Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung?

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1 Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung? Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl Alexander Arndt, M.Sc. Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) Fachbereich Maschinenbau Technische Universität Darmstadt Campus Lichtwiese Otto-Berndt-Straße Darmstadt AA Folie 1

2 Gliederung Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung? 1. Einleitung 2. Grundlagen der generativen Fertigung 3. Digitale Prozesskette generative Fertigung 4. Vom Prototypen zur Massenfertigung 5. Ausblick und Zusammenfassung AA Folie 2

3 Gliederung Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung? 1. Einleitung 2. Grundlagen der generativen Fertigung 3. Digitale Prozesskette generative Fertigung 4. Vom Prototypen zur Massenfertigung 5. Ausblick und Zusammenfassung AA Folie 3

4 Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) Fachbereich Maschinenbau Leitung: Prof. Dr.-Ing. R. Anderl 20 Wissenschaftliche Mitarbeiter 4 Technisch-administrative Mitarbeiter, 60 Wissenschaftliche Hilfskräfte Internationale Kompetenzen und Erfahrungen im Bereich: Informationsmodellierung Virtuelle Produktentwicklung, 3D-Produktentstehungprozess / Optimierung Prozess Integration Industrie April 2013 Fachbereich 16 Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion Prof. Dr.-Ing. R. Anderl AA Folie 4

5 Generative Fertigung - Industrielle Revolution? Jan Jun USA: Jede Schule bekommt einen eigenen 3D-Drucker Nov Okt Schallplatten aus dem 3D-Drucker Dez Jan AA Folie 5

6 Hype Cycle nach Gartner Quelle: gartner.com AA Folie 6

7 Gliederung Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung? 1. Einleitung 2. Grundlagen der generativen Fertigung 3. Digitale Prozesskette generative Fertigung 4. Vom Prototypen zur Massenfertigung 5. Ausblick und Zusammenfassung AA Folie 7

8 Prinzip der generativen Fertigung Generativ (lat. generare) - erzeugend, urformend - hier: Aufbauende Verfahren, z.b. elementweise oder schichtweise, additiv. [Quelle: VDI 3404] Bauprinzip generativer Fertigungsverfahren CAD-Modell Slice-Prozess Bauprozess Quelle: VDI 3404 AA Folie 8

9 Verfahren* Technologie Ausgangszustand Klassifizierung generativer Fertigungsverfahren Generative Fertigungsverfahren Fest Flüssig Draht Pulver/Granulat Folie Flüssigkeitsbad Aufschmelzen und Erstarren Heizdüse/ Extruder Schmelzen und Verfestigen Laserstrahl Verkleben mit Bindern Binderdüse Ausschneiden und Fügen Laserstrahl oder Messer Photopolymerisation Laserstrahl Fused Layer Modeling (FLM) Selektives Laser Sintern (SLS) 3D - Printing (3DP) Layer Laminated Manufacturing (LLM) Stereolithographie (SL) Selective Laser Melting (SLM) *Auflistung der gängigsten generativen Fertigungsverfahren AA Folie 9

10 Beispielbauteile Werkstoffe Prinzipdarstellungen Verfahrensprinzipien (1) Fused Layer Modeling (FLM) Selektives Laser Sintern (SLS) Selective Laser Melting (SLM) Beheizte Düsen Bauteil (erstarrtes Thermoplast) Laser Gesintertes Bauteil Laser Verfestigtes Bauteil Stützkonstruktion Nicht versintertes Pulver Pulver ABS und PLA Polyamide Metalllegierungen Quelle: Alphaform Quelle: Fraunhofer IPK AA Folie 10

11 Beispielbauteile Werkstoffe Prinzipdarstellungen Verfahrensprinzipien (2) 3D - Printing (3DP) Layer Laminated Manufacturing (LLM) Stereolithographie (SL) Druckköpfe Verklebtes Bauteil Laser Laser Bauteil (verfestigtes Harz) Nicht gebundenes (loses) Pulver Block mit eingebettetem Bauteil Polymerbad (flüssiges Harz) Gips(-Keramik)-Pulver und Stärke-Pulver Papier-, Polyester- und glasfaserverstärkte Folien Epoxydharze und Acrylate Quelle: 3DSystems Quelle: RTejournal Quelle: hoerdler/z-prototyping AA Folie 11

12 Einsatz physischer Modelle im Produktentstehungsprozess Konzept Design Konstruktion Teile Konstruktion Werkzeuge Vorbereitung Produktion Vorserie Produktion Konzeptmodell Geometrieprototyp Funktionsprototyp Technischer Prototyp Produkt (Serienteil) Quelle: VDI 3404 AA Folie 12

