Die Optikindustrie wird aufgemischt - Schicht für Schicht

Ermöglicht rasche Entwicklung von Prototypen und vermindert so die Produktentwicklungszeit drastisch

Hilfreich beim Bau von Werkzeugen und Halterungen zur Verwendung im Labor und in der Produktion

3D-Modelle helfen beim Verkauf von Produktkonzepten an Management und Investoren.

Wird sowohl für die Herstellung von Polymer- als auch von Metallteilen eingesetzt.

Die additive Fertigung hat sich im letzten Jahrzehnt von einer Kuriosität zu einer weit verbreiteten Technik für die Schaffung von Prototypen und sogar tatsächlichen Produktionsteilen entwickelt. Hier erfahren Sie, wie diese Techniken grundsätzlich funktionieren und wie sie die Photonikindustrie beeinflussen.

Additive Fertigung ist im weitesten Sinne ein Prozess zur Erstellung von 3D-Objekten direkt aus CAD-Dateien (Computer Aided Design). Auch wenn es eine Vielzahl von Techniken der additiven Fertigung gibt, haben sie alle einen gemeinsamen Ansatz. Zuerst rendert die Systemsoftware das Objektdesign in eine Reihe von Schichten und steuert dann eine Maschine, die Schicht für Schicht Feststoffe im von der Software generierten Muster ablegt, bis das komplette Objekt gebildet ist. Dies steht im Gegensatz zu den „subtraktiven Fertigungsverfahren“ wie der CNC-Bearbeitung, die mit einem festen Materialblock beginnt und dann Material entfernt, um das gewünschte Objekt herzustellen.

Additive Fertigung und 3D-Druck entwickeln sich so dynamisch, dass die Terminologie noch vereinheitlicht werden muss. Die beiden Bezeichnungen werden oft noch synonym verwendet, auch wenn 3D-Druck typischerweise zur Bezeichnung von Inkjet-Prozessen zur Herstellung von Polymerbauteilen verwendet wird und sich in erster Linie an Verbraucher der Maker-Community als Zielgruppe richtet. Dagegen bezieht sich „additive Fertigung“ meist auf verschiedene Techniken für die Herstellung von Polymer- wie auch Metallteilen für kommerzielle Anwendungen (daher die Bezeichnung als „Fertigung), entweder für die Erstellung von Prototypen oder in der Herstellung.

Auf den ersten Blick mögen 3D-Druck und additive Fertigung als Patentrezept erscheinen, mit dem Konstrukteure und Hersteller in die Lage versetzt werden, auf traditionelle Bearbeitungs-, Formungs- und anderer teure Produktionsmethoden zu verzichten. Es gibt jedoch zwei Gründe, warum dies nicht geschieht, zumindest nicht so bald. Zum einen sind 3D-Druck und additive Fertigung Serienfertigungsmethoden, die Teile einzeln herstellen. Die Prozesse sind außerdem langsam - es ist nicht ungewöhnlich, dass für ein einziges Teil mehrere Stunden oder sogar Tage benötigt werden. Zum anderen ist die mechanische Präzision nicht annähernd so hoch wie diejenige, die mit den meisten konventionellen Fertigungsmethoden erreicht wird.

In geringerem Maße können die Materialeigenschaften von mittels 3D-Druck hergestellten Teilen auch einige Probleme verursachen, da sie nicht immer die gewünschten mechanischen Eigenschaften eines bestimmten Polymers oder einer bestimmten Legierung reproduzieren. Jedoch sind Materialien für die additive Fertigung ein aktiver Entwicklungsbereich, so dass sich diese Situation stetig ändert.Vorerst ist allerdings davon auszugehen, dass 3D-Druck und additive Fertigung weitgehend auf Anwendungen mit geringem Volumen beschränkt bleiben, bei denen nicht die Qualität im Vordergrund steht, sondern die Realisierungsdauer.

Arten der additiven Fertigung

Auch wenn es eine Vielzahl von unterschiedlichen Methoden der additiven Fertigung und des 3D-Drucks gibt, sind die nachstehend beschriebenen Prozesse im Wesentlichen repräsentativ für die Technik. Die gängigsten Techniken sind Varianten dieser grundlegenden Methoden.

