Zusatzaufgabe:
Ihr Chef möchte in einer Konferenz kurz und präzise über die neuen Techniken des Modellierens mittels “Desktop Manufacturing” informiert werden.

 

Jens Krätzschmar

Laser-Skulpturen

Vom CAD-Modell zum realen Gegenstand

Den Fortschritt, den Desktop Publishing für die Grafiker gebracht hat, bringt ,Desktop Manufacturing' für die Konstrukteure: Am Schreibtisch entstehen aus nüchternen CAD-Daten dreidimensionale Modelle aus Wachs, Kunststoff oder Metall - ohne Fräsen und Bohren, sondern durch querschnittweises Anfügen von Materie.

Monitor, Drucker und Plotter bieten nur ein flaches Abbild von komplizierten CAD-Konstruktionen; wirklich eindrucksvoll ist nur ein Modell zum Anfassen. Oft mag es zwar genügen, mittels Finite-Elemente-Methoden auf dem Rechner das Verhalten des Bauteils nachzuahmen (Soft Prototyping) oder via spezieller Schnittstellen die Tür zur virtuellen Welt zu öffnen (Virtual Prototyping, zum Beispiel ein ,haptic interface' zur ,Berührung' nur im Rechner existenter Objekte). Meist lässt sich ein Entwurf aber nur am physischen Modell beurteilen (Hard Prototyping).

Designprototypen dienen als Anschauungsobjekte für Ergonomie und Ästhetik. An geometrischen Prototypen wird die Gestalt des späteren Serienteils geprüft; Funktionsprototypen müssen sich an der Stelle des endgültigen Bauteils allen vom Serienprodukt geforderten Belastungen gewachsen zeigen. Nicht selten wird ein Prototyp auch heute  noch handgeschnitzt teuer, aber pragmatisch.  Modischer arbeiten CAD-gesteuerte CNC-Fräsen, die das Teil aus massivem Plastik, Holz oder Metall herausarbeiten. Komplizierte Strukturen oder kleine  Hohlräume liegen aber jenseits ihrer bildhauerischen Fähigkeiten.

Seit einigen Jahren werden kommerzielle  Systeme  entwickelt, die beliebig geformte Modelle schnell anfertigen können: Rapid Prototyping. Ausgehend von 3D-CAD-Daten bilden sie Modelle aus Wachs oder Kunststoff und auch Formen für Gussverfahren.  Neueste Versuchsanlagen verarbeiten Metall und Keramik direkt. Für das Rapid Prototyping gibt es weitere Bezeichnungen, die jeweils einen anderen Aspekt dieser Technologie benennen: Desktop Manufacturing, Automated Fabrication, Tool-less Manufacturing,  Freeform Fabrication, Layered Manufacturing.

Im Prinzip führen drei Wege vom Baustoff zum Bauteil: Abtragen, Hinzufügen oder Umformen von Material. Die Verfahren des Rapid Prototyping sind aber ausnahmslos aufbauende (,generative') Prozesse: Das Bauteil entsteht durch Zusammenfügen von Material. Ausgangsbasis ist das Datenmodell in einem 3D-CAD-System. Eine spezielle Software zerlegt das Modell im Rechner in Scheiben, die senkrecht zur späteren Baurichtung liegen. Querschnitt auf Querschnitt erzeugt die Anlage das Bauteil, indem sie die zur jeweiligen Bauhöhe gehörende Schicht produziert. Ein gutes Dutzend solcher generativer Fertigungsverfahren ist inzwischen bekannt. Die einzelnen Verfahren unterscheiden sich vor allem im Ausgangszustand des Baumaterials und in seiner Verarbeitung. Zu Beginn kann das Material als Flüssigkeit, Pulver oder Folie vorliegen; im Labor soll es gelingen, zumindest kleine Modelle aus der, Luft (Gasphase) zu greifen'.

