3D Druck mehr als Spielerei? Trends, Potentiale, Verfahren im Detail, praxisnahe Anwendungen

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1 3D Druck mehr als Spielerei? Trends, Potentiale, Verfahren im Detail, praxisnahe Anwendungen Dr.-Ing. Eric Klemp 1 Agenda Das DMRC Die Technologie(n) Lasersintering Selective Laser Melting Fused Deposition Modelling weitere Verfahren Anwendungen, Möglichkeiten und Chancen Dr.-Ing. Eric Klemp 2 1

2 Agenda Das DMRC Die Technologie(n) Lasersintering Selective Laser Melting Fused Deposition Modelling weitere Verfahren Anwendungen, Möglichkeiten und Chancen Dr.-Ing. Eric Klemp 3 Die Entstehung des DMRC Angebots -phase Endauswahl Inbetriebnahme Vertragsunterzeichung Vorauswahl Projektstarts Laufende Projekte Dez 07 März 08 Juni 08 Jan 09 Mai 09 heute Auswahlkriterien: Wissenschaftliche Expertise Erfahrung mit ähnlichen Forschungszentren Vision und Strategie Engagement für Wachstum Förderung Universität Paderborn: Expertise in allen DM-relevanten Gebieten Aktive Beteiligung Universitätsleitung / Land NRW DMRC als gemeinschaftliche Unternehmung Potentielle Industriepartner in naher Umgebung Dr.-Ing. Eric Klemp 4 2

3 20 Partners im DMRC The LEGO Group Dr.-Ing. Eric Klemp 5 20 Industriepartner im DMRC Science & R&D Materials Equipment & Systems Service Provider Enduser Production AM -System Founding Partners The LEGO Group New Partners Dr.-Ing. Eric Klemp 6 3

4 The Direct Manufacturing Research Center - DMRC Technology driven projects Fused Polymer Metal Deposition Laser Laser Modeling Sintering Melting The LEGO Group Cross cutting projects Dr.-Ing. Eric Klemp 7 DMRC Direct Manufacturing Research Center Paderborn Berlin DMRC (Start in 2009): 28 Wiss. Mitarbeiter (Vollzeit) 9 beteiligte Lehrstühle 12 Professoren ~ 100 Studenten Dr.-Ing. Eric Klemp 8 4

5 Beteiligte Institute Lehrstuhl für Technische und Makromolekulare Chemie Dr.-Ing. Eric Klemp 9 Agenda Das DMRC Die Technologie(n) Lasersintering Selective Laser Melting Fused Deposition Modelling weitere Verfahren Anwendungen, Möglichkeiten und Chancen Dr.-Ing. Eric Klemp 10 5

6 Generell: Fertigungsverfahren Abtragende Fertigungsverfahren Drehen Fräsen Erodieren Formgebende Fertigungsverfahren Schmieden Tiefziehen Additive Fertigungsverfahren Direkt aus CAD (Format STL, AMF) Kein Werkzeug Skalierbar Unterschiedliche Verfahren Unterschiedliche Materialien Fast alles ist herstellbar, was auch denkbar ist. Quelle: Gebhardt Dr.-Ing. Eric Klemp 11 CAD- Entwurf Dr.-Ing. Eric Klemp 12 6

7 Movie Konstruktion Dr.-Ing. Eric Klemp 13 Polymer Laser Sinter Verfahren Schichtinformationen Absenken der Bauplattform Auftragen einer Pulverschicht Aufheizen CAD Datensatz Scannen der Schichtinformationen mittels eines Lasers (Sinter Prozess) Fertiges Bauteil Dr.-Ing. Eric Klemp 14 7

8 Lasersintern CO 2 -Laser Scanner Infrarotheizung Vorratsbehälter Pulverbett Überlaufbehälter Bauteile Bauplattform Vorratsbehälter Beschichter Überlaufbehälter Dr.-Ing. Eric Klemp 15 Movie LS Dr.-Ing. Eric Klemp 16 8

