(FT0-03-3) Generative Urformverfahren – Urformen

Inhaltsverzeichnis

“In diesem Kursabschnitt stellen verschaffen wir dir einen ersten Überblick zu den Verfahren des Umformens, damit du dir hierzu ein genaues Bild machen kannst. Jetzt schauen wir uns generative Urformverfahren mit dem 3D-Drucker genau an” 

 

Im zugehörigen Kurs Urformtechnik findest du dann eine sehr ausführliche Betrachtung der einzelnen Verfahren aus diesem Teil der Fertigungstechnik

<em>Darum geht es</em>

 

Urformen – Grundlagen

“Beim Urformen erzeugen wir aus einen formlosen Stoff (Flüssigkeit, Pulver) einen festen Körper mit einer vorgegebenen Form.”

Urformen - Erzeugen aus formlosen Stoffen
Urformen – Erzeugen aus formlosen Stoffen

 

Dabei zeichnet sich das Urformen dadurch aus, dass ein Zusammenhalt der Stoffteilchen geschaffen wird. 

Hauptsächlich unterscheiden wir drei Arten des Urformens

  1. Urformen durch Gießen
  2. Urformen durch Sintern
  3. Generative Urformverfahren

Nachfolgend ist jede dieser Varianten einzeln aufgeführt.

<em>Darum geht es</em>

Urformen durch generative Urformverfahren 

Seit den 1990 Jahren wird neben den beiden bisherigen Urformtechniken auch zunehmend auf generative Urformverfahren gesetzt. Der ursprüngliche Verwendungszweck dieser aus Kunststoff oder auch Metall gefertigten Bauteile liegt im Rapid Prototyping

3D-Druck - Generative Urformverfahren
3D-Druck – Generative Urformverfahren

 

Hier stellt man aus Entwürfen schnelle Prototypen her, die anschließend als Muster zu Veranschaulichungszwecken oder Testzwecken eingesetzt werden. 

Aus diesem ursprünglichen Prototyping hat sich im Zeitverlauf eine eigene Urformtechnik entwickelt, die heute auch zur Herstellung von einfachen Kunststoffteilen in kleiner bis mittlerer Auflagenzahl genutzt wird. Zum Einsatz kommen einfache Drucktechniken und Maschinen.

Eine besondere Weiterentwicklung der generativen Urformverfahren ist das Rapid Manufacturing. Dieses Verfahren dient der direkten Fertigung von Serienteilen als Werkstücke aus Metall oder Kunststoffen. 

Dem gegenüber steht die Ersatzteil- und Einzelfertigung, auch hier erzielen die generativen Urformverfahren besonders gute Ergebnisse. 

 

3D-Druck – Ablauf

Das gewünschte Bauteil wird schichtweise mit einem 3D-Drucker aufgebaut. Als Grundlage bzw. Bauanleitung dienen hier am Computer erzeugte 3-D-CAD-Modelle

Die CAD-Software zerlegt das gesamte Bauteil in einzelne Schichten mit einer Schichtdicke von ca. 0,05 mm. Dabei errechnet die Software den genauen Materialbedarf und die Dimensionen der Schicht. 

Sind alle Daten erstellt, so werden diese an den 3-D-Drucker weitergeleitet und dieser erzeugt aus den Daten auf einer Plattform Schicht für Schicht. 

 

CAD-Modell - Grundlage des 3-D-Drucks
CAD-Modell – Grundlage des 3D-Drucks /3D-Druckers

 

Merk’s dir!  Erforderliche Stützstrukturen des Bauteils werden dabei automatisch mit erstellt und nach Abschluss der Fertigung wieder entfernt. 

 

Eine weitere Besonderheit dieser Verfahren ist, dass vollständig auf Formen (bspw. Dauerformen) und Werkzeuge (Pressen) verzichtet werden kann. Dies bringt Zeitersparnisse in der Entwicklung und Herstellung mit sich. Darüber hinaus können entdeckte Fehler schneller behandelt werden. 

Auch der geringe Einsatz von Lohnkräften und die beinahe endlose Gestaltungsfreiheit (Hohlräume, Wabenstrukturen) machen diese Verfahren für Unternehmen so interessant. 

<em>Darum geht es</em>

Modifikation & Replikation

Die generativen Urformverfahren haben den Vorteil, dass Bauteile ohne größere Verzögerungen am PC modifiziert und mit dem Drucker repliziert werden können. Nachteilig ist jedoch, dass der Erstellungsprozess aufwendig und zeitintensiv daherkommt.

Formenvielfalt - Generatives Urformen
Formenvielfalt – Generatives Urformen
<em>Darum geht es</em>

Unterscheidung & Übersicht der Verfahren

Neben dem 3D-Druck zählen auch weitere, anders durchgeführte Fertigungsverfahren zu den generativen Urformverfahren.

Fused Layer Modeling
Fused Layer Modeling

Hierbei spricht man auch von den additiven Fertigungsverfahren. 

Unterscheidung

Als Unterscheidungskriterium der Verfahren dient in erster Linie das Grundzustand des Werkstoffs. 

  • Gasförmiger Grundzustand des Werkstoffes – Hier erfolgt die Erzeugung des Bauteils durch ein physikalisches oder chemisches Auftragen der Schichten mit und ohne Wärmezufuhr.

