Material- und Farbeigenschaften des 3D-Modells zu verbessern, kann man es noch mit einem Infiltrat (z.B. Cyanacrylat) behandeln. Eine Besonderheit des ZPrinter 650 ist, dass ein vollfarbiger Druck durch den Einsatz von fünf Druckköpfen (Schwarz, Klar, Cyan, Magenta, Gelb) möglich ist.

VIDEO ZCorporation ZPrinter 650:

http://www.youtube.com/watch?v=JaK0Lx1arWg

Komplexität der 3D-Modelle

Wie man bei den Bildern sehen kann, lässt sich mit Rapid Prototyping nahezu jede Form ausdrucken. Bei dem Druckverfahren, mit welchem wir an der FH Campus 02 arbeiten (3D-Printing), ist es auch möglich ineinander verkettete Körper auszudrucken, welche mit konventionellen Technologien nicht herzustellen wären. Ein gutes Beispiel hierfür ist unser Campus02-Würfel (siehe Bild). Hinsichtlich der Komplexität und der Wirtschaftlichkeit gibt es beim Rapid Prototyping eine einfache Regel: Je komplexer ein Objekt in seinem Aufbau (Bohrungen, Nuten, Verstrebungen, Außenform, Farbgestaltung, usw…) ist, umso wirtschaftlicher ist die Herstellung des Produkts mittels eines Rapid-Technologie-Verfahrens. Bei einfachen Bauteilen ist die konventionelle Fertigung meist mit geringeren Kosten möglich.

Eckdaten des 3D-Druckers

Bezeichnung: ZCorporation ZPrinter 650

Max. Bauteilgröße: 254 x 381 x 203 mm

Baugeschwindigkeit: 2-4 Schichten pro Minute

Schichtstärke: 0,089 – 0,102 mm

Auflösung: 600 x 540 dpi

Material: Keramik-Verbundpulver

Auftragsabwicklung: Ca. 3 Werktage ab Datenübermittlung

Weitere Informationen zum Gerät und zur Datenübermittlung:
Datenblatt des 3D-Druckers (PDF-Datei, 3 MB)

3D-Modelle und Projekte

3D-Logos

FH Campus 02-Würfel mit eingeschlossener Kugel (zu Präsentationszwecken auf Messen) C02-Würfel

Simulation

Simulationsobjekt Schere mit farblich gekennzeichneter Belastung durch Spannung Schere_Simulation

Prototypen

Verbrennungsanlage
Binder-Verbrennungsanlage

Didaktik

Zahnräder mit den wichtigsten Kennzahlen

Kubisch-raumzentrierte Elementarzelle
(Links: ohne Gitterfehler, Rechts: mit Zwischengitteratom)

Kubisch-flächenzentriertes Atomgitter (Rot: Entstehung eines
Kubisch-raumzentrierten Gitters aus einem kubisch-flächenzentrierten Gitter)

Weitere 3D-Druck-Verfahren

Diese Druckverfahren decken wir in Zusammenarbeit mit Partnern des Campus 02 ab:

Stereolithografie (STL oder SLA)
Stereolithografie ist das Verfahren, für das 1987 die erste kommerzielle Anlage vorgestellt wurde. Bei diesem Verfahren wird ein lichtaushärtender Kunststoff (z.B. Kunstharz oder Epoxyharz) von einem Laser in dünnen Schichten ausgehärtet. Dies geschieht in einem Bad des Kunststoffes. Nach jedem Schritt wird das Werkstück etwas abgesenkt und der flüssige Kunststoff an der Oberfläche durch einen Wischer gleichmäßig verteilt. Über die flüssige Schicht fährt ein Laser, der von einem Computer über bewegliche Spiegel gesteuert wird, und härtet die Flächen aus, die fest werden sollen. Nach dem Aushärten erfolgt der nächste Schritt, sodass nach und nach ein 3D-Modell entsteht. Da das vom Laser gehärtete Harz noch relativ weich ist, werden bei der Herstellung auch Stützstrukturen eingebaut. Nach dem Aufbau wird das Modell in UV-Licht nochmals ausgehärtet, weiters werden die Stützstrukturen entfernt. Stereolithografie ermöglicht eine hohe Präzision bei feinen Strukturen und geringen Wandstärken.