9 SLM-Verfahren Schichtinformationen Auftragen einer Pulverschicht Absenken der Bauplattform CAD Datensatz Lokales Aufschmelzen der Bauteilgeometrie Fertiges Bauteil Dr.-Ing. Eric Klemp 17 Laserstrahlschmelzen Ytterbium-Laser Scanner Vorratsbehälter Pulverbett Überlaufbehälter Bauteil Supportstruktur Beschichter Überlaufbehälter Bauplattform Dr.-Ing. Eric Klemp 18 9

10 Movie SLM Dr.-Ing. Eric Klemp 19 FDM Verfahren Prozessbeschreibung Schichtinformationen Erzeugung einer Schicht CAD Datensatz Absenken der Bauplattform Fertiges Bauteil Dr.-Ing. Eric Klemp 20 10

11 Fused Deposition Modeling Baumaterial Stützmaterial FDM-Kopf Bauteil Auftragsdüsen Stützstruktur Bauplattform Plattform Dr.-Ing. Eric Klemp 21 FDM Verfahren Prozessbeschreibung FDM-Kopf Modelmaterial FDM-Kopf Stützmaterial Modelmaterial Rollen zur Materialzufuhr Materialerwärmung Extrusionsdüsen Stützmaterial Bauplattform z x y Dr.-Ing. Eric Klemp 22 11

12 Movie FDM Dr.-Ing. Eric Klemp 23 Agenda Das DMRC Die Technologie(n) Lasersintering Selective Laser Melting Fused Deposition Modelling weitere Verfahren Anwendungen, Möglichkeiten und Chancen Dr.-Ing. Eric Klemp 24 12

13 Verfahren: Stereolithographie Erfinder : Chuck W. Hull (Gründer 3D-Systems) Patentanmeldung im Jahr 1986 Verfahren 3D CAD Konstruktion STL- Format (AMF) Slicen Maschine schichtweiser Aufbau Entnahme externe Aushärtung Umlenkspiegel Aufweitoptik Modulator Niveausensor Bauteil Shutter Laser Scanner Planfeldlinse Recoater Anwendungen Haptische Muster Funktionsmuster Muster zum Abformen Photopolymer Plattform z-antrieb Quelle: Heger Dr.-Ing. Eric Klemp 25 Prinzip Stereolithographie Quelle: Gebhardt Dr.-Ing. Eric Klemp 26 13

14 Stereolithografie Quelle: Dr.-Ing. Eric Klemp 27 Stereolithografie Quelle: Dr.-Ing. Eric Klemp 28 14

15 Industrie vs. Desktop Verfahren 3D Homeprinter 3D Industry Printer Verfahren: Material durch Düse FDM, LS, SLM, Zcorp, LOM, (FDM, FLM, FFF, SDM, ), Stereolithografie, Stereolithografie Preis: 3500 (bereits ab 500 ) > Hersteller: Makerbot, Ultimaker, Cube, etc. Stratasys, EOS, SLM,3D-Systems, Dr.-Ing. Eric Klemp 29 Desktop 3D-Drucker Quelle: Dr.-Ing. Eric Klemp 30 15

16 FLM-Maschine Quelle: youtube.com/watch?v=bguwz5dvnmo Dr.-Ing. Eric Klemp 31 Delta-Kinematik Quelle: youtube.com/watch?v=3efxzti-3b0 Dr.-Ing. Eric Klemp 32 16

17 Lego und 3D-Druck Grundgerüst aus Lego-Steinen Details durch aufgesetzte 3D-Druck Teile Zeitersparnis Quelle: hpi.de Dr.-Ing. Eric Klemp 33 3Doodler Quelle: youtube.com/watch?v=emulhfwchck Dr.-Ing. Eric Klemp 34 17

18 WirePrint - 3d Printed Preview Quelle: hpi.de/baudisch/projects/wireprint.html Dr.-Ing. Eric Klemp 35 Schokoladen-Extrusion Quelle: youtube.com/watch?v=8gykmb6rk-4 Dr.-Ing. Eric Klemp 36 18

19 Metallverarbeitung durch Düse Verarbeitung von strangförmigen Lötzinn Unterschied zur Kunststoffschmelze: niedrigviskose Schmelze Bildquellen: d/file.php?id=355&sid=de42dfa7a aa380b7e5be078ac1cea9d2&mo Dr.-Ing. Eric Klemp 37 de=view DMG MORI Quelle: Dr.-Ing. Eric Klemp 38 19