 

Scherenschnitte

Die simpelste Umsetzung der Salamitaktik verwendet Folien aus Papier, Kunststoff oder Aluminium. Die CAD-Querschnitte werden auf diese Folien gedruckt und die Schnitte dann zusammengeklebt (Laminated Object Manufacturing), polymerisiert (Solid Foil Polymensation) oder mittels einer speziellen Elektrolytlösung unter Hochspannung galvanisch aufeinander gebacken (Electrosetting). Solche Prototypen eignen sich wegen ihrer geringen Festigkeit und geringen Formgenauigkeit (Dicke der Kunststoff-Folie: 1 mm) nur als grobe Anschauungsmodelle.

Feinere Strukturen hochaufgelöst wiederzugeben gelingt nur dann, wenn sich im Herstellungsprozess auch die Schichtdicke beeinflussen lässt. Solche variable Schichthöhen sind mit aushärtenden Flüssigkeiten und Pulvern möglich.

Beispiel dafür ist das Solid Ground Curing: Das Modell entsteht in einem Bad aus flüssigem Kunststoff. Es wird darin so weit eingetaucht, dass es gerade versinkt - über seiner obersten Querschnittsfläche liegt dann ein dünner Flüssigkeitsfilm. Um die nächste Querschnittsfläche auf dem Modell anzulagern, härtet man den Flüssigkeitsfilm mit UV-Licht aus. Eine zuvor per Fotoplotter erzeugte Lichttmaske bestimmt dabei die Form des Querschnitts. Nach der Belichtung senkt die Maschine das Bauteil um die einstellbare Schichthöhe im Bad ab und bedeckt es so erneut mit einer dünnen Schicht flüssigen Kunstharzes; Querschnitt für Querschnitt wächst das Bauteil im Kunstharz. In vierzig Sekunden entsteht eine komplette Schicht jeder Komplexität bis auf einen halben Millimeter genau. Entsprechende Maschinen bietet zum Beispiel die Firma Light Sculpting zu einem Preis von 100000 bis 160 000 US-$ je nach maximal möglicher Bauteilgröße (15 bis 40 cm) an.

Den materialintensiven Umweg über die UV-Maske spart die seit 1987 verfügbare Stereolithographie - das überhaupt erste kommerzielle System für Rapid Prototyping.  Gelenkt durch ein System fokussierender Linsen und beweglicher Spiegel schreibt ein UV-Laserstrahl den Querschnitt direkt auf die Oberfläche des Kunstharzbades. Massive Strukturen entstehen aus dicht nebeneinander liegenden  Einzelstrichen - Schraffuren. Ist ein Querschnitt fertig, senkt die Maschine das Bauteil um Millimeterbruchteile ab. Auf dem flüssigen Harzpegel beginnt jetzt der nächste Schreibzyklus. Je geringer die Schichtdicke, desto länger ist zwar die Bauzeit, aber um so besser  gelingen  das Oberflächen-Finish und die Formgenauigkeit. Neben dem Erfinder SLA sind auch Sony und Mitsubishi mit ähnlichen Systemen auf dem Markt; in der Sony-Anlage können Teile mit einem Meter Breite und einem halben Meter Höhe gefertigt werden. Ein echtes Desktop-System hat der deutsche Anbieter EOS, Planegg, für 250 000 DM im Programm.  Größere Auswahl an Baustoffen bietet sich mit Pulvern, die der Laser aufschmilzt. Beim selektiven Lasersintern (SLS) plottet der Laserstrahl die Querschnitte auf ein pulverförmiges Material; nur die belichteten Flecke schmelzen auf und ,sintern' zu festem Material zusammen. Nach Abschluss einer Querschnittsfläche wird eine neue Lage Pulver gleichmäßig aufgestreut und lasergesintert. Das unbelichtete Pulver bleibt zunächst liegen und stützt filigrane Überhänge ab; erst zum Schluss wird es weggepustet. In einer Anlage des Entwicklers EOS erreichen die Bauteile bis zu 34 cm horizontaler Ausdehnung und knapp 60 cm Höhe. Theoretisch kann beim selektiven Lasersintern jedes schmelzflüssige  Material  verwendet werden; in der Praxis aber findet man bisher nur Wachs, PVC, Nylon und andere Kunststoffe. Das große Spektrum der verwendbaren Baustoffe und die sehr genaue Formung des Modells sind die wesentlichen Vorteile des Verfahrens. Das hat aber seinen Preis: zum Beispiel 400000 $ und mehr für eine entsprechende Maschine.