Inkjet-3D-Druck

Der Inkjet-3D-Druck ist die am häufigsten verwendete 3D-Drucktechnologie und ist eine Variante des weit verbreiteten Tintenstrahldruckers.In diesem Fall stößt die Druckdüse jedoch anstelle von Tinte ein dünnes Kunststofffilament aus, das durch Erhitzen verflüssigt wurde. Dies kann eine Materialschicht von gerade einmal 0,1 mm ergeben. Sobald eine einzelne Schicht geformt wurde, wird entweder der Druckkopf angehoben oder die Bauplattform um einen der Schichtdicke entsprechenden Abstand abgesenkt und der Prozess wiederholt. In manchen Fällen härtet das Polymermaterial einfach beim Abkühlen aus. Alternativ kann ein Photopolymer verwendet werden, das durch anschließende UV-Bestrahlung ausgehärtet wird.

Stereolithographie

Die Stereolithographie ist die älteste Art der additiven Fertigung,bei der eine Bauplattform in einer Wanne aus flüssigem Photopolymer platziert und so positioniert wird, dass sie direkt unter der Oberfläche sitzt. Anschließend fährt ein fokussierter ultravioletter Laserstrahl durch die Flüssigkeit, um die gewünschte Schichtform nachzuzeichnen. Der Fokuspunkt härtet das Photopolymer selektiv aus, wo immer er sich hinbewegt. Die Bauplattform wird vertikal um die Dicke einer Schicht abgesenkt, und der Laser fährt erneut darüber. Dieser Schritt wird so oft wiederholt, bis das gesamte Objekt geformt ist.

Pulverbettverfahren

Bei diesen Techniken wird eine dünne Schicht aus pulverförmigem Material mit einer Rolle oder einem Wischerblatt auf die Bauplattform aufgebracht. Beim „Binder Jetting“ bewegt sich dann ein Druckkopf über das Pulverbett und sprüht eine Bindelösung aus, die das Pulvermaterial selektiv in der gewünschten Form zu einem Feststoff verklebt.Alternativ kann beim Pulverbettverfahren entweder ein Laser- oder ein Elektronenstrahl über das Material fahren um es zu schmelzen, welches in Folge in diesen Bereichen rasch aushärtet. Dadurch wird das Material rasch ausgehärtet. Die Bauplattform wird abgesenkt und eine weitere dünne Schicht wird aufgesprüht; der Prozess wird so lange wiederholt, bis das Werkstück fertig ist.

Auswirkungen der additiven Fertigung auf die Optikindustrie

Da die additive Fertigung immer erschwinglicher und effektiver wird und sich immer weiter verbreitet, hat sie große Auswirkungen auf die Optikindustrie und fast alle Industriebereiche. Die folgenden Videos zeigen ein Gremium von EO-Experten aus den Bereichen Engineering, Design und Forschung & Entwicklung, die ihre Einblicke in die weitreichenden Auswirkungen der additiven Fertigung beschreiben.

Teil 1

In diesem Video geht es um die Auswirkung der additiven Fertigung auf die Optikindustrie, verschiedene Arten des 3D-Drucks, die rasche Entwicklung von Prototypen und jüngste Entwicklungen in der additiven Fertigung. Sehen Sie sich jetzt an, wie Sie von den Vorteilen dieser zunehmend verbreiteten Technologie voll profitieren können.

Teil 2

Dieses Video zeigt die Auswirkungen des 3D-Drucks auf den Schutz geistigen Eigentums, die Zukunft der additiven Fertigung und welche Auswirkungen die additive Fertigung und Automation auf den Arbeitsmarkt haben. Sehen Sie sich in diesem Video an, wie der 3D-Druck sich möglicherweise auf Ihre Karriere auswirkt.

Additive Fertigung bei Edmund Optics^®

Wie viele andere Hersteller verwendet Edmund Optics 3D-Druckmethoden, um die Produktentwicklungszeit und Kosten zu senken. Dies kann das Drucken von 3D-Modellen von Linsenbaugruppen oder mechanischen Komponenten beinhalten, um ein schnelles Ablesen von Form, Passform und Funktion zu ermöglichen, was oft nur schwer anhand von CAD-Darstellungen zu beurteilen ist.

