Leider Nein! Hype Cycle. Schlagwörter SLS Kann jeder Werkstoff gedruckt werden? Thermoplastische Werkstoffe für SLS und FDM

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1 Kann jeder Werkstoff gedruckt werden? Thermoplastische Werkstoffe für SLS und FDM IHK Essen, Essen Jan Blömer, Jürgen Bertling Generative Verfahren Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen Leider Nein! 3D Drucken vs. Additive Fertigung (VDI) 2 Verfahren SLS Selektives Lasersintern für Serienanwendungen FDM Fused Deposition Modeling für Heimanwendungen Thermoplaste Anforderungen und Randbedingungen Verfahren Materialien Folie 1 Folie 2 Schlagwörter Hype Cycle Levy 2003, Wheelwright1992 Keine Werkzeuge / Stückzahl 1 Optimale Strukturierung / Leichtbau Produktion nach Bedarf, keine Überproduktion Kein Abfall, keine Zerspanung Ersatzteilproduktion Dezentral Ressourcen schonend / Nachhaltig Industrie 4.0 Gartner 2013 Folie 3 Folie 4 SLS PA12 Marktanteil >> 90% Ein Lieferant: Evonik Degussa, Marl Gründe: Hohe Prozess-Sicherheit Gefälltes Pulver Eigenschaften wie durchschnittlicher Spritzguss Hersteller EOS, München 3D-Systems, USA Injection moulded SLS Property PA12 PP PE-HD PA 12 Tensile Strength [MPa] Young s Modulus [MPa] Elongation at break [%] HDT (@1,82 MPa) [ C] Folie 5 Folie 6 1

2 (Teil-)kristallin Idealer isothermischer Lasersinterprozess (DSC-Analyse) Materialien schrumpfen beim Kristallisieren Amorph Glasübergangstemperatur Höhere Viskosität Porösere Bauteile Aber (TPU) DSC Kurven Folie 7 Folie 8 Produktivität / Industrie 4.0 Produktivität 1 kg Produkt / Tag Rohmaterial EUR / kg Dienstleister Mittelständische Firmen Shapeways(Eindhoven) $ 1,4/cm^3 + $1,5/# >20g $ 0,7/cm^3 >10L $ 0,0385/cm^3 + $1,5/# Sculpteo (Frankreich) EOSint P L Volumen 75 kg Pulver 5% Ausbeute 6mm/h Vorschub 4 Tage Leichtbau Bau beliebiger, hoch optimierter Strukturierungen Bionische Umsetzung von Vorbildern aus der Natur Bernotat, Folkwang Universität Folie 9 Folie 10 Leichtbau - Alterung und Recycling SLS manual injection moulded metal processing High CR- PP PA12 Duraluminium Steel perf. PA12 CRP* PA12 GF30 GF50 steel Density [g/cm 3 ] Alterung durch Nachvernetzen des PA 12 Schmelztemperatur steigt Kristalinität sinkt Viskosität (MFR) steigt Fließfähigkeit des Pulvers sinkt Auffrischung des Pulvers mit 30% bis 50% Frischpulver Young s Modulus [N/mm 2 ] Strength [N/mm 2 ] specif. Y.M. [Ncm 3 /mm 2 g] new (30%) Abfall Bauteil = 5 specif. Str.[Ncm 3 /mm 2 g] Polyamide 12 filled with CarbonShort Fiber [WindformXT by CRP-Technolgy] part (5%) recycled (70%) waste (25%) Folie 11 Folie 12 2

3 Resourchenverbrauch MIPS Konzept (Wuppertal- Institut) Material Input Per Serviceunit Injection Moulding (PP) SLS (PA12) Contribution Amount Abiotic Mat. Amount Abiotic factor Abiotic Mat. Raw material 1 kg kg (PA 6,6) 5.5 kg/kg 5.5 Loss material 5 kg 5.5 kg/kg 27.5 Grinding 800 kwh/ton 3.15 kg/kwh 15.1 Liq. Nitrogen 2 kg/kg 0.8kg/kg 9.6 Processing 60 kwh/ kg 3.15 kg/kwh Inj.Moulding (overall) 1kg 2.15 Transport [kg / 1 kg / 1000 km] Bahn 0,08 LKW 0,22 Sprinter 1,34 See 0,09 Sum Neue Materialien Prozessschritte Compoundierung Pulvererzeugung (kryogene Mahlung) Konfektionierung (Sieben) Additivierung, Dry Blends Charakterisierung Pulver Sintertests Charakterisierung Bauteil Dünnschnitte REM [Fraunhofer UMSICH 2012] Folie 13 Folie 14 Lasersinterversuchstand Mahlbarkeit Pulverfließfähigkeit (Hausnerzahl, temperaturabhängig!) Nullscherviskosität Thermische Eigenschaften DSC Schrumpf V o lu m e n [ m l ] Messwerte Stampfvolumeter Vestamid E55S3 Silibeads TPU Orgasol Duraform Mehl Typ U 3014 U Mini SLS-Anlage Experimentierplattform für neue Prozesskomponenten Teststand für Materialien Materialmengen ca. 500 ml Prozessbedingungen wie in großen Anlagen 190 C (Ziel 230 C) 30 W CO2 Laser 5 m/s Scangeschwindigkeit Inertisierung N2 [Fraunhofer UMSICH 2012] 160 PE Grün Anzahl Hübe Folie 15 Folie 16 Lasersinterverhalten Neue Materialien - TPU Viskosität der Schmelze Verzug SLS Bauteile können sich deutlich von Spritzgießbauteilen unterscheiden Niedrigere Verarbeitungstemperaturen Weniger Alterung Geringer Schrumpf Preiswerter TPU (amporph!) Lehmann & Voss, Bayer MS Folie 17 Folie 18 3

4 Maskensintern / High Speed - Sintern High-Speed-Sintern Prof. N. Hopkinson, Sheffield FDM Maskensintern SintermaskGmbH (Entwicklung eingestellt) Folie 19 Folie 20 Resourcenverbrauch Resourcenverbrauch Klebrigkeit bei polymeren Oberflächen ist abhängig v FabLab GWP kg/h Emissionen [kg CO2-Equiv./kg Bauteil] 40 20? Replicator 1 Stratasys Prusa Mendel Spritzguss [Allwood, Gutowski (2011)] Folie 21 Folie 22 Abfallfreiheit - Bauteilqualität Freeformer Stützmaterialien nötig bei Überhängen Ersatzteile Ersetze schwache Spritzgussbauteile durch schwächere FDM Teile Materialien ABS und PLA Flexible Materialien schwierig Verzug problematisch Fa. Arburg K 2013, Düsseldorf 2 feststehende Extruder Bewegte Platform(3 / 5 Achsen) Handelsübliches granulares Material Folie 23 Folie 24 4

5 Zusammenfassung Nicht alle Schlagwörter sind zutreffend! Verfahren sind 25 Jahre alt Evolution statt Revolution SLS Leistungsfähiges Verfahren für besondere Anwendungen Alternative Materialien nötig Alternative Prozessenötig FDM Prototyping Heimanwendungen Folie 25 Folie 26 5