3D-Druck. Additive Fertigung in der Automobilindustrie

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1 3D-Druck Additive Fertigung in der Automobilindustrie Additive Fertigung in Metall zukünftige Entwicklungsfelder und neue Materialien A.B. Spierings Head R&D SLM Inspire AG innovation centre for additive manufacturing, Switzerland (icams) Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 1

2 Agenda Teil I Inspire AG - icams Teil II Additive Fertigung in Metall Teil III Materialien für additive Fertigung Teil IV Entwicklungsthemen Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 2

3 Teil I Inspire AG - Innovation centre for additive manufacturing, Switzerland Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 3

4 Wer ist inspire? INSPIRE Strategischer Partner der ETHZ inspire ist ein hochschulnahes Kompetenz-Zentrum für die Schweizer Maschinenindustrie, betreibt Forschung für die Industrie und löst Probleme in allen Wissensgebieten. eine gemeinsame Initiative von Swissmem, der Eidg. Technischen Hochschule Zürich (ETH) und des Bundesamtes für Berufsbildung und Technologie (BBT). Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 4

5 Wer ist inspire? ETH Zurich Gebäude Empa St.Gallen, icams Technopark Zurich, Headquaters Aktivitätsfelder / institute - Iwf-processes: Grinding, Cutting, EDM, - Iwf-machines: Process- und Machine development - Iwf-micromachining: Laser- & mikrofabrication - Icams: Additive Manufacturing (SLS, SLM) - Ipdz: Design for AM & CAD - Ics: Composite-Structures - Icmi: Material integrity - Ifa: Energy - Ivp: Virtual production / sheet metal forming Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 5

6 F&E Fokus im Bereich SLM Materialien AM-Prozesse Anwendungen Anlagentechnik Pulver- Anforderungen Materialien für additive Fertigung Hybride Materialien Optimierte Legierungen Material Charakterisierung Mikrostruktur Mechanische Eigenschaften Prozessfenster & Materialqualifizierung Prozess Simulation Spannungen Prozess-Effekte Prozessierfähigkeit von Materialien Produktivität «Design for AM» Leichtbau- Strukturen Strukturell optimierte Bauteile / Topologie- Optimierung Vor-Serien Entwicklung Maschinen- Konzepte & Optimierung von Teilprozessen QS-Methoden für AM-Prozesse Standardisation (ASTM-ISO, VDI) Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 6

7 Teil II Additive Fertigung in Metall Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 7

8 Industrielle additive Fertigungstechnologien Selective Laser Melting (SLM) & -Sintering (SLS) Energiequelle Laser Verfahren Pulverbett SLM Metalle SLS Kunststoffe (v.a. Basis PA12, PP) source: ISO Vorteile Kleine und mittelgrosse Teile Sehr hohe Teile- Komplexität Hohe Material-Vielfalt Nachteile Keine Grossteile Eher geringe Produktivität source: inspire Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 8

9 Chancen in der Nutzung additiver Fertigung Neue Produktionsalternativen Neue Business- Cases Customizing AM-Optimierte Legierungen Hybrid-Materialien «Complexity for free» source: inspire Design for AM Optimierte Funktionalität - Leichtbau - Strömungskanäle - Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 9

10 Anwendungsbereiche & Branchen Materialien für praktisch alle Branchen Entwicklung neuer, auf den SLM- Prozess abgestimmte Materialien Schmuck Leichtbau / Fahrzeug- / Flugzeugtechnik / Space Medizinaltechnik, Space Turbinenbau Maschinenbau, Fahrzeugbau, Medizinaltechnik Neue Materialien für SLM - Hybrid-Materialien / MMC, Gold, Silber, Bronze div. Legierungen Aluminium AlSi12, AlSi10Mg, Struktur-Legierungen Titan Ti6Al4V, Ti-Grade 2, Ni-Basis IN738, IN718, IN625, H230, Fe-Basis / / , , u.v.m. Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 10

11 AM in der Automobil-Industrie Direkte Fertigung von Bauteilen Anforderungen an Materialien & Prozesse Serienfertigung Kleine- / mittlere Serien High-added-value parts Customizing Materialeigenschaften Prozess-Stabilität Produktivität Kleine Serien Customizing Concept Cars Sonder-Anfertigungen Motorsport Case: «Bentley» / RollsRoyce Materialeigenschaften Prozess-Stabilität Kleinserienfertigung Prototypenfertigung in Entwicklung Modelle Einzelteile Tool-less & Rapid Materialien Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 11

12 Teil III Materialien Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 12

13 Fahrzeug-Strukturteile Materialien Stähle Beispiel source: inspire & BMW Grosse Vielfalt an div. Legierungen In vielen Fällen sehr gute Eigenschaftsprofile ABER Nicht alle wünschenswerten Legierungen sind zuverlässig verarbeitbar. Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 13

