Fertigungstechnologie für Serienprodukte eine Standortbestimmung. Was ist Additive Fertigung (AM)? Powder coater

Transkript

1 Additive Fertigung Fertigungstechnologie für Serienprodukte eine Standortbestimmung Prof. Dr.-Ing. Mirko Meboldt 2 Was ist Additive Fertigung (AM)? Vielzahl von Verfahren, grösste Bedeutung für den Maschinenbau hat Powder bed fusion (SLM/SLS) Powder bed fusion Metall und Kunststoff Materialen sind langzeitstabil Hohe Festigkeiten Isotrope Werkstoffe Directed energy deposition Binder jetting Material extrusion Sheet lamination Material jetting Vat photopolymerization Prinzip des Pulverbett schmelzverfahrens Laser system Powder coater Build station piston Part Scanner system Loose powder Build plate

2 3 Relevanz für die MEM-Industrie Die Hype Frage: Ist die Additive Fertigung eine disruptive Technologie, wird Sie klassische Produktionsverfahren ersetzen? AM ist eine komplementäre Fertigungstechnologie AM ist exzellent in speziellen Anwendungsfällen, nicht für mehr AM ist bewährt, die Leistungsfähigkeit ist nachgewiesen Der Erfolg liegt in der spezifischen Anwendung und Nische diese vor dem Wettbewerber zu finden ist die grosse Herausforderung. 4 Ist AM eine disruptive Technologie? In Nischen Die Herausforderung ist es, diese Nischen zu finden: z.b. Zahnimplantate: Produktion von 450 Implantaten über Nacht Pro Maschine Implantate pro Jahr Die manuelle Herstellung ist kaum noch konkurrenzfähig Source EOS:

3 5 Ist AM tauglich für die Serienproduktion? In spezifischen Fällen! Die Herausforderung besteht darin, AM-Einsatzmöglichkeiten zu finden, wo der Nutzen die höheren Kosten legitimiert. z.b. General Electric Wir planen zunächst die Bestellung von mindestens 100 Geräten, sagte Greg Morris, Leiter der GE-Sparte Additive Technologies, der WirtschaftsWoche. 6 Der richtige Zeitpunkt für den Einstieg AM-Produktionskosten Schon heute bietet AM mit hohen Kosten wenig Erfahrung wettbewerbsfähige Lösungen Anzahl AM-Patente steigt Möglichkeiten sind bekannt AM-Einsatzmöglichkeiten Heute Fallende Kosten: steigende Anzahl Lieferanten bessere Maschinen und Prozesse auslaufende Patente günstigere/neue Materialen Konstruktion und Produktion Prozesssicherheit Konstruktionsregeln, Kataloge CAD-Werkzeuge und Simulation AM-Erfahrung nimmt zu... Zeit

4 7 Wertschöpfung durch AM Herstellungskosten HK Reduktion der HK Produktion Logistik Änderungskosten Kostenstruktur der additiven Fertigungsverfahren cost per unit conventional break even additive manufacturing units Kundennutzen KN Steigerung des KN Mehrwert im Produkt Effizienzsteigerung neue Möglichkeiten Realisierung einzigartiger Strukturen und Designs cost per unit conventional break even only possible with AM additive manufacturing geometric complexity 8 Vom Prototyping zur Produktion Prototyping nur für die Entwicklung internen Anforderungen Einzel- und Kleinserie Produktion Funktionserfüllung für Kunden Lebensdauerauslegung Serienfertigung Hilti GX120 / Insire AG Quelle: ETH spinoff Alstom Inspection Robotics

5 9 Die Schlüsselfrage der AM-Technologie Der Mehrwert muss den Preis legitimieren? SLM (Stahl 2-6 CHF/g Bauteil) Hohe Maschinenkosten, langsamer Prozess, Materialen mal teurer Man kann Bauteile nicht kopieren, man muss die Gestalt ausgehend von der Funktion ganzheitlich neu denken! 10 Kostenvorteile bei kleinen Stückzahlen Kostenstruktur Break-even Stückzahl Stückkosten Geometrische Komplexität Spritzguss AM Kostenvorteil AM Break even Kostenvorteil Spritzguss Stückzahl Grösse des Teils Integration mehrerer Teile Dezentrale Produktion

6 11 Konventionelles Design mit AM Quelle: TB Saftey 12 Konstruktion für Additive Fertigung Additive Manufacturing vs. Abtragende Technologien Stückkosten Break even Abtragende Verfahren Source: ETH/Inspire AG AM Komplexität Kostenvorteil abtragende Verfahren Kostenvorteil AM NUR mittels AM produzierbar

7 13 AM-Potenzialcluster Funktionsintegration Sensoren Bauteile Individualisierung Einzelfertigung Anpassungen Quelle: Inspire AG Quelle: Alstom Inspection Robotics Leichtbau Optimale Bauteilform Bionik Performancesteigerung Strömungsoptimierung Kühlung Quelle: pdz ETH Quelle: 14 Orthogold 100: AM-Konstruktion Erzeugen von Schockwellen mit Hochspannung im Wasser, Zuführen von Frischwasser, Abführen von Dämpfen 25 Teile in 1 Bauteil integriert Weniger Dichtungen Kompaktes und leichtes Bauteil

8 15 SLM Nutzen muss den Preis legitimieren Tonabnehmer: High-End Hi-Fi ca CHF Verkaufspreis Abgestimmtes Resonanzverhalten und Funktionsintegration Resonanzarmut, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich ist Quelle: 16 AM Serienproduktion bei GE Düsentriebwerk Treibstoff-Einspritzdüse 19 Stk/Triebwerk Reduktion von 20 auf 1 Teil Gewichtsreduktion um 33% Treibstoffverbrauch reduziert Produktionsplan: 2014 Serienanlauf Einspritzdüse p. a Einspritzdüse p. a.

9 17 Der Weg zum ersten AM-Serienbauteil: Ziele: Erster Prototyp eines AM- Bauteils in 6-9 Monaten Erfahrungen sammeln Multiplikatoren schulen Bauteil: Klein, geringes Volumen Standard AM-Werkstoffe Nicht hochbelastet (für den Anfang) Technisch anspruchsvoll Team: Multidisziplinär Abteilungsübergreifend Involvierung des Senior Management Nutzen: Quantifizierbarer Nutzen Ganzheitliche Betrachtung Nutzen der 2. und 3. Ordnung ausweisen 18 Die Herausforderung und Forschungsziel Etablierung der AM-Technologie in der Konstruktion für Serienanwendungen Zu welchem Zeitpunkt ist es richtig, AM in Betracht zu ziehen???? Wie lassen sich Einsatzmöglichkeiten identifizieren? Wie lässt sich Kosten/Nutzen von AM quantifizieren? Wie kann man die Konstruktion und Auslegung unterstützen?