 

Druckbild

Den Schritt vom Schreiben zum Drucken macht das 3D-Printing-Verfahren (3DP) der amerikanischen Firma Soligen: eine piezoelektrische Düse (wie beim InkJet-Drucker) spritzt flüssiges Bindemittel auf ein Bett aus pulverförmigem Baumaterial. Wo diese Flüssigkeit auftrifft, klebt sie die Pulverteilchen zusammen. Der fertige Querschnitt wird mit frischem Baupulver bedeckt; der Kleber für den nächsten Schnitt folgt sogleich. Mit dieser Technik lassen sich aus pulverisierter Keramik direkt Formen für Metallabgüsse erzeugen (Direet Shell Production Casting). Allerdings kann Bindemittel unkontrolliert auf dem Pulver verfließen und die Formgenauigkeit beeinträchtigen.

Beim Ballistic Partiele Manufacturing (BPM), das auch von Texas Instruments unter dem Namen Printed Computer Tomography angeboten wird, werden zwei Pulver verspritzt: das  eigentliche  Baumaterial (Polymer, Wachs, Keramik oder niedrigschmelzendes  Metall) und ein Stützmaterial. Das Stützmaterial erlaubt feinere Strukturen sowie Hinterschneidungen (Brücken); es wird nach Fertigstellung des Bauteils in einem Lösungsmittelbad entfernt. Das geht natürlich nur, wenn nicht Hohlräume Stützmaterial einschließen. Da das Verfahren auch unter Bedingungen der Mikrogravitation genau arbeiten soll (die Bauteiltoleranzen liegen bei 0,1 mm), denkt  man daran, es auch mit neuen Werkstoffen im Weltraum einzusetzen.

 

Wachsmalen

Anstatt pulverisierten oder flüssigen Baustoff zu verfestigen. lässt sich Material mit Fused  Deposition  Modeling (FDM) auch wie, aus der Tube' auf die Unterlage oder das Bauteil  auftragen. Schicht  für Schicht und Linie für Linie plottet eine beheizte Düse das geschmolzene Material auf das bereits erstarrte. Von einer Spule läuft das drahtförmige Material in die Schmelzkammer nach, die Meile Nylon zu 350 $. Der nur kurz über seinen Verflüssigungspunkt erhitzte Werkstoff (Nylon, Wachs, Polyamid, Polyäthylen) erstarrt innerhalb einer Sekunde.

Wachsmodelle lassen sich in Feingussprozessen  zu  metallischen Bauteilen umwandeln; andere Werkstoffe dienen zur Funktionsüberprüfung (Passgenauigkeit, Designkontrolle). Angesichts der Leistungsfähigkeit ist FDM ein preisgünstiges Verfahren: Für eine FDM-Anlage samt Iris-Workstation von Silicon Graphics und passender Software verlangt die Firma Stratasys 190 000 $. Diese Maschine arbeitet mit Schichthöhen von 0,7 mm bis hinab zu 0,05 mm; die erreichbare Genauigkeit liegt bei 0,15 mm. Das fertige Bauteil kann bis zu 24 x 35 x 30 cm groß werden.

 

Stahlstich

Funktionsprototypen sollen meist aus dem Werkstoff bestehen, der in der späteren Serienfertigung verwendet wird. Doch keines der käuflichen Systeme ist dafür eingerichtet, unmittelbar mit Metall und Keramik zu arbeiten. Das Institut für Produktionstechnologie (IPT) der Fraunhofer Gesellschaft in Aachen hat aber zwei Verfahrensvarianten entwickelt, mit denen stählerne Bauteile auf dem Labortisch heranwachsen: selektives Lasersintern für Metall und Keramik (an Stelle des für diese Verfahren üblichen Kunststoffs) sowie das Lasergenerieren.

