Voraussetzungen additiver Fertigung und deren Bedeutung für die industrielle Produktion

Transkript

1 Voraussetzungen additiver Fertigung und deren Bedeutung für die industrielle Produktion - Prozesse - Qualitätsaspekte - Standardisierung A.B. Spierings Manager R&D SLM Inspire AG institute for rapid product development irpd St. Gallen, Switzerland 32. Hagener Symposium Pulvermetallurgie 28./29. November

2 Agenda I: Wer ist inspire und inspire-irpd II: Klassifizierung Additiver Fertigungstechnologien III: Einflussfaktoren und Qualitätssicherung / Standardisierung IV: Beispiele: «Design für additive Fertigung» Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 2

3 Wer ist inspire? INSPIRE Strategischer Partner der ETHZ inspire ist ein hochschulnahes Kompetenzzentrum für die Schweizer Maschinenindustrie. Es betreibt Forschung für die Industrie und löst Probleme in allen Wissensgebieten. Methoden, Prozesse und Technologien inspire macht sie anwendungsreif. inspire ist eine gemeinsame Initiative von Swissmem, der Eidg. Technischen Hochschule Zürich (ETH) und des Bundesamtes für Berufsbildung und Technologie (BBT). inspire irpd - Ein Gemeinschaftsprojekt mit der FH St.Gallen

4 Wer ist inspire? ETH Zürich, Headquaters Empa St.Gallen Technopark Zürich Aktivitätsfelder / institute - Iwf-processes: Schleifen, Fräsen, Schneiden, EDM, - Iwf-machines: Prozess- und Maschinenentwicklung - Iwf-micromachining: Laser- & Mikrofertigung - Irpd: Additive Manufacturing (SLS, SLM) - Ipdz: Konstruktion & Design - Ics: Komposite-Strukturen - Icmi: Materialwissenschaften / Material integrity - Ifa: Energy - Ivp: Virtual production / Umformtechnik Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 4

5 Kernkompetenzen inspire irpd Additive Manufacturing Medical Manufacturing - Serien - Vor-Serien - - Implantate - Instrumente Kernkompetenzen Selective Laser Melting / Selective Laser Sintering, 3D-Printing (3DP) - 3D scanning - Kunststoffe - Metalle Rapid Prototyping Prozess- und Materialentwicklung Reverse Engineering 5

6 Forschungs Fokus SLS / SLM Produktion SLS / SLM SLS / SLM SLM Materialien (Pulver / aufgebaute Mat.) Standardisation ASTM-ISO Prozesse Standardisation ASTM-ISO Anlagentechnik Additive Fertigung 6

7 Forschungs Fokus Materialien Pulver Charakterisierung & Definition von Anforderungen Prozessfenster für SLM Materialien / Pulver Eigenschaften der aufgebauten Materialien (statisch, dynamisch, Mikrostruktur) Entwicklung neuer Materialien: MMC / Hybrid-Materialien Prozess Reduktion interner Spannungen / Rissproblematik Simulation des SLM Schweiss-Prozesses Optimierung von Materialeigenschaften Optimierung der Prozess-Produktivität Applications Leichtbau Funktionsoptimierte Teile & Anwendungen Anlagentechnik Untersuchungen zu zukünftigen Maschinen-Konzepten Steigerung der Gesamt-Produktivität Standardisierung ASTM ISO / EU 7

8 Agenda I: Wer ist inspire und inspire-irpd II: Klassifizierung Additiver Fertigungstechnologien III: Einflussfaktoren und Qualitätssicherung / Standardisierung IV: Beispiele: «Design für additive Fertigung» Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 8

9 Additiv Fertigen Grundprozess Definition: Additive manufacturing (AM), n processes of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing fabrication methodologies. Funktionsprinzip ASTM Z Y X Koord.-System CAD Modell Slice-Prozess Einzelne Bauprozess Schichtinformation 9

