Additive Fertigung von Aluminiumbauteilen in einem seriennahen Umfeld. Peter Polczyk, citim GmbH

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1 Additive Fertigung von Aluminiumbauteilen in einem seriennahen Umfeld Peter Polczyk, citim GmbH

2 Agenda Einführung Additive Fertigung von Aluminium-Bauteilen Gründe und Beispiele für die Prototypen- und Serienfertigung Seriennahes Umfeld bei citim Zusammenfassung und Lösungsansätze

3 citim Gründung 1996 als Spin Off aus der Universität Magdeburg Management Standorte Dipl.-Ing. Andreas Berkau Frank Lehmann citim GmbH Barleben (Magdeburg) citim AM, Inc., seit 2013 Atlanta-Kennesaw, Georgia Beschäftigte 100 Zertifizierungen DIN EN ISO 9001:2008

4 Technologien Additive Fertigung Gießverfahren Werkzeugbau CNC Fertigung 3D Drucken Lasersintern Polyurethanguss Polyamidguss Spritzguss Kunststoff / Elastomere Laserstrahlschmelzen Feinguss Sandguss Druckguss Fräsbauteile Metall

5 Additive Fertigung bei citim seit 1999 Forschungsprojekte zur Additiven Bauteilfertigung (DMLS, EBM) 2004 erste Fertigungsanlage zum Lasersintern von Kunststoffen (EOSINT P385i) 2009 erste Metallmaschine (EOSINT M270dual) 2011 erste Doppelstrahlanlage (SLM280HL von SLM Solutions) 2014 Pilotkunde EOSINT M SLM280HL mit 2x400 Watt

6 Maschinen verfügbare Kapazität 1x EOSINT M270 (200 Watt) 3x EOSINT M280 (400 Watt) 1x EOSINT M290 (400 Watt) 1x EOSINT M400 (1000 Watt) 1x SLM250 HL (400 Watt) 1x SLM280 HL (2 x 400 Watt) 3x SLM280 HL (400 Watt)

7 Additive Fertigung von Metallbauteilen - verfügbare Materialien Aluminium AlSi12 AlSi10Mg AlSi9Cu3 AlSi7Mg0,6 AlMgScZr 6061 (in Entwicklung)

8 Additive Fertigung von Metallbauteilen - verfügbare Materialien Stahl Nickelbasislegierung IN718 IN625 Titan TiAl6V4 Kobalt Chrom CoCrW Kupferlegierung CuNi2SiCr (in Entwicklung)

9 Agenda Einführung Additive Fertigung von Aluminium-Bauteilen Gründe und Bespiele für die Prototypen- und Serienfertigung Seriennahes Umfeld bei citim Zusammenfassung und Lösungsansätze

10 Additive Fertigung von Aluminium-Bauteilen Warum ist Aluminium ein wichtiges Material für Additive Manufacturing? Aluminiumlegierungen stehen für gute mechanische Eigenschaften und niedrige Dichten Aluminium wird verwendet für: Automotive, Luftund Raumfahrt, Konsumgüter, Elektronik Aluminiumlegierungen werden für Leichtbaukonzepte verwendet

11 Additive Fertigung von Aluminium-Bauteilen AM Anlagen mit folgenden Laserstärken: 200 Watt (minimum) 400 Watt (optimum) 1000 Watt Schichtstärke: 30µm, 50µm, 60µm, 75µm, 90µm Materialien: AlSi12, AlSi10Mg, AlSi9Cu3 AlMgScZr, AlSi7Mg, 6061 (in Entwicklung) Aufbaurate: 400 Watt Schichtstärke 50 µm 10 cm 3 /h 25 cm 3 /h

12 Aluminium AlSi10Mg Eigenschaften Korrosionsbeständigkeit sehr gute Festigkeitswerte bei geringer Dichte hohe dynamische Belastbarkeit sehr gute Zerspanbarkeit Schweißbarkeit Typische Anwendungen direkte Herstellung von Funktionsbauteilen (Prototypen, Kleinserienteile oder Ersatzteile) Automobiltechnik, Maschinenbau, Motorsport, Luft- u. Raumfahrt, Pneumatik Prototypen für spätere Anwendung Druckguss Element Anteil (nach Gewicht) Silizium 9,0 11,0 % Eisen 0,55 % Kupfer 0,05 % Mangan 0,45 % Magnesium 0,2 0,45 % Nickel 0,05 % Zink 0,10 % Blei 0,05 % Zinn 0,05 % Titan 0,15 % Aluminium Rest

