Titelaufnahme

Titel
Bestimmung der maximalen Bauteilgröße, herstellbar mit einem 3D-Drucksystem vom Typ REPRAP
Weitere Titel
Determination of the maximum component size, produced with a 3D printing system type RepRap
AutorInnenFischer, Ralph
GutachterSandtner, Heimo
Erschienen2013
Datum der AbgabeAugust 2013
SpracheDeutsch
DokumenttypBachelorarbeit
Schlagwörter (DE)Rapid Prototyping / 3D – Druck / RepRap – Drucker „Mendel“ / Hubspindel / Heizplatte / Flächenpressung bei Kunststoffen / Maximal druckbare Bauteilgröße / Düse / Extrudieren von Kunststoffen / Extruderantrieb
Schlagwörter (EN)Rapid Prototyping / 3D - Print / RepRap - printer "Mendel" / jackscrew / heated bed / surface pressure of plastics / maximum printable component size / nozzle / extrusion of plastics / extruder drive
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Eruierung der wichtigsten Einsatzgrenzen, die die maximal druckbare Bauteilgröße im 3D-Druck einschränken.

Sie konzentriert sich sehr stark auf das Verfahrensprinzip des Fused Deposition Modeling, also dem schichtweisen Aufbringen von erhitztem und dadurch flüssigem Kunststoff. Aus der Vielzahl der am Markt existierenden 3D-Druckermaschinen, die zumeist in handlichem Tischformat vorliegen, wurde der RepRap-Type „Mendel“ bevorzugt. Da die FH Campus Wien über einen „Mendel“-Drucker in Standardgröße verfügt, konnte auch ein praxisnaher Teil in die Arbeit einfließen.

Neben den Eigenschaften, der durch den RepRap verarbeitbaren Kunststoffe, wird auch auf deren technische Anwendung und auf deren Herstellung eingegangen.

Die Werkstoffdaten der Kunststoffe, vorwiegend von ABS und PLA, sind wichtige Einflussfaktoren für die Größe des RepRap-Druckers. Dabei ist die tatsächlich aufnehmbare Zugfestigkeit und Flächenpressung der gedruckten Teile entscheidend für die Maschinenabmessung und in weiterer Folge auch für die maximal anzufertigende Bauteilgröße.

Die Maschine selbst wird dabei stets nach dem RepRap Grundsatz aufgebaut, dass die Verbindungsteile, die die Konstruktionselemente miteinander verbinden, auch vom jeweiligen Vorgänger bzw. von dieser selbst noch auszudrucken sind.

Die Eruierung der enthaltenen Komponentengrenzen sowie Aufstellung der handelsüblichen Rohmaterialien und Normteile, ist ein wichtiger Bestandteil zur Abwägung der maximal möglichen Maschinendimension. In der Arbeit finden sich die kompletten Berechnungsgrundlagen der maßgeblichen Punkte wieder. Dabei wurde darauf geachtet, dass diese, soweit möglich, übersichtlich gestaltet und auch mit einfachen Mitteln, wie z.B. mit einem „EXCEL“-Tabellenblatt, be- und nachrechenbar sind.

Jedoch wird deutlich vor Augen geführt, dass die aufgestellten konstruktionstechnischen Bedingungen liegen teilweise durch ihre Komplexität schon sehr nahe an den gesetzten Grenzen. Dadurch ist es teilweise unausweichlich, dass ungefähre Annahmen für eine Weiterführung bzw. Beendigung dieser Aufgabe herangezogen werden müssen.

Zur Abrundung der Arbeit fließt auch die Rheologie von Kunststoffen, deren Eigenschaften sehr stark temperaturabhängig sind, ein. Im engen Zusammenhang dazu steht auch die Berechnung der Düsenströmung und der möglicherweise eintretenden Effekten verschiedenster Ausprägung.

Des Weiteren wurde eine thermodynamische Ermittlung des Wärmestromes vorgestellt. Es führt vorwiegend beim Drucken von ABS ohne Einhausung zu einer starken Einschränkung der maximal druckbaren Höhe.

Zu guter Letzt, befasst sich die Arbeit auch mit dem großen Nachteil der sehr langen Druckzeiten. Diese hängt neben der Extruder- und der Düsenvorschubgeschwindigkeit – entsprechende Vergleichsformel ist in der Arbeit einsehbar – auch von der zu druckenden Bauteilgröße ab. Die maximal mögliche Dimension soll im Zuge dieser Arbeit festgestellt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis deals with the investigation of the main limits that restrict the maximum component size in 3D printing.

It´s focusing very much on the process principles of fused deposition modeling, that´s based on a layered application of heated liquid plastic. From the big variety of handy 3D-printers that are used, the RepRap “Mendel” was elected. This paper also includes a practical part, because of the fact, that a Mendel Standard – printer is available and accessible at the FH Campus Wien.

This thesis addresses adjacent to the properties of printable plastics also an explanation to their technical application and manufacturing.

The material characteristics of ABS and PLA plastics are important factors that are influencing the size of the RepRap printer. The material-specific tensile strength and surface pressure are very crucial points for the dimension of the machine, as well as the printable component size.

The machine itself consists to a great extent of printed components that can be manufactured either from the previous or by its own hand, to comply with the RepRap principles of an self-replicating 3D-printer.

The determination of the limits of contained components, as well as the listing of commercially available raw materials or standard parts is a very important part for the structural calculation of the biggest “Mendel”-machine ever. In the preparation are all needed calculate basics listed, that are easy to calculate with “EXCEL”.

However, it is clearly demonstrated that the established constructional conditions are sometimes very near to the chosen calculating limits.

Because of the fact, that plastic are very dependent to temperature, this thesis also discusses the rheology of plastics. In connection to this point of view, this paper includes also a calculation to the nozzle flow.

At last but not least the big disadvantage is the long printing time. It depends on the extruder- and nozzle feed rate and the component size that should be printed.

The maximum size determined by this thesis.

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