13 Material- Vergleich generativer Fertigungsverfahren Senkrechte Mindestwand- Quelle: Stratasys Quelle: 3DSystems Quelle: 3DSystems Fused Layer Modeling (FLM) Selective Laser Melting (SLM) Layer Laminated Manufacturing (LLM) Selektives Laser Sintern (SLS) 3D - Printing (3DP) Stereolithographie (SL) Quelle: Helisys Quelle: EOS Quelle: 3DSystems kosten 1 2 /cm³ 1 0 0,32 /cm³ (ABS) 0,75 /cm³ (Polyamid) 1,05 /cm³ (Ni-Basis-Leg.) 0,20 /cm³ (NE-Metall-Pulver) 0,05 /cm³ (Polyester-Folie) 0,23 /cm³ (Photopolymer) Genauigkeit 1 0,4 ±mm 0,2 0 ±0,15mm ±0,1mm ±0,05mm ±0,1mm ±0,2mm ±0,15mm stärke 1 2 mm 1 0 0,2mm 0,4mm 0,1mm 0,05mm 1,5mm 0,1mm 1 Quelleninfo: AA AA Folie 13

14 Genauig- Mindestwand- Vergleich generativer Fertigungsverfahren Quelle: Stratasys Quelle: 3DSystems Quelle: 3DSystems Fused Layer Modeling (FLM) Selective Laser Melting (SLM) Layer Laminated Manufacturing (LLM) Selektives Laser Sintern (SLS) 3D - Printing (3DP) Stereolithographie (SL) Quelle: Helisys Quelle: EOS Quelle: 3DSystems Materialkosten 1 2 /cm³ 1 0,32 /cm³ (ABS) 0 Material für Stützkonstruktionen notwendig 0,75 /cm³ (Polyamid) 1,05 /cm³ (Ni-Basis-Leg.) Aufgrund thermischer Einwirkung wird loses/stützendes Pulver in Nähe des Bauteils beschädigt und unbrauchbar 0,20 /cm³ (NE-Metall-Pulver) 0,05 /cm³ (Polyester-Folie) 0,23 /cm³ (Photopolymer) Für gesamten Bauraum in xy-ebene und Höhe des Bauteils wird Material benötigt Material für Stützkonstruktionen notwendig keit 1 0,5 ±mm ±0,15mm ±0,1mm ±0,05mm ±0,1mm ±0,2mm ±0,15mm 0 stärke 1 2 mm 0 0,2mm 0,4mm 0,05mm 0,1mm 0,1mm 1,5mm 1 Quelleninfo: AA AA Folie 14

15 Gliederung Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung? 1. Einleitung 2. Grundlagen der generativen Fertigung 3. Digitale Prozesskette generative Fertigung 4. Vom Prototypen zur Massenfertigung 5. Ausblick und Zusammenfassung AA Folie 15

16 Digitale Prozesskette Generative Fertigung MKS GeF MC TPD 3D CAD FEM DMU NC RC AA Folie 16

17 Prozesskette generative Fertigung Rechnerinterne Bearbeitung Erzeugung rechnerinterner 3D-CAD-Daten Konvertierung in STL-Datei Bauprozessvorbereitung Bauteilorientierung, Stützstruktur, SlicingProzess 4 Maschinenvorbereitung Nutzung des physischen Modells Nachbearbeitung Entnahme des physischen Modells Physische Herstellung Post-Processing Bauprozess AA Folie 17

18 Quelle: Stratasys Prozesskette generative Fertigung Beispielprozess Rechnerinterne Bearbeitung Erzeugung rechnerinterner 3D-CAD-Daten Konvertierung in STL-Datei Bauprozessvorbereitung Quelle: materialise.de Bauteilorientierung, Stützstruktur, SlicingProzess 4 Maschinenvorbereitung Nutzung des physischen Modells Nachbearbeitung Entnahme des physischen Modells Physische Herstellung Post-Processing Bauprozess Quelle: Stratasys AA Folie 18

19 Prozesskette generative Fertigung Erzeugung rechnerinterner 3D-CAD-Daten Rechnerinterne Bearbeitung Bauprozessvorbereitung 1 1 Erzeugung rechnerinterner 3D-CAD-Daten 2 3 Konvertierung in STL-Datei Bauteilorientierung, Stützstruktur, SlicingProzess 4 Maschinenvorbereitung Nutzung des physischen Modells Nachbearbeitung Entnahme des physischen Modells Physische Herstellung Post-Processing Bauprozess AA Folie 19

20 Prozesskette generative Fertigung Erzeugung rechnerinterner 3D-CAD-Daten 1 Erzeugung rechnerinterner 3D-CAD-Daten Modellierung Volumenmodell Beachtung von Gestaltungsrichtlinien Analoges Vorgehen: Reverse Engineering AA Folie 20

21 Prozesskette generative Fertigung Konvertierung in STL-Datei Rechnerinterne Bearbeitung Bauprozessvorbereitung 1 Erzeugung rechnerinterner 3D-CAD-Daten 2 3 Konvertierung in STL-Datei Bauteilorientierung, Stützstruktur, SlicingProzess 4 Maschinenvorbereitung Nutzung des physischen Modells Nachbearbeitung Entnahme des physischen Modells Physische Herstellung Post-Processing Bauprozess AA Folie 21