13 Materialeigenschaften Einordnung AlSi10Mg Bruchdehnung A5 [%] AlSi11 AlMg3 AlSi9Cu3 AlSi10Mg T6 AlSi12 AlSi7Mg0,7 T6 AlSi7Mg0,3 AlSi9Mg AlCu4Ti AlSi10Mg Zugfestigkeit RM [MPa] Feinguss Sandguss Strahlschmelzen

14 Aluminium AlSi10Mg Mechanische Kennwerte Materialeigenschaft Einheit wie gebaut Wärmebehandelt T6 Zugfestigkeit MPa 410 ± ± 20 Streckgrenze (Rp 0,2%) MPa 240 ± ± 20 Reißdehnung % 5 ± 2 9 ± 2 E-Modul GPa 65 ± 5 65 ± 5 Charpy-Kerbschlagzähigkeit J 45 ± ± 4 Härte HB 120 ± 5 - Herstellungszustand lösungsgeglüht T6

15 Agenda Einführung Additive Fertigung von Aluminium-Bauteilen Gründe und Beispiele für Prototypen- und Serienfertigung Seriennahes Umfeld bei citim Zusammenfassung und Lösungsansätze

16 Additive Fertigung für Prototypen und Serienteile Gründe für den Einsatz Lieferzeit Große Designfreiheit Werkzeuglose Fertigung Neue Materialien Voraussetzungen für den Einsatz Kosten des Bauteil Ölfilterkonsole Fertigteil SLM + CNC Rohteil mit Support Qualität Reproduzierbarkeit Dokumentation

17 Vorteile: Ersatzverfahren für Sand- und Feinguss einstufiger Prozess (im Idealfall sind extrem kurze Fertigungs-zeiten realisierbar) kleinvolumige, komplexe Bauteile kostengünstiger herstellbar gusstechnische Probleme können vermieden werden (Wandstärken, Lunker, Poren) sehr gute, reproduzierbare Materialeigenschaften Blauplattform mit 2 x 2 Bauteilen

18 Wirtschaftliche Vorteile gegenüber Druckguss keine Investition in Werkzeuge erforderlich Kosten Produkteinführungszeit kann extrem verkürzt werden bedarfsgerechte Fertigung (Kosten entstehen nur bei der Fertigung der Bauteile) minimierte Lagerhaltung Funktionsintegration (mehrere Bauteile können zusammengefasst werden) vereinfachte Ersatzteilversorgung Druckguss Additive Fertigung Stückzahl

19 Additive Fertigung - Applikationsbeispiel Druckguss Fertigung von 3600 Bauteilen mit einer Laufzeit von 3 Jahren (ca Bauteile / Jahr) Druckguss Strahlschmelzen Werkzeugkosten EUR - Einrichtkosten EUR - Bauteilkosten 0,45 EUR 6,38 EUR Gesamtkosten: Druckguss: Euro Strahlschmelzen: Euro (Quelle: citim GmbH)

20 Additive Fertigung - Beispiel einer Serienfertigung Beispiel SLM Flaschenöffner Werbeprodukt individuell anpassbar Design und Konstruktion speziell auf SLM abgestimmt à à keine Stützstruktur nötig Nacharbeit minimiert nicht anders herstellbar 165 Stück / Baujob Fertigungszeit 5 AT Bauteilpreis: 9 /Stk (Quelle: citim GmbH)

21 Additive Fertigung Kleinserie von 3 Stück Gemeinschaftsprojekt: RUAG, Altair, EOS, citim Gewichtseinsparung durch Topologieoptimierung: ~1,6kg > ~0,9kg à Bauzeiten: - 400W ~ 45h SLM - 400W ~ 31h W ~ 26h

22 Agenda Einführung Additive Fertigung von Aluminium-Bauteilen Gründe und Beispiele für Protoypen und Serienfertigung Seriennahes Umfeld bei citim Zusammenfassung und Lösungsansätze

23 Seriennahes Umfeld bei citim Was ist seriennah? 4 Maschinen parallel auf AlSi10Mg Maschinenabhängige Pulverqualität, unterschiedliche Lieferanten Hohe Maschinenauslastungen / Jobauslastungen Maschinenlaufzeit ca. 250 Tage/ Jahr, Rest Stillstandzeiten aufgrund Jobwechsel, Wartung, Ausfall QM-System mit Pulvereingangskontrolle und 100%-Überwachung Bauqualität (Wst.-Prüfung + Maßprüfung je Job)

