Additive Fertigung das massgeschneiderte Massenprodukt

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1 Additive Fertigung das massgeschneiderte Massenprodukt ETIF Empa Technology & Innovation Forum Industrie 4.0: Der intelligente Werkplatz der Zukunft Donnerstag, 12. November 2015 Dr. Pierangelo Gröning Empa, Materials Science and Technology Head of the Department Advanced Materials and Surfaces Überlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

2 3D-Druck Fast alles lässt sich drucken! Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

3 3D-Druck: Rapid Prototyping Nützliches Hilfsmittel in der Entwicklung es sind aber nur Modelle Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

4 Massgeschneiderte Massenprodukte Beispiel: Implantate Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

5 3D-Druck Verfahren Stereolithography polymers 3D ink jet printing plaster, resin Fused Deposition Modeling (FDM) polymers Selective Laser Sintering (SLS) metals Selective Laser Melting (SLM) metals Laser direct Metal Deposition (LMD) metals Stereolithography Selective Laser Sintering (SLS) Laser direct Metal Deposition (LMD) Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

6 Vergleich: 3D-Druck Verfahren für Metalle Pulver Bett Direkte Laser Abscheidung Selective Laser Melting (SLM) Electron Beam Melting (EBM) Laser Powder Deposition Laser Wire Deposition Komplexe Geometrien Genauigkeit Geschwindigkeit Wiederherstellung Pulver recycling Hochleistungswerkstoffe Komplexe Geometrien Genauigkeit Wiederherstellung Pulver recycling Produktivität Grosse Teile Geometr. Einschränkungen Pulver Sauber & produktiv 100% Materialverwertung Geometr. Einschränkungen Material Einschränkungen Vakuum Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

7 Etablierte 3D-Druck Anwendungen Auftragsschweissen / Reparaturen Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

8 Selective Laser Melting (SLM) Lohnfertigung AlSi10Mg TiAl6V4 Stahl: Inconel mm Zugfestigkeit: 460 ± 20 MPa 1230 ± 50 MPa 1020 ± 50 MPa Preis: 155, ,00 276,00 Bauteilgenauigkeit: ~ 100 µm Min. Wandstärke: 1 mm Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

9 Werkstoffdatenblatt: X2CrNiMo Chemische Zusammensetzung (in Massen-% nach DIN EN ) C Si Mn P S Cr Mo Ni N min max Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen ( C) Sepz. Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit Mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient Korrosionsbeständigkeit E-Module in GPa bei <20 C C C C C C 165 Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

10 Visionen für den 3D-Druck Einzigartige Möglichkeiten Im Prinzip erlaubt der 3D-Druck Werkstücke mit komplexen Geometrien und anisotropen Materialeigenschaften herzustellen! Eröffnet ganz neue Möglichkeiten!! Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

11 EU-FP7 Projekt OXIGEN Ziele/Ansätze 1. Development and Production of Powder ODS Material (ODS: Oxide Dispersion Strengthened) Ni-/Fe-base superalloys and intermetallics (TiAl) 2. Manufacturing Routes for Component Manufacture Additive Manufacture as Selective Laser Melting (SLM) and Laser Metal Deposition (LMD) 3. Intelligent Design Improved complexity and repair by sub-component replacement 4. Embedded Fibre Optic Sensing Temperature and strain measurement «in service» inside the components Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

12 EU-FP7 Projekt OXIGEN Partner Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

13 EU-FP7 Projekt OXIGEN SLM und LMD Teststrukturen aus TiAl ODS-Legierungen SLM LMD In Zusammenarbeit mit CT der LMD Struktur Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

14 Visionen für den 3D-Druck Beispiele: Das individuelle Implantat / Das digitale Ersatzteillager Was sind die Herausforderungen, dass diese Konzepte funktionieren? Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

15 Laserparameter und Anwendungsbereiche Anwendung: SLM; LMD Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

16 Laserschmelzprozess (I) Plasmawolke Schmelze Schlüsselloch (keyhole) Schweisstiefe Wärmeleitungsschmelzen Tiefschweissen Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

