《Additive Manufacturing：3D Printing for Prototyping and Manufacturing》
《Additive Manufacturing：3D Printing for Prototyping and Manufacturing》增材制造：用于原型制造的3D打印
作者：
Andreas Gebhardt
Jan-Steffen Hötter
出版社：Hanser
出版时间：2016年
目录
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
About the Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
1 Basics, Definitions, and Application Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Systematics of Manufacturing Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Systematics of Layer Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Application of Layer Technology: Additive Manufacturing
and 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Characteristics of Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Hierarchical Structure of Additive Manufacturing Processes . . . . . . . . . 6
1.3.1 Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Rapid Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2.1 Rapid Manufacturing—Direct Manufacturing . . . . . . . . . . 9
1.3.2.2 Rapid Manufacturing—Rapid Tooling (Direct Tooling—
Prototype Tooling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3 Related Nonadditive Processes: Indirect or Secondary Rapid
Prototyping
Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.4 Rapid Prototyping or Rapid Manufacturing? . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.5 Diversity of Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.6 How Fast Is Rapid? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Integration of Additive Manufacturing in the Product Development
Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Additive Manufacturing and Product Development . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Additive Manufacturing for Low-Volume and One-of-a-Kind
Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.3 Additive Manufacturing for Individualized Production . . . . . . . . 15
1.5 Machines for Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Characteristics of the Additive Manufacturing Process . . . . . . 21
2.1 Basic Principles of the Additive Manufacturing Process . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Generation of Layer Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Description of the Geometry by a 3D Data Record . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1.1 Data Flow and Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1.2 Modeling 3D Bodies in a Computer by Means of 3D CAD 28
2.2.1.3 Generating 3D Models from Measurements . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 Generation of Geometrical Layer Information on Single Layers . 33
2.2.2.1 STL Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.2.2 CLI/SLC Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2.3 PLY and VRML Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2.4 AMF Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 Physical Principles for Layer Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.1 Solidification of Liquid Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1.1 Photopolymerization―Stereolithography (SL) . . . . . . . . . . 45
2.3.1.2 Basic Principles of Polymerization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Generation from the Solid Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.2.1 Melting and Solidification of Powders and Granules:
Laser Sintering (LS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.2.2 Cutting from Foils: Layer Laminate Manufacturing (LLM) 65
2.3.2.3 Melting and Solidification out of the Solid Phase:
Fused Layer Modeling (FLM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.2.4 Conglutination of Granules and Binders: 3D Printing . . . 69
2.3.3 Solidification from the Gas Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.3.1 Aerosol Printing Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.3.2 Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) . . . . . . . . . . . . . 72
2.3.4 Other Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.3.4.1 Sonoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.3.4.2 Electroviscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.4 Elements for Generating the Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.4.1 Moving Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.4.1.1 Plotter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.4.1.2 Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.4.1.3 Simultaneous Robots (Delta Robots) . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.4.2 Generating and Contouring Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.4.2.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.4.2.2 Nozzles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.4.2.3 Extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.4.2.4 Cutting Blade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.4.2.5 Milling Cutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.4.3 Layer-Generating Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5 Classification of Additive Manufacturing Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.6 Summary Evaluation of the Theoretical Potentials of Rapid Prototyping
Processes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.6.2 Model Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.6.3 Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.6.4 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.6.5 Surface Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.6.6 Development Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.6.7 Continuous 3D Model Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3 Machines for Rapid Prototyping, Direct Tooling, and Direct
Manufacturing
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1 Polymerization: Stereolithography (SL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1.1 Machine-Specific Basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1.1.1 Laser Stereolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1.1.2 Digital Light Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.1.1.3 PolyJet and MultiJet Modeling and Paste Polymerization 108
3.1.2 Overview: Polymerization, Stereolithography . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.1.3 Stereolithography Apparatus (SLA), 3D Systems . . . . . . . . . . . . . 110
