Light Engineering durch 3D Laserdrucken

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1 Development Consulting Education Research Light Engineering durch 3D Laserdrucken Dipl.-Phys. 18. Juni 2014

2 Overview 1. ilas / LZN 2. Laser Additive Manufacturing (LAM) 3. LAM gerechtes Design 4. Material und Bauteileigenschaften 5. Zusammenfassung 2

3 Laser Zentrum Nord Technologietransfereinrichtung für photonische Produktionstechnik gegründet am Grundsteinlegung am Fertigstellung und Bezug IV. Q 2011 ca. 35 Beschäftigte (LZN / ilas) mit einem Jahresumsatz von 3 Mio. (2013) Investitionen für das LZN: - 3 Mio. Freie und Hansestadt Hamburg - 11 Mio. Konjunkturmittel des BMWI zzgl. Industriebeteiligungen: 2 Mio. Körber 6 Mio. Maschinenbau Σ 22 Mio. ( 8 Mio. Gebäude, 14 Mio. Anlagen) Mit dem LZN gelingt der Brückenschlag aus der Forschung in die Industrie! 3

4 Geschäftsidee des LZN mit 6 Kompetenzfeldern und Ausbildung und Schulung RoLAS SynLAS ShipLAS AirLAS MedLAS ToolLAS Technologietransfer in die Industrie / Ausbildung und Schulung LZN GmbH Produkt Prozess Optik System Forschung & Entwicklung / Lehre ilas & TU Hamburg-Harburg 4

5 Overview 1. ilas / LZN 2. Laser Additive Manufacturing (LAM) 3. LAM gerechtes Design 4. Material und Bauteileigenschaften 5. Zusammenfassung 5

6 Herausforderungen des Marktes Varianten- Vielfalt und Komplexität Entwicklungszeit Produktlebenszyklus Losgröße je Bauteil Rohstoffpreise Kosten je Bauteil konventionelle Fertigung Quelle: nach EOS, communityspark.com, zetec.de, prairieecothrifter.com, productiveflourishing.com, wikimedia.com, european-americanblog.blogspot.com

7 Die industrielle 3D-Druck-Revolution hat begonnen! Bürodrucker für Kunststoffmaterialien für ca erobern die Schulen, Hochschulen, Büros und die zukünftige Konstruktionstechnik. Bürodrucker (beheizte Düse) Quelle: Hafner s Büro Industriedrucker (Laser) Schweißbare, technische Werkstoffe in Kunststoff und Metall werden für die Medizin- und Luftfahrttechnik genutzt und ebnen den Weg in die industrielle Fabrikation. Industrielle 3D-Laser-Druckfabrik Neuartige Wertschöpfungsketten (Bionik, Automatisierung, Qualitätssicherung) werden entwickelt und führen mit bis zu fach schnelleren Lasermaschinen zum Durchbruch dieser Technik in allen Branchen in den nächsten Jahren! Bedarf: Ausbildung, Konstruktionsmethodik, Prozesstechnik, Anlagentechnik, Fabrikinfrastrukturen

8 Prinzip des Laser Additive Manufacturing (LAM) Einkomponentige Werkstoffe Edelstahl, Werkzeugstahl Aluminium-Legierungen Reintitan und Titan-Legierungen (TiAl6Nb7,TiAl6V4) nach: Leistner

9 Additive Manufacturing (AM) Verfahrensvorteile einfache Datenvorbereitung direkt aus den CAD-Daten hohe geometrische Gestaltungsfreiheit Leichtbau-Konstruktionen Funktionsintegration integrale Bauteilgestaltung simultane Fertigung von verschiedenen, individuellen Bauteilen endkonturnahe Fertigung hohe Wiederverwertbarkeit des nicht genutzten Pulvers Reduktion der time-to-market

10 Wird mit Laser Additive Manufacturing (LAM) der Traum eines jeden Konstrukteurs wahr? honeybuild.com LZN EOS hrsflow.eu Within TUHH- ilas Renishaw