Das Baumaterial muss nun nicht gleich auf die Schmelztemperatur von Edelstahl geheizt werden: Bei der ,indirekten' Variante des selektiven Lasersinterus vermischt man das metallische Baumaterial mit einem Bindematerial aus Kunststoff, das leicht unter dem Laserstrahl aufschmilzt. Dieser Trick erlaubt, bei den niedrigeren Temperaturen des herkömmlichen  SLS-Verfahrens für Kunststoffe zu arbeiten. In der Anlage entsteht so zunächst ein ,Grünteil', das halb und halb aus Baumetall und Binder besteht. Der Binder lässt sich durch Ausbrennen oder im Lösemittelbad entfernen. Danach wird das Grünteil im Ofen gesintert, wobei es um etwas mehr als 10 Prozent schrumpft. Bei der Planung muss das durch großzügigere Dimensionierung vorab korrigiert werden; auch die Formgenauigkeit leidet in der Wärme des Sinterofens.

Die ,direkte' Hochtemperaturvariante des Verfahrens verzichtet auf Binder und vermeidet so die schädliche Nachbehandlung. Dazu muss dem Pulver ordentlich eingeheizt werden: Die Vorheiztemperaturen betragen bis zu 10000 C. In seiner Versuchsanlage hat das IPT Musterbauteile aus Edelstahl hergestellt. Niedrigere Temperaturen oder der Einsatz schwächerer Laser für  das selektive Lasersintern sind mit 2-Phasen-Gemischen mit einem Lotmetall (Selen, Bronze-Nickel) möglich.

Während beim selektiven Lasersintern das Baumaterial bereits pulverförmig auf dem entstehenden Modell liegt, wird es beim Lasergenerieren gezielt auf die Baustelle geblasen: Im Brennfleck  eines Lasers schmilzt das Material und verbindet sich mit dem Untergrund. Durch den exakt einstellbaren Brennfleckdurchmesser, die gut dosierbare Laserintensität und die regulierbare Pulverzufuhr lassen sich auch sehr dünnwandige Strukturen reproduzierbar herstellen (Schichtdicken von 0,05 bis 0,3 mm mit Toleranzen von 0,02 mm).

Der Leistungsvergleich zwischen selektivem Lasersintern und Laser- generieren fällt patt aus: SLS erlaubt die Herstellung von  Bauteilen mit Brückenstrukturen. Die hohe Porosität und die geringe Festigkeit der Teile sind jedoch nachteilig; eine Nachbehandlung im Sinterofen verbessert diese Eigenschaften. Lasergenerierte Teile dagegen haben eine homogenes, porenfreies Materialgefüge und gute Festigkeit. Die Komplexität der Bauteile ist aber eingeschränkt. Die Herstellung von Bauteilen mit Hinterschneidungen gelingt nur mit einer komplizierten (Fünf-Achsen-) Lagerung  des Bauteils.

Das weltweit erste kommerzielle System zum Metall-Lasersintern liefert nach eigenen Angaben die Firma EOS: Ein patentiertes Metallpulver erübrigt das Bindemittel und erlaubt so nahezu schwundfreie Sinterteile. Anders als kunststoffverarbeitende Systeme arbeitet diese Maschine ohne Vorheizen und ohne Schutzgasatmosphäre - dadurch ist sie obendrein noch billiger. Auch das FDM-Verfahren (zur Erinnerung: das Auftragen schmelzflüssigen   Materials) eignet sich - materialgerecht modifiziert - zur Verarbeitung von Metallen, Legierungen und Keramik. Wegen der Vielzahl von Werkstoffen (,Phasen' heißt das am Institut für Angewandte Materialforschung (IFAM), Bremen, entwickelte Verfahren Multiphase Jet Solidification (MIS). Niedrigschmelzende Metallegierungen und hochschmelzende Metalle (Edelstahl, Aluminium  und Titan  mittels Pulver-Binder-Gemischen) sowie Keramik werden in einer Schmelzkammer verflüssigt  und per Düse aufgetragen.