Abbildung 1: 3D-gedruckte Werkstücke zur Erstellung von Prototypen

Die Konstrukteure von Edmund Optics haben mittels 3D-Druck Prototypen für Verpackungslösungen entwickelt um die Produkte beim Versand besser schützen zu können. Verpackungen werden oft mit Hilfe von Spritzguss oder sonstigen Techniken hergestellt, die erhebliche Vorlaufkosten für die Fertigungswerkzeuge verursachen. Der Einsatz des 3D-Drucks ermöglicht stattdessen eine effektive und schnelle Prüfung einer Vielzahl möglicher Lösungen.

EO setzt 3D-Druckmethoden außerdem ein, um Werkzeug-Komponenten für die Optik-Produktion in unseren Fertigungsstätten zu erstellen. So wurden beispielsweise spezielle Düsen für das optimierte Sprühen von Schleifpasten zum Polieren von Optiken in 3D gedruckt, da herkömmliche Bearbeitungsverfahren für diese Anwendung teurer und zeitaufwändiger sind.

FAQ's

Können Optiken aus dem 3D-Drucker kommen?

Noch nicht - Optikkomponenten gehören zu den heute gefertigten Produkten mit der höchsten Präzision,wo Oberflächengenauigkeiten von wenigen zehntel Nanometern, Oberflächenrauheitswerten im Bereich von zehntel Angström und eine sehr hohe innere Homogenität (Brechungsindex) üblich sind. Mit den aktuellen 3D-Druck- und additiven Fertigungstechniken lassen sich Teile mit Spezifikationstoleranzen erzielen, die einige Größenordnungen größer sind als diejenigen, die traditionelle Herstellungsmethoden liefern können. Abgesehen von ausgewählten Beleuchtungs- oder Strahlformungsanwendungen wird der 3D-Druck in naher Zukunft keine Präzisionsoptik produzieren.

Lässt sich mit 3D-Druck ein bestehendes Objekt kopieren?

Manchmal kann ein bestehender dreidimensionaler Gegenstand gescannt und mittels 3D-Druck reproduziert werden. Allerdings kann durch das Scannen nur die äußere Form des Gegenstands kopiert werden, nicht die internen Komponenten. Daher müsste für das Replizieren von komplexen Maschinen die Maschine auseinandergenommen und jedes Bestandteil einzeln gescannt werden. Abhängig vom Objekt und der verwendeten 3D-Drucktechnologie liefert dies möglicherweise nicht unbedingt Teile mit der Präzision, die erforderlich ist, um die Funktionalität des Originalobjekts zu reproduzieren.

Kann der 3D-Druck für die Reparatur von bestehenden Teilen verwendet werden?

Ja - eine Form der additiven Fertigung, die als Direkte Energieabscheidung (DED) bezeichnet wird, beinhaltet das Einbringen von Metall in Pulver-, Draht- oder Bandform auf ein bestehendes Metallteil und dann den Einsatz eines Lasers, um das Pulver zu schmelzen und zu verschmelzen. Diese Methode hat Einzug in bestimmte Anwendungen der Luft- und Raumfahrt und der Automobilaufbereitung gefunden.

Eignen sich 3D-gedruckte Teile derzeit für anspruchsvolle Anwendungen?

Ja, bestimmte Arten von 3D-gedruckten Teilen sind ideal für anspruchsvollen Anwendungen. Ein Beispiel ist die Firma General Electric, die die additive Fertigung zur Herstellung einer Kraftstoffeinspritzdüse für einige ihrer Triebwerke verwendet. Dieses extrem komplexe Teil ist mit traditionellen Mitteln schwer herzustellen und teuer in der Produktion.

Tipps & Downloads

Webinare

Die informativen Unternehmens- und Schulungsvideos enthalten sowohl einfache Tipps als auch anwendungsbezogene Produktdemonstrationen zur Verdeutlichung der Produktvorteile.

13 kreative “Kniffe” für Prototypen von optischen Systemen Webinar
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Additive Fertigung

Januar 2019 | Alle Trends in der Optik ansehen