3.1.4 STEREOS, EOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.1.5 Stereolithography, Fockele & Schwarze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.1.6 Microstereolithography, microTEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.1.7 Solid Ground Curing, Cubital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.1.8 Digital Light Processing, Envisiontec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.1.9 Polymer Printing, Stratasys/Objet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.1.10 Multijet Modeling (MJM), ProJet, 3D Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.1.11 Digital Wax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.1.12 Film Transfer Imaging, 3D Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.1.13 Other Polymerization Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.1.13.1 Paste Polymerization, OptoForm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.2 Sintering/Selective Sintering: Melting in the Powder Bed . . . . . . . . . . . 146
3.2.1 Machine-Specific Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.2.2 Overview: Sintering and Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.2.3 Selective Laser Sintering, 3D Systems/DTM . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.2.4 Laser Sintering, EOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.2.5 Laser Melting, Realizer GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.2.6 Laser Sintering, SLM Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2.7 Laser Melting, Renishaw Ltd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.2.8 Laser Cusing, Concept Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.2.9 Direct Laser Forming, TRUMPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.2.10 Electron Beam Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.2.11 Selective Mask Sintering (SMS), Sintermask . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.2.12 Laser Sintering, Phenix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.3 Coating: Melting with the Powder Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.3.1 Process Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.3.1.1 Concepts of Powder Nozzles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.3.1.2 Process Monitoring and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.3.2 Laser-Engineered Net Shaping (LENS), Optomec . . . . . . . . . . . . . . 206
3.3.3 Direct Metal Deposition (DMD), DM3D Technology (TRUMPF) . . 209
3.4 Layer Laminate Manufacturing (LLM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.4.1 Overview of Layer Laminate Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.4.2 Machine-Specific Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.4.3 Laminated Object Manufacturing (LOM), Cubic Technologies . . . 218
3.4.4 Rapid Prototyping Systems (RPS), Kinergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.4.5 Selective Adhesive and Hot Press Process (SAHP), Kira . . . . . . . . 224
3.4.6 Layer Milling Process (LMP), Zimmermann . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
3.4.7 Stratoconception, rp2i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
3.4.8 Paper 3D Printing, MCor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
3.4.9 Plastic Sheet Lamination, Solido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3.4.10 Other Layer Laminate Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
3.4.10.1 Parts of Metal Foils: Laminated Metal Prototyping . . . . . 231
3.5 Extrusion: Fused Layer Modeling (FLM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3.5.1 Overview of Extrusion Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3.5.2 Fused Deposition Modeling (FDM), Stratasys . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.5.3 Wax Printers, Solidscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
3.5.4 Multijet Modeling (MJM), ThermoJet, 3D Systems . . . . . . . . . . . . 247
3.6 Three-Dimensional Printing (3DP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.6.1 Overview: 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.6.2 3D Printer, 3D Systems, and Z Corporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.6.3 Metal and Molding Sand Printer, ExOne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
3.6.3.1 Metal Line: Direct Metal Printer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
3.6.3.2 Molding Sand Line: Direct Core and Mold-Making
Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
3.6.4 Direct Shell Production Casting (DSPC), Soligen . . . . . . . . . . . . . . 259
3.6.5 3D Printing System, Voxeljet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
3.6.6 Maskless Mesoscale Material Deposition (M3D), Optomec . . . . . 267
3.7 Hybrid Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
3.7.1 Controlled Metal Buildup (CMB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
3.7.2 Laminating and Ultrasonic Welding: Ultrasonic Consolidation,
Solidica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
3.8 Summary Evaluation of Rapid Prototyping Processes . . . . . . . . . . . . . . . 276
3.8.1 Characteristic Properties of AM Processes Compared
to Conventional Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
3.8.2 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
3.8.3 Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
3.8.4 Benchmark Tests and User Parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
3.9 Planning Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
3.10 Follow-up Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
3.10.1 Target Material: Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
3.10.2 Target Material: Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
4 Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
4.1 Classification and Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
4.1.1 Properties of Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
4.1.2 Characteristics of Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.2 Strategic Aspects for the Use of Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
4.2.1 Product Development Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
4.2.2 Time to Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
4.2.3 Front Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
4.2.4 Digital Product Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
4.2.5 The Limits of Physical Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
4.2.6 Communication and Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
4.3 Operational Aspects in the Use of Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
4.3.1 Rapid Prototyping as a Tool for Fast Product Development . . . . . 301
4.3.1.1 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
4.3.1.2 Model Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
4.3.1.3 Model Classes and Additive Processes . . . . . . . . . . . . . . . 305
4.3.1.4 Assignment of Model Classes and Model Properties