17 Laserschmelzprozess (II) V. G. Niziev et al., Mod. and Num. Sim. of Material Science, 3 (2013) 9 Wärmetransport durch Leitung und Konvektion Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

18 Laserschmelzprozess (III) Marangoni Effekt Oberflächenspannung Thermische Konvektion in der Schmelze aufgrund unterschiedlicher Oberflächenspannungen ( ) Zirkulation von niedriger zur höherer Oberflächenspannung Oberflächenspannung ( (T)) ist temperaturabhängig! (Nimmt mit steigender Temperatur ab) Oberflächenspannung wird stark von Verunreinigungen beeinflusst! Kann zu Instabilitäten in der Schmelze führen und damit die Abmessungen der Schmelzzone (Tiefe vs. Breite) verändern! Beeinflusst die Oberflächenrauigkeit und die Präzision!! Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

19 Selektives Laser Sintern/Schmelzen Kleine Scan-Geschwindigkeit v < v krit Stabiler Prozess Geringere Produktionsleistung Grosse Scan-Geschwindigkeit v > v krit Instabiler Prozess (Poren, Einschlüsse) Höhere Produktionsleistung Thermische Eindringtiefe Diffusionskonstante: D = Für CW Laser: κ : Wärmeleitfähigkeit c p : Wärmekapazität ρ : Dichte Laser Spot v Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

20 Erfahrungen aus dem Digitaldruck Prozesskontrolle Ohne Prozesskontrolle geht fast gar nichts!! Farbspektrometer Gammut Mapping Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

21 Fertigung im 3D-Druck Herausforderungen / Forschungsbedarf Produktivität / Qualität Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Präzision / Güte Geringere Oberflächenrauheit Höhere Produktionsgeschwindigkeit (x10!) Weniger Nachbearbeitungen Pulveraufbereitung / Pulver-Recycling Design Rules Prozesskontrolle / Qualitätsmanagement Reproduzierbarkeit / Prozessstabilität Prozessteuerung / -regelung Qualitätsmanagement Datensicherheit Automatisierung Prozessintegration (Kombinieren mit anderen Herstellungsprozessen) Datensicherheit Rechtliche Fragen Internet der Dinge / Produktehaftung? Businessmodelle Wirtschaftlichkeit (Hohe Wertschöpfung) (Festigkeit, Ermüdungsverhalten) (heute typisch: m/s; 10mm 3 /s) (Sensorik / Software) (Vom Pulver bis zum Endprodukt) Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

22 Empa Diamant Saphir Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

23 Empa Flamm-Synthese (TiO 2, SiO 2, Y 2 O 3, / kg/day) Plasma-Synthese (TiC, TiN x C y, Si, SiC, WC, / kg/day) Si Nanopartikel Synthese Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

24 Vision: Center of Advanced Manufacturing Phase 1: Coating Competence Centre (im Aufbau) INGENIA (High-Power Impulse Magnetron Sputtering) Modular Sheet Printing System Cluster Tool (Ultra-High Vacuum Deposition System) Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

25 Vision: Center of Advanced Manufacturing Phase 2: Integration Laser Zentrum und SLM Anlage Selective Laser Melting Anlage Excimer Laser Anlage Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

26 Fertigung im 3D-Druck Fazit Der 3D-Druck von metallischen Werkstücken ist heute noch im Stadium der Manufaktur! Der Weg von der Manufaktur zur industriellen Fertigungsmethode geht einzig über bessere Drucker! Die heutigen Rohmaterialien (Pulver) sind für den 3d-Druck nicht optimiert! Die Integration des 3D-Drucks in industrielle Fertigungsprozesse erfordert neue Businessmodelle! Einzelstückfertigung in Rahmen von Industrie 4.0 ist in vielen Bereichen (z.b. Produktehaftung, Zertifizierung, ) rechtliches Neuland! Dr. Pierangelo Gröning / Empa / ETIF / 12. November

27 HF Krug, , NANO2010 Rom