  • Flüssiger Grundzustand des Werkstoffes – Hier erfolgt die Bauteilerzeugung über Schichtweises Auftragen mit anschließender Erstarrung der flüssigen Phase. 

  • Fester Grundzustand des Werkstoffes – Diese Variante beinhaltet gleich mehrere, voneinander sehr unterschiedliche Fertigungstechniken. So können die einzelnen Schichten des Bauteils verklebt, zusammengesetzt, extrudiert oder verschmolzen werden. 

 

Verfahrensübersicht

Jetzt stellen wir dir die vier gängigsten Verfahren im Bereich der generativen Fertigungsverfahren vor. Dabei können alle Verfahren für die Erzeugung von Kunststoffteilen genutzten. Das Erzeugen vom metallischen Teilen gelingt jedoch nur mit dem 4. Verfahren (Lasersintern)

Aufgeführt werden

  1. Stereolithografie
  2. 3D-Druck
  3. Fused Layer Modeling
  4. Lasersintern

 

Stereolithografie

Durch den Einsatz eines Laserstrahls wird der flüssige und gleichzeitig lichtempfindliche Kunststoff schichtweise zu einem festen Bauteil aufgebaut. Hierzu wird die im flüssigen Kunststoff befindliche Plattform auf der sich das zukünftige Bauteil liegt, schichtweise abgesenkt. Ein Schieber streicht nach jeder neuen Schicht das überschüssige Material ab. 

Stereolithografie
Stereolithografie

Merk’s dir!  Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hohen Genauigkeit, jedoch ist der Aufwand vergleichsweise hoch und entsprechend kostspielig.

 

3-D-Druck

Anders als beim vorangegangenen Verfahren wird anstelle eines Laserstrahls ein Binder (Große Farbauswahl) auf einen pulverförmigen Werkstoff aufgespritzt, wodurch letzterer aushärtet. Dabei kommt hier anstelle eines Tauchbades ein Pulverbett zu Einsatz, welches den Einsatz von Stützstrukturen überflüssig macht. Sind alle Schichten erzeugt worden und das Bauteil liegt fertig vor, wird dieses nochmals durch Tränken in einem Kunststoffharz verfestigt. 

Merk’s dir!  Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in den geringen Stückkosten und der Realisierung unterschiedlichster Farben. Jedoch geht mit den niedrigen Kosten auch eine geringe Genauigkeit einher. 

 

Fused Layer Modeling 

Diese noch sehr junge Verfahrensart verwendet eine Art Faden oder Schnur aus Kunststoff (Thermoplaste).

Fused Layer Modeling (FLM)
Fused Layer Modeling (FLM)

 

Über eine beheizte Düse wird der Faden schmelzflüssig gemacht und dann schichtweise aufgetragen. Ein weiterer Kunststoff dient dabei als Stützstruktur und kann nach Abschluss der Fertigung wieder entfernt werden. 

 

Merk’s dir!  Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der gehobenen Genauigkeit bei relative überschaubaren Kosten, weshalb dieses Verfahren als als abgewandelter 3-D-Drucker zunehmend Einzug in private Haushalte (Home-3-D-Printer) hält. 

 

Lasersintern

Bei dieser Verfahrensart werden Metallteilchen oder Kunststoffteilchen in Pulverform mit Hilfe eines Laserstrahls zusammengeschmolzen und ein dauerhafter Zusammenhalt erzeugt.

 

Um das Verfahren optimal zu nutzen, empfiehlt es sich das Pulver bereits im Vorfeld entsprechend der Schmelzpunkte von Metall und Kunststoff auf eine darunter liegende Temperatur zu erwärmen und den Sintervorgang unter einer Inertgas-Atmosphäre stattfinden zu lassen. 

 

Merk’s dir!  Dem Vorteil, dass besonders feste Werkstücke realisiert werden können, stehen jedoch Kostenaspekte, umfangreiche Anlagenplanung und -technik, sowie lange Abkühlzeiten gegenüber. 

 

Welche Verfahrensart (Gießen, Sintern, Generative Urformverfahren) des Urformens letztlich zum Einsatz kommt, hängt von nachfolgenden Fragestellungen ab:

  • Wo soll das Werkstück eingesetzt werden?
  • Wie viele Werkstücke sollen erzeugt werden?
  • Wie wirtschaftlich ist das gewählte Verfahren?
  • Eignet sich das Verfahren auch für den gewünschten Werkstoff?

Auch für deine Prüfung solltest du immer diese Fragestellungen im Hinterkopf haben, dass eine Aufgabe dich auffordert die richtige Verfahrensart auszuwählen. 

 

Train your Brain

Trainingsbereich

Quizfragen zum Text

“Nachfolgend fragen wir dich Informationen aus dem vorherigen Text ab.” 

 

 Frage 1

 

Frage 2

 

wie gehts weiter?
Nachdem wir uns jetzt einen ausreichenden Überblick bezüglich der Hauptgruppe des Urformens verschafft haben, wenden wir uns jetzt mit dem Umformen der zweiten Hauptgruppe zu.

 

 

Trainingsbereich

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