to the Families of Additive Production Processes . . . . . . 309
4.3.2 Applications of Rapid Prototyping in Industrial Product
Development
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
4.3.2.1 Example: Housing of a Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
4.3.2.2 Example: Office Lamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
4.3.2.3 Example: Recessed Lighting Socket . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
4.3.2.4 Example: Model Digger Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
4.3.2.5 Example: LCD Projector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
4.3.2.6 Example: Capillary Bottom for Flower Pots . . . . . . . . . . . . 323
4.3.2.7 Example: Casing for a Coffeemaker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
4.3.2.8 Example: Intake Manifold of a Four-Cylinder Engine . . . 325
4.3.2.9 Example: Cocktail Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
4.3.2.10 Example: Mirror Triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
4.3.2.11 Example: Convertible Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
4.3.3 Rapid Prototyping Models for the Visualization of 3D Data . . . . . 331
4.3.4 Rapid Prototyping in Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
4.3.4.1 Characteristics of Medical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
4.3.4.2 Anatomic Facsimile Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
4.3.4.3 Example: Anatomic Facsimiles for a Reconstructive
Osteotomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
4.3.5 Rapid Prototyping in Art, Archaeology, and Architecture . . . . . . . 336
4.3.5.1 Model Making in Art and Design, General . . . . . . . . . . . . 336
4.3.5.2 Example of Art: Computer Sculpture, Georg Glückman . 337
4.3.5.3 Example of Design: Bottle Opener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
4.3.5.4 Applied Art: Statuary and Sculpture . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
4.3.5.5 Example of Archaeology: Bust of Queen Teje . . . . . . . . . . 340
4.3.5.6 Model Building in Architecture, General . . . . . . . . . . . . . 341
4.3.5.7 Example of Architecture: German Pavilion at Expo ’92 . . 342
4.3.5.8 Example of Architecture: Ground Zero . . . . . . . . . . . . . . . 342
4.3.5.9 Example of Architectural Monuments: Documentation
of Buildings Relevant to Architectural History . . . . . . . . 344
4.3.6 Rapid Prototyping for the Evaluation of Calculation Methods . . . 345
4.3.6.1 Photoelastic and Thermoelastic Stress Analysis . . . . . . . 345
4.3.6.2 Example: Photoelastic Stress Analysis for a Cam Rod
in the Engine of a Truck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
4.3.6.3 Example: Thermoelastic Stress Analysis for Verifying
the Stability of a Car Wheel Rim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
4.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
5 Rapid Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
5.1 Classification and Definition of Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
5.1.1 Direct and Indirect Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
5.2 Properties of Additive Manufactured Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
5.2.1 Strategic Aspects for the Use of Additive Manufactured Tools . . 356
5.2.1.1 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
5.2.1.2 Implementation of New Technical Concepts . . . . . . . . . . . 356
5.2.2 Design Properties of Additive Manufactured Tools . . . . . . . . . . . . 358
5.2.2.1 Prototype Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
5.2.2.2 Supply of Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
5.3 Indirect Rapid Tooling Processes: Molding Processes and Follow-up
Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
5.3.1 Suitability of AM Processes for the Manufacture of
Master Patterns for Subsequent Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
5.3.2 Indirect Methods for the Manufacture of Tools for
Plastic Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
5.3.2.1 Casting in Soft Tools or Molds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
5.3.2.2 Casting into Hard Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
5.3.2.3 Other Molding Techniques for Hard Tools . . . . . . . . . . . . 374
5.3.3 Indirect Methods for the Manufacture of Metal Components . . . 375
5.3.3.1 Investment Casting with AM Process Steps . . . . . . . . . . . 375
5.3.3.2 Tools by Investment Casting of Rapid Prototyping
Master Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
5.4 Direct Rapid Tooling Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
5.4.1 Prototype Tooling: Tools Based on Plastic Rapid Prototyping
Models
and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
5.4.1.1 ACES Injection Molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
5.4.1.2 Deep Drawing or Thermoforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5.4.1.3 Casting of Rapid Prototyping Models . . . . . . . . . . . . . . . . 381
5.4.1.4 Manufacture of Cores and Molds for Metal Casting . . . . . 382
5.4.2 Metal Tools Based on Multilevel AM Processes . . . . . . . . . . . . . . . 383
5.4.2.1 Selective Laser Sintering of Metals: IMLS by 3D Systems 383
5.4.2.2 Paste Polymerization: OptoForm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
5.4.2.3 3D Printing of Metals: ExOne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
5.4.3 Direct Tooling: Tools Based on Metal Rapid Prototype Processes 385
5.4.3.1 Multicomponent Metal Powder Laser Sintering . . . . . . . . 385
5.4.3.2 Single-Component Metal Powder Methods: Sintering
and Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
5.4.3.3 Laser Generating with Powder and Wire . . . . . . . . . . . . . 391
5.4.3.4 Layer Laminate Process, Metal Blade Tools, Laminated
Metal Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
5.5 Future Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
6 Direct Manufacturing: Rapid Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
6.1 Classification and Definition of Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
6.1.1 Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
6.1.2 From Rapid Prototyping to Rapid Manufacturing . . . . . . . . . . . . . 397
6.1.3 Workflow for Direct Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
6.1.4 Requirements for Direct Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
6.2 Potential for Additive Manufacturing of End Products . . . . . . . . . . . . . . . 399
6.2.1 Increased Design Freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
6.2.1.1 Advanced Design and Structural Opportunities . . . . . . . 399
6.2.1.2 Functional Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