14 Fahrzeug-Strukturteile in Leichtbau Materialien Typische Al-Guss- / Knetlegierungen AlSi12 (44xxx) Eutekische Legierung Hoher Warmrissbeständigkeit Hohe chemische Beständigkeit AlSi10Mg (43xxx) Naheutekische Legierung Gute Warmrissbeständigkeit Hohe chemische Beständigkeit Aushärtbar Gehäuse Kolben Zylinderköpfe, Kolben source: Buchbinder, D., et.al; Selective Laser Melting of Aluminium Die-Cast Alloy; DDMC Demmer, A.: Berlin, Germany p. 6 Eigenschaften durchaus Vergleichbar mit / besser als Standard-Material Typische Eigenschaften von AlSi12 Vergleich additiver Fertigung (SLM) mit konventioneller Fertigung Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 14

15 Fahrzeug-Strukturteile in Leichtbau Materialien Für Struktur-Anwendungen In Anwendungen wie Automobil-Industrie Flugzeugbau / Raumfahrt Sportgeräte Anforderungen Hohe Festigkeit R m Hohe Streckgrenze R P0.2 Hohe Duktilität / Bruchdehnung Hohe Temperaturstabilität Gute Korrosionseigenschaften Beispiele: Al-6061 Al-7050 / -75 Für additive Fertigung - Al-6061 by Morris Technology (heute GE) - Scalmalloy (by Airbus) Nutzung der spez. Prozess-Möglichkeiten von AM Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 15

16 Fahrzeug-Strukturteile in Leichtbau Materialien Eigenschafts-Profil Scalmalloy (additiv verarbeitet) Al-Mg4.5 Sc0.66 Zr0.37 Si0.17 Aushärtbar Gute SLM-Prozessfenster Dichte 99.5% ohne HIP Dichte 100% nach HIP Mechanische Eigenschaften Ohne HIP _ ausgehärtet R m > 480 MPa R P0.2 > 445 MPa E-Modul = 70 GPa Bruchdehnung 10% Sehr wenig Anisotropie (< 1%) betr. Aufbaurichtung R p - AlSi10Mg AlSi10Mg Source: inspire-icams Hervorragende Ausgangslage für Strukturanwendungen Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 16

17 Neue Material-Optionen mit SLM Materialien Beispiel: Metall-Diamant-Composite Einbindung von Diamantpartikel in eine metallische Matrix Gute Abrasionseigenschaften Hohe Wärmeleitfähigkeit Metall-Diamant Hybridwerkstoff Source: inspire-icams Design von Materialeigenschaften Neue Anwendungsfelder Spierings, A.B., et.al; Processing of metal-diamond-composites using selective laser melting. 2015, Rapid Prototyping Journal, 21(2): p Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 17

18 Teil IV Entwicklungs-Themen Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 18

19 Additive Fertigung heute Grosses Potential, auch für die Automobil-Industrie ABER Etliche Entwicklungsfelder stehen nach wie vor offen Keine «Prototypen-Anlagen», sondern echte Produktionsanlagen Prozesskontrolle / Qualitätssicherung (Prozess-Stabilität & -Fähigkeit) Automatisierung der gesamten Prozesskette Anwendungs-spezifische Anlagenkonzepte / Hybrid-Fertigung: «additiv & konventionell» Höhere Produktivität Fertigung von Grossteilen Standardisierung DMG-Mori: Lasertec 65 Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 19

20 Entwicklungsfelder Qualitätssicherung Ein Muss für Automobil-Industrie, Turbinen-Anwendungen, Space / Aerospace denn: «Welches Prozessfähigkeit c pk kann z.b. SLM bieten? Haben wir ein c pk < 1.0? = Prozess? = Prozess? oder gar mehr? Durchgängiges «QS-System-4-AM» Messgrössen - Partikelgrössen-Verteilung - Pulver-Fliessfähigkeit - Melt-pool monitoring - Dichteverlauf über den Baujob - Prozess-parameter -? Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 20

21 Entwicklungsfelder Qualitätssicherung Beispiel Ok, das ist etwas wenig für eine Statistik 7 x 2 = 14 Stichproben, SLM-AlSi12 X_quer R Chart Messung der Dichte c pk = c pku < 1.0 -Level 1.0 Der Prozess ist soweit stabil Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 21

22 Entwicklungsfelder Fertigung grösserer Teile Gross-Teile Internationales Projekt Dimensionen: bis 5m Abmessung Masse: bis kg Umfang 20 Mio. Wire-feed AM Source: Cranfield Univ. Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 22

23 Schlussfolgerungen Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 23

24 Zusammenfassung Additive Fertigung bietet sehr viele Optionen für viele Branchen, insb. auch für die Automobil-Industrie aber Qualitätssicherung (Prozessstabilität und -Fähigkeit) ist ein Muss ist heute industrie-tauglich Wir sind erst am Anfang viele Entwicklungsthemen stehen an. Standardisierung bietet eine grosse Materialvielfalt, inkl. Optionen für «neue» Materialien «Materials for AM» Legierungs- Variationen & -Anpassungen an den AM-Prozess sind fallweise notwendig. Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 24

25 A.B. Spierings Head R&D SLM Lerchenfeldstrasse St.Gallen spierings@inspire.ethz.ch Spierings, Adriaan 10/2015 inspire AG 25