22 Prozesskette generative Fertigung Konvertierung in STL-Datei (1) 2 Konvertierung in STL-Datei Neutrales Austauschformat De facto Industriestandard, nicht standardisiert Facet Normal Vertex 1 Triangle patch for surface approximation Vertex 2 Auszug ASCII: FACET NORMAL n 1 n 2 n 3 OUTER LOOP VERTEX p1 x p1 y p1 z VERTEX p2 x p2 y p2 z VERTEX p3 x p3 y p3 z ENDLOOP ENDFACET Vertex 3 AA Folie 22

23 Prozesskette generative Fertigung Konvertierung in STL-Datei (2) Konstruktionsfehler Umsetzungsfehler Beschreibungsfehler Fehlerhaft vereinigte Körper Körper 1 Körper 2 Ungenauigkeiten der Approximation Berandungsfehler Natives CAD-Modell Überlappungen Fehlerhaft vereinigt Korrekt vereinigt Fehlorientierungen 200 patches 102 points patches points AA Folie 23

24 Prozesskette generative Fertigung Bauteilorientierung, Stützstruktur, Slicing Rechnerinterne Bearbeitung Bauprozessvorbereitung Bauteil- Erzeugung Konvertierung orientierung, rechnerinterner in STL-Datei Stützstruktur, 3D-CAD-Daten SclicingProzess SlicingProzess 3 4 Maschinenvorbereitung Nutzung des physischen Modells Nachbearbeitung Entnahme des physischen Modells Physische Herstellung Post-Processing Bauprozess AA Folie 24

25 Prozesskette generative Fertigung Bauteilorientierung 23 Bauteilorientierung, Stützstruktur, SlicingProzess Einfluss auf: Bauteilgenauigkeit Oberflächenbeschaffenheit Mechanisch-technologische Eigenschaften Stützkonstruktion Bauzeit Post Processing Kosten Modell Support Bauzeit Baukosten Stehend 57 cm³ 63 cm³ 38:50 h 60 EUR Liegend 57 cm³ 40,5 cm³ 25:06 h 48,75 EUR AA Folie 25

26 Prozesskette generative Fertigung Stützstruktur, Slicing-Prozess 23 Bauteilorientierung, Stützstruktur, SlicingProzess Stützstruktur: Überhängende Strukturen Hinterschnitte Hohlräume, Bohrungen, etc. Funktionale Baugruppen Slicing-Prozess: G-Code Generator Geometrische Schichtinformationen Layerhöhe Füllgrad Geschwindigkeiten Skalieren AA Folie 26

27 Fertiges physisches Modell AA Folie 27

28 Anwendungsbeispiel Integration eines RFID-Transponder Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 CAD-Modell STL-Datei Erstellung des 3D-Modells (CAD) Triangulierung des 3D-Modells (CAD) Schritt 4 Schichtenbildung des STL-Modells (Slicer-Software) G-Code/ Schichtm. Schritt 5 RFID Chip Video Funktionsmodell Herstellung des physischen Modells und Integration von RFID Transpondern AA Folie 28

29 Gliederung Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung? 1. Einleitung 2. Grundlagen der generativen Fertigung 3. Digitale Prozesskette generative Fertigung 4. Vom Prototypen zur Massenfertigung 5. Ausblick und Zusammenfassung AA Folie 29

30 Aktuelle Anwendungsfelder Luft- und Raumfahrt Automobilindustrie Dentalmedizin Elektrotechnik-Industrie Quelle: SLM Quelle: rapidobject Quelle: Stratasys Quelle: EOS Implantat und Prothetik Möbelindustrie Schmuck- und Modeindustrie Quelle: Uni Michigan Quelle: replicatorinc Quelle: EOS AA Folie 30

31 Use Case Additive Manufacturing AA Folie 31

32 Industrie 4.0 Internetbasierte Dienstleistungen Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS) AA Folie 32

33 Gliederung Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren vom Prototypen zur Massenfertigung? 1. Einleitung 2. Grundlagen der generativen Fertigung 3. Digitale Prozesskette generative Fertigung 4. Vom Prototypen zur Massenfertigung 5. Ausblick und Zusammenfassung AA Folie 33

34 Ausblick und Zusammenfassung Integration von Gestaltungrichtlinien in die 3D-CAD-Bauteilmodellierung. Überführung vorhandener STL-Datenformat-Alternativen in die industrielle Anwendung. Wissenschaftliche Durchdringung und ganzheitliche Betrachtung des Nesting- Prozesses samt aller maschinenspezifischen Restriktionen und Einflussgrößen sowie Integration in die rechnerinternen Prozessschritte. Die Technologie des 3D-Druckens entwickelt sich zunehmend vom Rapid Prototyping zum generativen Fertigen. Die Technologie des generativen Fertigens ist für die industrielle Anwendung geeignet, besitzt allerdings einige Grenzen, insbesondere hinsichtlich Bauraum, Genauigkeit und Kosten. Die Technologie der generativen Fertigung verändert auch die Abläufe im Produktentstehungsprozess und bietet auch die Chance für neue Geschäftsmodelle. AA Folie 34

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! AA Folie 35

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