Produktionssysteme

Auswirkungen von STL-Daten auf die Bauteilqualität

Dipl.-Ing. Andreas Wegner, Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt

Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für Fertigungstechnik

Vor dem Hintergrund von schnell wechselnden Trends, individuellen Kundenwünschen sowie kürzeren Produktlebensdauern gewinnen Generative Fertigungsverfahren in der Produktentwicklung und zur Herstellung von Serienbauteilen im Rapid Manufacturing eine immer größere Bedeutung [1, 2]. Durch den Einsatz Generativer Fertigungsverfahren bietet sich die Möglichkeit bereits in frühen Entwicklungsphasen schnell und kostengünstig Modelle und Prototypen herzustellen [3]. Somit lassen sich unnötige Arbeitsschritte sowie teure Fehler und Fehlentscheidungen frühzeitig erkennen und vermeiden und die Entwicklungszeit verkürzen [1, 3].

Das erste Rapid Prototyping-Verfahren, die Stereolithographie, entstand im Jahr 1982. Seitdem wurden viele neue Verfahren entwickelt, die in der VDI 3404 unter den Generativen Fertigungsverfahren zusammengefasst werden. Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren entsteht das Werkstück bei diesen Verfahren direkt auf Basis von 3D-Daten ohne formgebundene Werkzeuge durch schichtweises Aneinanderfügen eines formlosen Ausgangsstoffes. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Bauteils werden dabei im Laufe des Bauprozesses generiert. [1, 3]

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Grundlage für die Bauteilherstellung bildet ein 3D-CAD-Datensatz, der in das neutrale STL-Format konvertiert und dann an die Anlagen-Software übergeben wird (Bild 1). Dort werden die Daten in einzelne Schichten zerlegt und mit den Maschinenparametern an die Anlagensteuerung übertragen, die das Bauteil dann Schicht für Schicht generiert. Nach dem Bauprozess ist es oftmals notwendig, die Bauteile manuell nachzubearbeiten [1, 3].

Das im Jahr 1987 entwickelte STL-Format (Standard Triangulation Language) stellt derzeit das Standardformat für die Generativen Fertigungsverfahren dar [1, 4]. Das STL-Format nähert die Bauteiloberfläche durch Dreiecke verschiedener Größen an. Dass sich das Format trotz fehlender Standardisierung im Bereich der Rapid Technologien etabliert konnte, liegt neben der einfachen mathematischen Beschreibung der Oberfläche an den Vorteilen des Formates. Die frühe Veröffentlichung der Schnittstellenbeschreibung führte zur Integration in die meisten CAD-Systeme, was einen unproblematischen Datenaustausch ermöglicht [4]. Die Modelle bleiben auch nach der Konvertierung ohne CAD-Programm skalierbar und können an beliebigen z-Koordinaten geschnitten werden. Zudem können kleinere Fehler mit geringem Aufwand repariert werden [1].