11 Herausforderungen des 3D Laser Drucken Designrichtlinien Materialeigenschaften Qualitätssicherung Eigenspannungen Know-how begrenzt auf Experten konv. Methoden erschließen nicht das volle Leichtbaupotential konv. CAD Software begrenzt die Design Möglichkeiten fehlende Materialkennwerte besonders für Fatigue begrenzte Verfügbarkeit hochfester Werkstoffe Großzahl an Prozessparametern Prozessinstabilität verursacht Qualitätsmängel keine in-process Regelung thermisch induzierte Eigenspannungen durch Schweißprozess Delamination verursacht Prozessabbrüche Poren Zugversuche Risse Delamination 11

12 Overview 1. ilas / LZN 2. Laser Additive Manufacturing (LAM) 3. LAM gerechtes Design 4. Material und Bauteileigenschaften 5. Zusammenfassung 12

13 Methoden struktureller Optimierung Wahl des Design Wahl der Materialeigenschaften Aluminium Stahl Composites Topologieoptimierung Gestaltoptimierung Dimensionierung Source: Schumacher

14 LAM gerechtes Design Integration struktureller und gewichtsmäßiger Optimierung in das Design Planungsphase Liste der Anforderungen Konzeptionsphase strukturelle Optimierung Interpretation der Ergebnisse 3D-CAD-Modellierung Innovation durch LAM Kombiniert mit Bionik Designphase FE - Analyse Finales Design

15 LAM gerechtes Design Design Vorgaben Entwicklung von verfahrensgerechten Vorgaben und empfehlenswerter Methoden Einschränkungen durch das Verfahren oft unbekannt

16 Suchfeldanalyse bionische Leichtbaustrukturen Quelle: sciencefoto.de, Nachtigall, Hill, Matheck, bambus.de

17 Bionisches Design für 3D Druck Bionik-Katalog Bionikkatalog Topologieoptimierung Strukturprinzip technische Abstraktion 1. form 2. load 3. Leichtbauprinzipien bird s bone 17

18 Produktentwicklungsprozess Anforderungsliste Strukturoptimierung Ergebnisinterpretation Neumodellierung in CAD FE - Analyse End - Design Ergebnisgeometrie Geometrisch komplexe Fachwerkstruktur Direkte Abbildung mit konventionellen Verfahren schwierig Interpretationsanregung durch bionische Suchfeldanalyse

19 Zukunft Manufacture for design manufacture for design benötigt neue Herangehensweisen für die Produktentwicklung

20 A350 Business Case Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der laseradditiven Fertigung Production time/part (h) 30 Anzahl optimierter Haltestrukturen parts/job 1 part/job Industrial building speed (cm³/h) kumulierte Gewichtsersparnis durchschnittliche Mehrkosten [state-of-the-art] durchschnittliche Mehrkosten [nächste Maschinengeneration] 85 kg + EUR 312,-/kg + EUR 133,-/kg Ergebnisse des A350 Business Case unterstreichen das Potenzial der laseradditiven Fertigung und Bionik für Luftfahrtanwendungen

21 Potenzial der laseradditiven Konstruktion und Fertigung (LAM) Gewichtsreduktion von 80% Reduktion der Druckverluste um 50% Integration von zusätzlichen Funktionen möglich: Sensoren, Kühlrippen

22 Potenzial lasergenerierter Werkzeuge mit innovativen Kühlstrukturen und pneumatischen Druckluftauswerfern Vorteile von Kühlstrukturen Senkung der Zykluszeit Verringerung des Bauteilverzugs durch gleichmäßige Abkühlung endkonturnahe Fertigung Vorteile von Druckluftauswerfern keine mechanischen Komponenten gleichmäßige mechanische Belastung des Artikels Plagiatsschutz

23 Hüftimplantat mit Oberflächenmodifikation digitales Modell zur Datenvorbereitung und Gitterapplikation Laseradditiver Fertigungsprozess Implantat mit Oberflächenmodifikation

24 Overview 1. ilas / LZN 2. Laser Additive Manufacturing (LAM) 3. LAM gerechtes Design 4. Material und Bauteileigenschaften 5. Zusammenfassung 24

25 Alternative Belichtungsstrategien zur Spannungsminimierung für Titanwerkstoffe 150% 1 2 Verzug normiert auf Referenz 100% 50% 0% 3 x y Standardbelichtung 1 1,5 3 Streifenbreite gedreht 1 stochastisch Schachbrett 3mm lang 2 kurz adapt. Pilger-schritt in-aus-in 3 Hilbert flächenfüllende Kurven außen innen 4 symmetrische Belichtung mehrfach 4 Industrielle Referenzparameter der SLM250HL = 100% Hohes Potential zur Spannungsminimierung durch Beeinflussung der zeitlichen und örtlichen Belichtungsabfolge 25