6.2.1.3 Novel Design Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
6.2.2 Production of Traditionally Not Producible Products . . . . . . . . . . 401
6.2.3 Variation of Mass Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
6.2.4 Personalization of Mass Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
6.2.4.1 Passive Personalization: Manufacturer Personalization . 404
6.2.4.2 Active Personalization: Customer Personalization . . . . . . 406
6.2.5 Realization of New Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
6.2.6 Realization of New Manufacturing Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . 407
6.2.7 Design of New Labor and Living Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . 408
6.3 Requirements on Additive Manufacturing for Production . . . . . . . . . . . . 409
6.3.1 Requirements on Additive Manufacturing of a Part . . . . . . . . . . . 410
6.3.1.1 Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
6.3.1.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
6.3.1.3 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
6.3.1.4 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
6.3.1.5 Quality Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
6.3.1.6 Logistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
6.3.2 Requirements for Additive Mass Production with
Current Methods
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
6.3.2.1 Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
6.3.2.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
6.3.2.3 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
6.3.2.4 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
6.3.2.5 Quality Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
6.3.2.6 Logistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
6.3.3 Future Efforts in Additive Series Production . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
6.3.3.1 Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
6.3.3.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
6.3.3.3 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.3.3.4 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.3.3.5 Quality Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
6.3.3.6 Logistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.4 Implementation of Rapid Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.4.1 Additive Manufacturing Machines as Elements of a
Process
Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
6.4.2 Additive Machines for Complete Production of Products . . . . . . . 426
6.4.2.1 Industrial Complete Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
6.4.2.2 Individual Complete Production (Personal Fabrication) . 428
6.5 Application Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
6.5.1 Application Fields for Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
6.5.1.1 Metallic Materials and Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
6.5.1.2 High-Performance Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
6.5.1.3 Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
6.5.1.4 New Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
6.5.2 Application Fields by Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
6.5.2.1 Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
6.5.2.2 Casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
6.5.2.3 Medical Equipment and Aids, Medical Technology . . . . . 438
6.5.2.4 Design and Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
7 Safety and Environmental Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
7.1 Labor Agreements for the Operation and Production of Additive Manufacturing
Machines and the Handling of the Corresponding Material . . 452
7.2 Annotations to Materials for Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . 453
7.3 Annotations for Using Additive Manufactured Components . . . . . . . . . . 454
8 Economic Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
8.1 Strategic Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
8.1.1 Strategic Aspects of the Use of AM Methods in Product
Development
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
8.1.1.1 Qualitative Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
8.1.1.2 Quantitative Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
8.2 Operative Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
8.2.1 Establishing the Optimal Additive Manufacturing Process . . . . . 460
8.2.2 Establishing the Costs of Additive Manufacturing Processes . . . 461
8.2.2.1 Variable Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
8.2.2.2 Fixed Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
8.2.3 Characteristics of Additive Manufacturing and Its Impacts
on Economy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
8.2.3.1 Construction Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
8.2.3.2 Lot Sizes and Use of Construction Space . . . . . . . . . . . . . 467
8.2.3.3 Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
8.2.3.4 Material Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
8.2.3.5 Process Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
8.2.3.6 Construction Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
8.2.3.7 Technical Progress and Model Refinement . . . . . . . . . . . . 471
8.2.3.8 Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
8.3 Make or Buy? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
9 Future Rapid Prototyping Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
9.1 Microcomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
9.1.1 Microcomponents Made of Metal and Ceramic . . . . . . . . . . . . . . . 475
9.1.2 Microcomponents Made of Metal and Ceramics by Laser Melting 476
9.1.2.1 Melting Process in Selective Laser Melting . . . . . . . . . . . 476
9.1.2.2 Microstructures of Metal Powder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
9.1.2.3 Microstructures of Ceramic Powder . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
9.2 Contour Crafting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
9.3 D-Shape Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
9.4 Selective Inhibition of Sintering (SIS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
9.4.1 The SIS-Polymer Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
9.4.2 The SIS-Metal Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
9.5 Free Molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
9.6 Freeformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
10 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
11 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
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