Demgegenüber besitzt das STL-Format auch einige Nachteile. So wird bei der Konvertierung eines Volumenmodells in eine STL-Datei lediglich die Oberfläche des Bauteils abgebildet und sämtliche topologischen Informationen gehen verloren. Dadurch entstehen bei der Konvertierung oft fehlerhafte Daten und durch die Redundanz der Datenspeicherung Dateien mit einem Vielfachen der ursprünglichen Dateigröße [1, 5]. Die meisten Fehler ergeben sich aus der Limitation der Tesselierungsalgorithmen in den CAD-Systemen oder durch den Mangel topologischer Informationen [6, 7]. Für einige Generative Fertigungsverfahren reichen die zusätzlich im STL-Format vorhandenen Bits nicht aus, um Farbgebungen oder verschiedene Materialien zu speichern [4].
Konstruktionsfehler: Eine falsche beziehungsweise nicht vorhandene Vereinigung von Körpern im CAD-Modell resultiert in Konstruktionsfehlern. Bei der Konvertierung in das STL-Format entstehen unnötige Daten im Inneren des Bauteils (Bild 2), die beispielsweise beim Layer-Laminated-Manufacturing zu nicht erforderlichen Schnitten und damit zu strukturellen Schwächen führen können [1].
Umsetzungsfehler: Umsetzungsfehler entstehen, sobald ein Bauteil mit gekrümmten Oberflächen in das STL-Format konvertiert wird. Die Annäherung einer runden Oberfläche durch Dreiecke (Bild 2) stellt durch das Auftreten von Sekantenfehlern prinzipiell eine Ungenauigkeit dar [1], wodurch bei konvexen Formen ein Teil des Volumen entfernt und bei konkaven Formen unnötiges Material hinzugefügt wird [8]. Diese Ungenauigkeit kann jedoch durch Verkleinerung der Dreiecke reduziert werden (Bild 3).
Beschreibungsfehler: Bei der Konvertierung von CAD-Daten in das STL-Format können verschiedene Arten von Beschreibungsfehlern auftreten (Bild 2). Durch falsch orientierte oder inkonsistente Normalenvektoren können Innen- und Außenseite des Bauteils durch die Anlagen-Software nicht mehr unterschieden werden [1, 9]. Ursachen hierfür sind meist Fehler im Konvertierungsalgorithmus [5]. Löcher können entweder durch den Verlust von Dreiecken mit sehr kleinen Sehnenhöhen oder an der Schnittlinie zweier Oberflächen mit großen Rundungen entstehen [7, 9]. Bei der Konvertierung in das STL-Format darf jede Kante eines Dreiecks nur durch zwei Dreiecke geteilt werden [8]. Treten dagegen Überlappungen zwischen einzelnen Dreiecken oder sich schneidende Dreiecke auf, wird diese Regel gebrochen [5, 7, 8]. Ursache hierfür sind meist numerische Rundungsfehler bei der Tesselierung der Oberfläche [7].

Die meisten gängigen CAD-Systeme bieten die Möglichkeit CAD-Modelle als STL-Daten zu exportieren. Hierzu kann die entstehende STL-Qualität durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, welche in den verschiedenen CAD-Systemen teils dieselben Größen beschreiben, sich aber in ihrer programmtechnischen Umsetzung in Form verschiedener Algorithmen unterscheiden. Die Qualität der Daten wird jedoch meist nicht direkt nach der Konvertierung sondern erst beim Dienstleister geprüft, was zu einem hohen Zeit- und Kostenaufwand für die Reparatur der Daten führen kann. Für die durchgeführten Untersuchungen wurden verschiedene Probekörper in den CAD-Systemen PTC Pro/Engineer Wildfire 3.0, Dassault Systems Catia V5 sowie Solidworks 2008 modelliert und exportiert und in Materialise Magics RP 13 geprüft.

Für die Herstellung von Bauteilen mittels Generativer Fertigungsverfahren müssen STL-Daten mit einer angepassten Auflösung erzeugt werden, welche die tatsächliche Geometrie hinreichend genau wiedergibt aber gleichzeitig keine zu feine Triangulierung aufweist [10].

Zur Untersuchung des STL-Exports in Abhängigkeit der jeweiligen Exportparameter wurde in allen CAD-Systemen ein gleiches Modell generiert (Bild 4). Dabei wurden teilweise deutliche Unterschiede in der Qualität der erzeugten STL-Daten festgestellt. In Pro/Engineer ergeben sich beinahe unabhängig von den Exportparametern 15 bis 17 Fehler. Die Konvertierung in Catia führt nur für sehr kleine Werte für die Schrittgröße zu einem starken Anwachsen der Fehleranzahl. Dagegen bestehen zwischen der Entstehung von Fehlern in Solidworks und den Exportparametern keine festen Zusammenhänge, was vermutlich auf den verwendeten Tesselierungsalgorithmus zurückzuführen ist. Die aufgetretenen Fehler sind ausschließlich sich schneidende und überlappende Dreiecke.

