3D-Druck von Prototypen mit Makro- Materialgradienten

Transkript

1 :»Additive Fertigung Möglichkeiten & Perspektiven für innovative Produktionsprozesse«3D-Druck von Prototypen mit Makro- Materialgradienten Jens Bliedtner Martin Schilling (3D Schilling GmbH) Matthias Rost Alexander Wipke Michael Möhwald

2 Agenda 1. Definition Gradienten 2. Potential von Materialgradienten 3. Die Polyjet-Matrix Technologie und Materialcharakterisierungen 4. Möglichkeiten zur Generierung von Gradienten am Beispiel von Greifern 5. Weitere Anwendungen 6. Neue Abformtechniken für Makrogradientenmaterialien 2 von 23

3 1. Definition Gradienten Materialgradienten? nur Texturen auf der Oberfläche keine Veränderungen der mechanischen Eigenschaften Quelle: 3D Systems Fotos: A.Wipke 3 von 23

4 1. Definition Gradienten Quelle: Bliedtner, J.: Optiktechnologie, Hanser, von 23

5 1. Definition Gradienten Mikrometer-Bereich Beispiel 2- bzw. n-k-spritzguss Millimeter-Bereich Veränderung mindestens einer Eigenschaft im mm-bereich 5 von 23

6 Shore D-Härte OptoNet-Workshop 1. Definition Gradienten Quelle: M.Rost Kunststoffprobe mit Härtegradient (3D-Schilling) inhomogener Bereich, stark schlierig und blasig Abstand vom linken Probenrand [mm] 6 von 23

7 2. Potential von Materialgradienten Zielgerichtete Beeinflussung von Bauteileigenschaften Erschaffen neuer Anwendungen Integration von Dämpfungselementen Belastungsgerechte Auslegung von Objekten Quelle: IFAM Bremen Foto: M.Rost Quelle: IFAM Bremen 7 von 23

8 3. Die Polyjet-Matrix Technologie: 2. Generation Aushärtung flüssiger Photopolymere durch UV-Licht Aufspritzen von 5 Millionen Tropfen/s a. 9 Piktolitern Simultanes Aufspritzen von Modell- und Supportmaterial Quelle: Vorteile Polyjet-Matrix Verfahrens: Mehrmaterialien-Druck Vielfältige Materialkombinationen Verarbeitung von gummiartigen und festen Materialien Genauigkeiten: 0, mm 8 von 23

9 Materialienübersicht große Anzahl in vielen Einsatzbereichen 14 Komposite zur gleichzeitigen Verarbeitung (Mischung aus Vero/ TangoPlus) Quelle: Stratasys Quelle: Stratasys 9 von 23

10 Materialuntersuchung σ [N/mm²] Spannungs-Dehnungs-Kurve der 7 PP-artigen Komposite Kennlinienverlauf: verstreckbare Kunststoffe Vero Full Cure Gray 20 Gray 25 Gray 35 Gray 40 Gray 50 Gray ε [%] 10 von 23

11 Materialuntersuchung σ [N/mm²] Spannungs-Dehnungs-Kurve der 7 gummiartigen Komposite Kennlinienverlauf: weichgemachter oder dehnbarer Kunststoff Tango Full Cure Shore 40 Shore 50 Shore 60 Shore 70 Shore 85 Shore ε [%] 11 von 23

12 Materialuntersuchung Streckgrenzenbereich von 0,5 37 N/mm² wird abgedeckt Maximale Dehnung [%] Quasi-Streckgrenze [N/mm²] E-Modul [MPa] 12 von 23

13 Materialuntersuchung EDX-Analyse (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) Anregung der Atome einer beschichteten Probe (10nm C-Schicht) durch Elektronenstrahl Röntgenstrahlung (Rückstrahlung) ist charakteristisch 500 x 0,001 cps/ev C O Beispiel-Spektrum für Vero FullCure P 200 Cl Cl Ti Ti kev 13 von 23

14 Materialuntersuchung Beispiel: Ripple Filter (3D Schilling; Burms; Uni Marburg; THM Gießen; EAH Jena) (Strahlentherapie: Uniklinik Marburg) Prototypen Oben : 3D-Druck Unten: SLA Design Modulierte Braggkurven, C12 und Protonen 14 von 23

15 Shore D OptoNet-Workshop Grenzschichtuntersuchung: Digitalmikroskopie/DIC von 23

16 4. Möglichkeiten zur Generierung von Gradienten am Beispiel von Greiferbacken Materialänderung Strukturänderung Geometrie PP-artige Komponente PP-artige Komponente PP-artige Komponente Festkörpergelenk gummiartige Komponente gummiartige Komponente mit Struktur 16 von 23

17 Greiferbacken mit Gradientenverlauf Oben: Erzeugung von Gradienten im CAD-System (STL-Format) Unten: Erzeugung von Gradienten mit neuem Dateiformat (AMF Additive Manufacturing File Format) Definition von Materialien, Farben und Struktur 17 von 23

18 Adaptives Greifen Greifen von unterschiedlichen Objekten mit einem multifunktionalen Greifer Anpassung des Greifers an die Form der Objekte 18 von 23

19 Adaptives Greifen Anpassung der Greiferbacken an verschiedene Konturen / Geometrien (Kreis, Quadrat, Winkelprofile) Greifeinheit 19 von 23

20 5. Weitere Anwendungen Kabelknickschutz / Zugentlastung konventionell bestehend aus: metallischer Spirale, metallischer Hülse (mit Innengewinde) und Elastomer-Ring (Beispiel) Ersatz durch: RP Bauteil mit gedrucktem Feingewinde (M10x0,5) und Materialgradienten 20 von 23

21 Wellenkupplung mit Ausgleichsfunktion Stoßabsorption bei der Kraftübertragung Winkelausgleich zwischen den Wellen weniger Bauteile einfachere Fertigung Quelle: Delta Antriebstechnik GmbH 21 von 23

22 Schaltknauf Soft Touch - Oberfläche stabiler Kern mit gedrucktem Gewinde Beschriftung der Ganganordnung Angenehme weichere Haptik härterer Kern mit Gewinde 22 von 23

23 6. Neue Abformtechniken für Makrogradientenmaterialien Formfüllung über Anguss Formfüllung über 2 Angüsse gleichzeitiges Einspritzen Formfüllung über 2n- Angüsse, fließfrontabhängig t=0 t1=t0 + x t2=t0+ 2x t3=t0+3x Keine exakte Trennlinie am Teil 23 von 23

24 Formfüllung über Anguss 24 von 23

25 Materialien für Formgebundene Herstellung von Makromaterialgradienten 25 von 23

26 Formfüllung über Anguss 26 von 23

27 Kurzzusammenfassung - Großes Potenzial für Makromaterialgradienten - Datenformate ermöglichen derzeit noch nicht die Zuweisung maßgeschneiderter Materialeigenschaften - Spezielle Abformtechniken zum Erzeugen von Makromaterialgradienten sind konzeptionell vorhanden Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ernst-Abbe-Fachhochschule Jena FB SciTec AG Fertigungstechnik und -automatisierung Carl Zeiss Promenade Jena jens.bliedtner@fh-jena.de 27 von 23

28 Danksagung Die Projektpartner bedanken sich für die finanziellen Unterstützung des laufenden Projektes 2011VF0013 beim Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie sowie der Thüringer Aufbaubank. Die Projektpartner bedanken sich ebenfalls ganz herzlich für die Unterstützung durch die AG von Herrn Prof. Dr. K.H. Feller. 28 von 23