24 Additive Fertigung - Kundenforderungen Qualitätsanforderungen - Kunden A (Bsp.: Automobilindustrie) Bauteildicht > 99,5 % Zugfestigkeit Rm > 300 MPa Dehngrenze Rp0,2 > 200 MPa Bruchdehnung A > 2,5 % Optische Dichteprüfung Qualitätsanforderungen - Kunden B (Bsp.: Automobilindustrie) Bauteildicht > 99,0 % Zugfestigkeit Rm > 280 MPa Dehngrenze Rp0,2 > 180 MPa Bruchdehnung A > 2,0 % Zugprobe DIN Zugprüfung DIN 6892

25 Additive Fertigung - Ausgangsmaterialien Lieferant A Lieferant C Lieferant B Unterschiedliche Pulverqualitäten: Kornform Packungsdichten Teilchengrößenverteilung Bauteildichten

26 Additive Fertigung - verschiedene Anlagenhersteller 100,0 % Werkstoff: AlSi10Mg Ermittlung: Schliffbildanalysen 99,5 Probe: Würfel 10 mm relative Dichte 99,0 98,5 Anlage: A / B 98, Job Hersteller A Hersteller B Anlagenhersteller A: Anlagenhersteller B: - Nicht erfüllt 58 % - Nicht erfüllt 84 % [KD-Referenz Dichte > 99,5 %] - Nicht erfüllt 6 % - Nicht erfüllt 16 % [KD-Referenz Dichte > 99,0 %] - Schwankung 1,3 % - Schwankung 0,8 % -> Unterschiedliche Erfolgsquote bei verschiedenen Anlagenherstellern

27 Additive Fertigung - verschied Anlagen eines Herstellers 100,0 % Werkstoff: AlSi10Mg Ermittlung: Schliffbildanalysen 99,5 Probe: Würfel 10 mm relative Dichte 99,0 98,5 Anlage: A / C 98, Job Anlage A Anlage C Anlagetyp A: Anlagetyp C: - Nicht erfüllt 84 % - Nicht erfüllt 68 % [KD-Referenz Dichte > 99,5 %] - Nicht erfüllt 16 % - Nicht erfüllt 32 % [KD-Referenz Dichte > 99,0 %] - Schwankung 0,8 % - Schwankung 1,1 % -> Unterschied. Erfolgsquote verschied. Anlagenkonzepten (gleicher Hersteller)

28 Additive Fertigung gleiche Anlagen eines Herstellers 99,8 % Werkstoff: AlSi10Mg Ermittlung: Schliffbildanalysen 99,4 Probe: Würfel 10 mm relative Dichte 98,9 98,5 Anlage: A / B 98, Job Anlage A Anlage B Anlage A: Anlage B: - Nicht erfüllt 84 % - Nicht erfüllt 82 % [KD-Referenz Dichte > 99,5 %] - Nicht erfüllt 16 % - Nicht erfüllt 18 % [KD-Referenz Dichte > 99,0 %] - Schwankung 0,8 % - Schwankung 0,9 % -> Unterschiedliche Erfolgsquote bei gleichen Anlagen eines Herstellers

29 Additive Fertigung Positionsabhängige Bauteildichten 100,0 % 99,7 Würfel 3 relative Dichte 99,5 99,2 Job Baufeld Würfel 4 98,9 99,3 99,5 99,0 99,6 Würfel 1 Würfel 2 Würfel 3 Würfel 4 Verschiedene Würfeldichten innerhalb einer Bauplatte Schwankung beträgt 0,6 % -> Bauteildichte ist positionsabhängig Werkstoff: AlSi10Mg Ermittlung: Schliffbildanalysen Probe: Würfel 10 mm Anlage: A

30 Agenda Einführung Additive Fertigung von Aluminium-Bauteilen Gründe und Bespiele für die Prototypen- und Serienfertigung Seriennahes Umfeld bei citim Zusammenfassung und Lösungsansätze

31 Zusammenfassung und Lösungsansätze Additive Manufacturing ist für die Serienproduktion grundsätzlich geeignet. Bei Festlegung von Kundenanforderungen ist der Werkstoff, wie auch Maschinenpark zu berücksichtigen Herausforderung wird sein alle Prozesseffekte zu berücksichtigen, um stabile Prozesse zu gewährleisten Die Installation eines Qualitätsmanagementsystem ist teuer und sehr aufwendig Voraussetzungen zur Reproduzierbarkeit Genormte und konst. Qualität des Pulvers Qualifizierte Prozessparameter Prozessüberwachung

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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