20 DMG MORI Quelle: Dr.-Ing. Eric Klemp 39 impossible-objects.com/technology/#video Dr.-Ing. Eric Klemp 40 20

21 impossible-objects.com/technology/#video Dr.-Ing. Eric Klemp 41 Agenda Das DMRC Die Technologie(n) Lasersintering Selective Laser Melting Fused Deposition Modelling weitere Verfahren Anwendungen, Möglichkeiten und Chancen Dr.-Ing. Eric Klemp 42 21

22 Möglichkeiten und Grenzen Nein! Diese Bauteile können in besserer Qualität zu geringeren Kosten mit konventionellen Fertigungsmethoden hergestellt werden. JA! Diese Bauteile besitzen eine hohe Komplexität und sind somit geeignet, in vergleichbarer Qualität zu geringeren Kosten in AM hergestellt zu werden (vorausgesetzt, die Konstruktion ist angepasst). Dr.-Ing. Eric Klemp 43 Gibt es eine industrielle Revolution? Source: The Economist 2012 Dr.-Ing. Eric Klemp 44 22

23 Der Hype um das 3D Drucken Source: Gartner (September 2013) Dr.-Ing. Eric Klemp 45 Der Hype um das 3D Drucken Source: Gartner (August 2014) Dr.-Ing. Eric Klemp 46 23

24 Kosten (vorteile) für AM Kosten Additive Manufacturing Kosten Konventionelle Produktion Konventionelle Produktion Stückzahl Gewichtsreduktion Kosten Konventionelle Produktion Additive Manufacturing Komplexität Dr.-Ing. Eric Klemp 47 Erwartungen / Industrien Textiles Toys/collectables Jewelry Automotive Tool/mold making Implants Electronics Armaments Specialty food Industries Furniture Surgical devices/aids Dental Sports equipment Prosthetics/orthotics Aerospace Dr.-Ing. Eric Klemp 48 24

25 Anwendung Kunst: Anna Wilhelmi Dr.-Ing. Eric Klemp 49 or landing on the moon! SLM technology camera adapter SLM technology wheels Dr.-Ing. Eric Klemp 50 25

26 Anwendungen Dr.-Ing. Eric Klemp 51 Chancen für additiven Fertigung Flexible Produktion Funktionsintegration Lagerhaltung / Supply Chain Integralbauweise Geringere time-to-market Designfreiheit / Individualisierung Schnelles Änderungsmanagement Keine Fertigungswerkzeuge Sicherheit gegen Produktpiraterie Dr.-Ing. Eric Klemp 52 26

27 Teilaspekt flexible Produktion Flexible Produktion +?! Keine Werkzeuge Direktes Produzieren aus dem CAD-File Zentrale Datenhaltung Produktion am Ort des Bedarfs Einfaches Änderungsmanagement Kostenvorteile Produkte müssen AM tauglich sein Verfügbarkeit von Wissen / Personal Verfügbarkeit von Material Verfügbarkeit von Kapazität Schnelle Entwicklungszyklen der Technologie Prozessketten entscheiden über Erfolg Dr.-Ing. Eric Klemp 53 Bauteil: Lasersintern Dr.-Ing. Eric Klemp 54 27

28 Impressionen A380 Dr.-Ing. Eric Klemp 55 Design Anwendung: Autonomer Roboter Problemstellungen: Bewegliche Plattform Messung der Drehbewegung Positionierung der Ladung (fotoelektrischer Sensor) Aufnahme der Elektronik Einzelstücke/ Kleinserie Flexibilität Dr.-Ing. Eric Klemp 56 28

29 Funktionsintegartion Dr.-Ing. Eric Klemp 57 Anwendungsbeispiel: Integrierte Ablaufwanne Dr.-Ing. Eric Klemp 58 29

30 Teilaspekt Time to market kürzere time-to-market +?! Keine Werkzeuge Wenige Prozessschritte Direktes Produzieren aus dem CAD-File Schnelligkeit der Prozesse Nachbearbeitungsschritte Kenntnis der Prozessschritte Vernetzung der Prozesse Eignung der Bauteile für den Prozess Prozesswissen entscheidet über Erfolg Dr.-Ing. Eric Klemp 59 AM application: oil-filter case Dr.-Ing. Eric Klemp 60 30