 

Kreativ

Schon jetzt gibt es in Deutschland zehn Servicebüros,  die Rapid  Prototyping als Dienstleistung anbieten; ihre Zahl wird rasch  steigen.  Wie heute der Grafiker zum DTP-Belichtungsstudio geht, um dort aus  seinen  PostScript - Daten Druckunterlagen herstellen zu lassen, wendet sich der Designer mit seinen STL-Dateien an ein ,Prototyping-Studio'. Nach wenigen Stunden kann er sein Modell in die Hand nehmen - zum Preis von derzeit ungefähr tausend Mark (je nach Aufwand).

Einsatzbeispiele in der Industrie zeigen, dass sich der Zeit- und Kostenaufwand durch  das Rapid Prototyping auf etwa ein Drittel konventioneller Methoden reduziert. Im herkömmlichen Entwicklungsprozess steht oft nur ein einziger Prototyp kurz vor Anlauf der Serienfertigung zur Verfügung - die Verfahren des Rapid Prototyping können dagegen rasch und kostengünstig praktisch in jeder Phase der Entwicklung Studienobjekte liefern. Willkommener Nebeneffekt ist die Steigerung der Produktqualität: An mehr als der Hälfte aller bis zum Gebrauch des Produktes unentdeckten Fehler sind Konstruktionsmängel schuld (,Kinderkrankheiten').

Nicht nur Modelle, sondern auch Werkzeuge für die Serienherstellung sind machbar. Beispielsweise hat der britische Autokonzern Rover in Zusammenarbeit mit einem Team des Advanced Technology Centre der Universität Warwick per generativem Fertigungverfahren das Formwerkzeug  für die Türen des Range Rover hergestellt - binnen eines einzigen Tages.  Auf  herkömmliche Weise hätte das 18 Wochen gedauert. Das Werkzeug  soll 22 000mal Blech zur Tür formen; das reicht für die gesamte Bauserie.

Aber es gibt auch zahlreiche Anwendungen außerhalb der industriellen Fertigung. In der Medizin lassen sich anhand von Computer-Tomographien genau auf den Patienten zugeschnittene Implantate formen. An der Universität Helsinki hat man zum Studium des komplexen geometrischen  Aufbaus  von Chromosomen ein Kunststoffmodell hergestellt, dessen Datengrundlage eine Serie von 20 elektronenmikroskopische Aufnahmen waren. Die STL-Datei enthielt 700 000 Dreiecke. Aufgrund des Datenrauschens des Vorgehens hatten die Forscher eine große Anzahl von unzusammenhängenden Komponenten. Nach dem Eliminieren des Rauschens mit selbstentwickelter Software blieben nur vier Komponenten zurück, die mit zusätzlichen Verbindungsstrukturen in einer Anlage von Cubital (Solid Ground Curing) hergestellt wurden.

Archäologen bietet das Rapid Prototyping ein Werkzeug für Rekonstruktionen; Architekten und Schmuckdesigner können sich schnell von ihren Entwürfen ein plastisches Bild machen. Die neuen generativen Fertigungsverfahren  werden  auch manchen Designer zur Herstellung von, Computerkunst inspirieren - so wie heute schon der Designer Mario Wingert aus dem CAD-Modell eines menschlichen Körpers per Laserschneidemaschine  Platten aus Holz, Plexiglas oder Edelstahlgitter herstellt und sie in Spantenverbindung (wie beim Holzschiffbau) zu dreidimensionalen Objekten zusammen steckt.

c't 1995, Heft 8

 

Aufgabe: Erstellen Sie mit eigenen Worten eine Zusammenfassung des Textes “Laser-Skulpturen”

 

 

Lösungsbeispiel eines Schülers

 


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