26 Materialeigenschaften übertreffen die Anforderungen der Normen für TiAl6V4 Dichte > 99,6% Mikroporosität < 30 µm einzelne Poren > 50 µm fein lamellare, martensitische Mikrostruktur Streckgrenze / Zugfestigkeit: 1070 MPa / 1140 Mpa Bruchdehnung: 10.5%

27 Dauerfestigkeit von laseradditiv gefertigtem TiAl6V4 erreicht Festigkeiten konventioneller Technologien 800 Aufbaurichtung: 90, R= 0.1 polished poliert peened gestrahlt unbehandelt as build Oberspannung σ max [MPa] ,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 Schwingspielzahl Dauerfestigkeit Walzmaterial Dauerfestigkeit Guss The research project TiLight on which the results are based is funded by the Bundesministerium für Bildung und Forschung" under the support code 03CL20B

28 Dauerschwingbeanspruchung unbearbeiteter LAM- Bauteile critical surface LAM lightweigth structure Bionische LAM Bauteile haben schlecht bis gar nicht zugängliche Oberflächen Hohe Oberflächenrauheit bei unbearbeiteten LAM Bauteilen (α = 90 ) R a =13 µm, R z =63 µm, R t =91 µm Niedrige Dauerfestigkeit durch hohe Oberflächenrauheit 600 as built, R = 0.1 max. stress σ max [MPa] E+04 1E+05 1E+06 cycles to failure 1E+07 Dauerfestigkeit eines Bauteils aus TiAL6V4 bei 210 MPa Rissbildung von vielen Stellen an der Oberfläche ausgehend

29 Polierte Bauteile haben hohe Dauerfestigkeit Wärmebehandlung bei 650 C im Vakuum für 3h mit Argonkühlung Dauerschwingversuche nach DIN load ratio of R = 0.1 frequency of 50 Hz Dauerfestigkeit bei 520 MPa max. stress σ max [MPa] polished, R = E+04 1E+05 cycles to failure 1E+06 1E+07 Ermüdungsversagen streut aufgrund von Fehlern im Material in Regionen hoher Spannung Unzureichende Anbindung der Schichten Einschlüsse Poren

30 Overview 1. ilas / LZN 2. Laser Additive Manufacturing (LAM) 3. LAM gerechtes Design 4. Material und Bauteileigenschaften 5. Ausblick 30

31 Steigerung der Wirtschaftlichkeit durch neuste Maschinengeneration SLM 500 HL by SLM Solutions X 1000R by Concept Laser EOS M 400 by EOS Bauraum: 500x280x325 mm³ 2 Strahlquellen für Skin-Core Belichtung Laserleistung: 2 x 400/1000 W Quelle: SLM Solutions; Concept Laser, EOS Bauraum: 630x400x500 mm³ 1 Strahlquelle für Skin-Core Belichtung linear-verfahrbare Optik Laserleistung: 1000 W 2 drehbare Baukammern Bauraum: 400x400x400 mm³ modulares Plattformkonzept (Prozess- & Rüststation) Laserleistung: 1000 W 31 Vergrößerung max. Bauteilabmessungen: Vergrößerung Bauraum: Vergrößerung Bauteilgewicht: 2-fach 7-fach 7-fach Werte abhängig von gewähltem Maschinenkonzept

32 LZN-Forschung für zukünftige Bauteilstrukturen mittels additiver und Blechfertigung Erzeugung kraftflussoptimierter Großstrukturen optimierte Rumpfsektionen & Flügelstrukturen Einsatz der Topographieoptimierung und bionischen Design-Prinzipien Applikation optimierter Versteifungsrippen Erzeugung gradierter Strukturen Einsatz neuer Hochleistungswerkstoffe Überführung der Erfahrungen aus der pulverbettbasierten Fertigung Kombination additiver Fertigung und Blechfertigung wirtschaftliche Fertigung großer Stückzahlen Quelle: Virginia Polytechnic Institute Design: Airbus Innovation Cell