31 AM application: oil-filter case Dr.-Ing. Eric Klemp 61 Konstruktion Dr.-Ing. Eric Klemp 62 31

32 Teilaspekt Designfreiheit Designfreiheit / Individualisierung +?! Die klassische Konstruktion Integration von technischen Möglichkeiten Vorteil durch Prozesswissen Nutzen von bestehenden Ketten und Adaption der Konzepte Konstruktionsrichtlinien müssen bekannt sein Technische Möglichkeiten müssen umgesetzt werden Neue Geschäftsmodelle müssen entstehen Produkt- und Prozesswissen entscheidet über Erfolg Dr.-Ing. Eric Klemp 63 Muster - Platte Dr.-Ing. Eric Klemp 64 32

33 Zähne / Zahnkronen Source: EOS Dr.-Ing. Eric Klemp 65 Ergebnis Konstruktion 2 Fakultät für Maschinenbau Lehrstuhl für Konstruktionsund Antriebstechnik Katapult 2: Klassisches Design Große Beweglichkeit Leichtbau Konstruktion Gelenke Sonderkonstruktion Feder Federspannmechanismus Auslösemechanismus Dr.-Ing. Eric Klemp 66 33

34 Studentische Seminararbeit Fakultät für Maschinenbau Lehrstuhl für Konstruktionsund Antriebstechnik Aufgabe: Design und Bau eines Katapults Einwöchige Seminararbeit Gruppen von fünf Studenten Design für additive Fertigung Fertigung: Laser-Sinter-System des DMRC Dr.-Ing. Eric Klemp 67 Dr.-Ing. Eric Klemp 68 34

35 Design for function Example: Damping of mechanical vibrations Integration of damping functions into already given structures due to internal structures (hollow spaces, trusses ) fill media (e.g. powder, liquids) Adjustment of damping functions to occurring mechanical vibrations due to the design and size of the internal structures the used fill medium and filling level Patent situation Patented by Siemens AG (DE A1) Dr.-Ing. Eric Klemp 69 Teilaspekt Markt / Wettbewerb Markt / Geschäftsmodelle +?! Die klassischen Konzepte ändern sich Integration von technischen Möglichkeiten Vorteil durch Prozesswissen Nutzen von bestehenden Ketten und Adaption der Konzepte Bedürfnissen des Marktes / Pull / Push Neue Geschäftsmodelle sind erforderlich Technisches Know-How muss vorhanden Produkt- und Prozesswissen entscheidet über Erfolg Dr.-Ing. Eric Klemp 70 35

36 Kostenvorteile durch Komplexität Buy to fly ratio - keine Späne Komplexe Bauteile Niedrigvolumige Bauteile AM optimierte Bauteile Dr.-Ing. Eric Klemp 71 Bauteil Wasserpumpenrad Startbedingungen: Salzwasser Aquaristik Große Oberfläche zur Entfernung von Verschmutzungen Kein Patent-Schutz -> Kopie zum ½ Preis Detaillösungen: Konstruktion für AM Dünne Wände / kleine Zellen Bessere Performance Größere Oberfläche durch geeignete Konstruktion Kein konventionelles Spritzguss Bauteil Dr.-Ing. Eric Klemp 72 36

37 Gewichtsoptimierung / Kopierschutz durch geeignetes Herstellungsverfahren Gewichtsreduktion von 515 g auf 305 g (40%) Originalblock wog ca. 16 kg 15,5 kg Abfall AM Materialgewicht = 720 g Kostenreduktion von auf 400 (60%) i Einzigartiges Design! Kopieren nur mit gleichem Verfahren Kenntnis der Prozess-/ Herstellparameter Dr.-Ing. Eric Klemp 73 Vielen Dank! How far can you imagine? Dr.-Ing. Eric Klemp 74 37

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