Selektives Laser-Sintern (SLS)

Äußerlich ähnelt das Laser-Sintern der Stereolithografie, unterscheidet sich aber im Ausgangsmaterial und im Aushärtemechanismus. Statt flüssigem Ausgangsmaterial wird Pulver verwendet und statt eine fotochemische Reaktion auszulösen, versintert der Laser die Materialpulverteilchen. Deshalb können andere und mehr Werkstoffe eingesetzt werden. Neben Metallen und keramischen Substanzen, die auch herkömmlich gesintert werden, werden auch Kunststoffpulver und Gießsand verarbeitet. Beim Lasersintern ist ein gewisses Maß an Porosität des 3D-Modells nicht zu vermeiden. Man versucht dies zu verbessern, indem man die poröse Form nachträglich mit geeigneten Substanzen (z.B. mit flüssigem Kupfer) tränkt.

Selektives Laser-Schmelzen (SLM)

Mit dem SLM-Verfahren wird Metallpulver nicht gesintert, sondern das Pulver am Bearbeitungspunkt aufgeschmolzen. Dadurch ist es möglich, eine poren- und rissfreie Struktur aufzubauen. Theoretisch kann 100% der Dichte des Ausgangsmaterials erreicht werden. Das Metallpulver kann mit einem Gasstrahl zugeführt (geblasen) oder schichtweise aufgetragen werden. Die Ziele des Verfahrens sind höhere Dichte, Festigkeit und Genauigkeit, vergleichbar mit gegossenen Teilen.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Beim Fused Deposition Modeling (deutsch: Schmelzschichtung) wird ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut. Hierbei wird ein drahtförmiger Kunststoff durch Erwärmung verflüssigt. Beim anschließenden Abkühlen erstarrt das Material. Der Materialauftrag erfolgt durch Extrudieren mit einer in der Fertigungsebene frei verfahrbaren Heizdüse. Bei der schichtweisen Modellherstellung verbinden sich damit die einzelnen Schichten zu einem komplexen Teil. Auskragende Bauteile können mit diesem Verfahren unter Umständen nur mit Stützkonstruktionen erzeugt werden.

Einsatz

Einsatz von Rapid Technologien in der Wirtschaft

Durch Rapid-Technologien können Ideen schnell und preiswert in Prototypen und Kleinserien umgesetzt werden. Fertigungszeiten und -kosten für die Herstellung von Prototypen sind im Vergleich zu konventionellen Verfahren um bis zu 75 % geringer. Rapid Prototyping bietet große Potenziale zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit durch:

Kostengünstige und schnelle Fertigung von Funktionsmustern und Modellen
Kürzere Innovationszyklen, infolge wesentlich kürzerer Entwicklungszeiten
Effektive Fertigung von Kleinserien ohne kostenintensive Werkzeuge
Fehlererkennung in einer sehr frühen Phase des Entwicklungsprozesses

Einsatz von Rapid Technologien in der F&E am C02

Da wir als Fachhochschule großen Wert auf hohe Unterrichtsqualität legen, nutzen wir die Rapid-Prototyping-Möglichkeiten sehr intensiv als didaktisches Instrument, um den Studierenden komplexe Technik mittels 3D-Modelle näher zu bringen. Um eine sinnvolle Auslastung des Geräts zu erzielen, unterstützen wir auch die Wirtschaft bei Innovationen und in der Forschung und Entwicklung, Beispiele für solche Aufträge waren z.B. Prototypen von Maschinen, Kunstobjekte, dreidimensionale Logos usw.