Zur Untersuchung des Einflusses fehlerhafter STL-Daten auf den Bauprozess wurden verschiedene Probekörper durch Lasersintern (DTM Sinterstation 2000) hergestellt. Am Beispiel eines Würfels konnte die mögliche Auswirkung verschiedener STL-Fehler verdeutlicht werden. Dazu wurden einzelne Dreiecke gelöscht, umorientiert oder durch Zufügen weiterer Dreiecke Überlappungen erzeugt. Die Untersuchungen zeigten, dass vor allem Löcher und invertierte Normalen zu fehlerhaften Bauteilen führen können. Treten senkrecht zur Baurichtung auf zwei Seiten des Bauteils invertierte Normalen und Löcher auf, stellt die Anlagensoftware bei der Erstellung der Belichtungsdaten eine durchgehende Verbindung zwischen beiden Fehlstellen her (Bild 5). Das Fehlen zweier gegenüberliegender Seitenflächen führte sogar zum Totalverlust des Bauteils. Zusammenhängende Fehler auf lediglich einer Seite führten bei Quadern dagegen zu keinen fehlerhaften Bauteilen. Fehler parallel zur Baurichtung verursachen dagegen keine derart massiven Bauteilfehler, können jedoch zu Oberflächenfehlern auf der Ober- und/oder Unterseite des Bauteils führen. Ferner wurde ein Modell aus ineinander tauchenden Quadern modelliert, dessen Außenflächen jeweils aus Freiformflächen bestehen (Bild 6). Dieses Modell wird aus Catia mit wesentlich mehr Fehlern exportiert als aus Pro/Engineer und Solidworks. Sechs der Freiformflächen sind beinahe vollständig falsch orientiert. Bei der Herstellung wird das Modell nur rudimentär wiedergegeben. Keine der Freiformflächen wurde dabei korrekt im Bauteil umgesetzt. Das ursprünglich massive Bauteil enthält im Inneren nur wenig verfestigtes Material, welches auf einige richtig orientierte Dreiecke auf der Oberfläche zurückzuführen ist.
Zusammenfassung: Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen konnte die Bedeutung der STL-Qualität für die generative Fertigung von Bauteilen gezeigt werden. Bislang werden STL-Daten meist erst durch den Dienstleister bezüglich ihrer Qualität geprüft und gegebenenfalls aufwendig repariert. Die Untersuchungen zeigen, dass viele Fehler schon bei der Konstruktion – etwa durch eine korrekte Vereinigung der einzelnen Körper – vermieden werden können. Zudem sollte beim Export der Daten eine sorgfältige Wahl der Exportparameter erfolgen, um eine STL-Datei mit einer hinreichenden Anzahl an Dreiecken sowie möglichst wenigen Fehlern zu erhalten. Die hergestellten Bauteilbespiele zeigen, dass vor allem STL-Daten mit Löchern und invertierten Normalen zu fehlerhaften Bauteilen führen. -fr-

Literaturverzeichnis:
[1] Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren - Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Rapid Manufacturing, 3. Auflage, München, Carl Hanser Verlag, 2007.

  1. M.; Augsburg, M.: Integration von Rapid Technologien in Kleinserienprozesse im Automobilbau, Vortrag, BMW Group, 2004.
  2. G.: Taschenbuch der Fertigungstechnik, 1. Auflage, München - Wien, Carl Hanser Verlag, 2006.
  3. S.; Köhler, P.: Vorbereitung von CAD-Konstruktionsdaten für den RP-Einsatz – eine Schnittstellenproblematik, In: RTejournal, Bd. 5 (2008), S. 1–7.
  4. A.L.; Kumar, V.; Dutta, D.; Pratt, M.J.: An assessment of data requirements and data transfer formats for layered manufacturing, U.S. Department of Commerce, 1998.
  5. M.J.; Bhatt, A.D.; Dutta, D.; Lyons, K.W.; Patil, L.; Sriram, R.D.: Progress towards an international standard for data transfer in rapid prototyping and layered manufacturing, In: Computer-Aided Design, Bd. 34 (2002), Nr. 14, S. 1111–1121.
    [7] Leong, K.F.; Chua, C.K.; Ng, Y.M.: A Study of Stereolithography File Errors and Repair. Part 1. Generic Solution, In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Bd. 12 (1996), Nr. 6, S. 407–414.
  6. G.M.; Kirschman, C.: Accuracy issues in CAD to RP translations, In: Rapid Prototyping Journal, Bd. 2 (1996), Nr. 2, S. 4–17.
  7. T.; Cheung, E.H.M.: Enhanced STL, In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Bd. 29 (2006), Nr. 11–12, S. 1143–1150.
  8. N.: VDI 3404, Generative Fertigungsverfahren - Rapid Technologien (Rapid Prototyping) - Grundlagen, Begriffe, Qualitätskenngrößen, Liefervereinbarungen, 2007.
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