10 Additive Fertigungstechnologien VDI 3404 Additive fabrication rapid technologies Fused deposition modeling - FDM Selective Laser Sintering / Melting SLS / SLM Stereo Lithographie - SLA Multi-jet Modeling - MJM Poly-jet Modeling - PJM Layer Laminated Manufacturing - LLM Digital Light Processing- DLP 3D-Printing 3-DP 10

11 Additive Fertigungstechnologien Klassifizierung: DIN

12 Additive Fertigungstechnologien Additiv fertigen: Kopplung von Urformen & werkzeugloser Formgebung Eigenschaften Rohmaterial SLS / SLM: Pulver Konstruktion / Design Prozessführung & -Parameter Generierung der Bauteile Urformen Form geben Eigenschaften der aufgebauten Materialien Qualitätsaspekte der hergestellten Teile 12

13 Agenda I: Wer ist inspire und inspire-irpd II: Klassifizierung Additiver Fertigungstechnologien III: Einflussfaktoren und Qualitätssicherung / Standardisierung IV: Beispiele: «Design für additive Fertigung» Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 13

14 Einflussfaktoren 14

15 Effekte (SLM, SLS) Rohmaterialien Pulver Produktion Prozessparameter Teile-Orientierung Urform-Prozess Verdüstes Pulver, 316L Bauteile Materialdichte Materialeigenschaften Oberflächenqualitäten Form-Gebung SLM-Scanprozess SLM-Mikrostruktur 15

16 Effekte (SLM, SLS) Rohmaterialien bei SLS, SLM Pulvereigenschaften: Materialart Herstellungsart Pulver Korngrössenverteilung Fliessfähigkeit Verdüstes Pulver, 316L: Links «grob», Rechts «fein» 16

17 Effekte (SLM, SLS) Rohmaterialien bei SLS, SLM Pulvereigenschaften: Materialart Herstellungsart Pulver Korngrössenverteilung Fliessfähigkeit Korngrössenverteilung Kornform Korn-Oberfläche Ein gutes Pulver ermöglicht Raschest mögliche Erzeugung der Pulverschicht Produktivität Homogenität der erzeugten Pulverschicht Qualität Hohe Dichte der Pulverschicht Qualität und Produktivität 17

18 Effekte (SLM, SLS) Produktion Prozessparameter Schichtdicke (µm) Laserleistung (W) Scan Geschwindigkeit Laser Scan-Strategie U.v.m. Atmosphäre (N 2, Ar) Teile-Vorbereitung und Orientierung SLM-Scanprozess 18

19 Effekte (SLM, SLS) Produktion Prozessparameter Teile-Vorbereitung und Orientierung Auflösung des.stl files Genauigkeit Schichtdicke (µm) Genauigkeit, Qualität Bauteil-Orientierung Qualität / Oberflächen Support-Strukturen (SLM) Qualität / Oberflächen Support-Strukturen Auflösung, Bsp. Sphäre Schichtstärke / -dicke 19

20 Effekte (SLM) Bauteile Materialdichte Typisch > 99.5% Dichte ist auch design-bar zwischen 75% - knapp 100% i.r. nur sehr kleine Poren, homogen verteilt Schliffbild SLM-316L Materialeigenschaften Oberflächenqualitäten Schliffbild SLM-IN718 20

21 Effekte (SLM) Bauteile Materialdichte Materialeigenschaften Äusserst feinkörnige Mikrostruktur Mechanische Eigenschaften für viele Materialien vergleichbar mit Guss Anisotropie! Mikrostruktur IN-718 Oberflächenqualitäten 21

22 Effekte (SLM, SLS) Bauteile Materialdichte Materialeigenschaften Oberflächenqualitäten Eigenrauhigkeit, bedingt durch die Pulverkörnung SLM: Entfernung von Support SLM-316L: Scan-Rauhigkeit in Abhängigkeit von Pulverkörnung und Prozessparameter Support-Strukturen SLS: DF PA12 Perthometer Ra ~ 9um Rz ~ 50um 22

23 QS-System für additive Fertigung QS-Systematik Schmid, M. and G. Levy. (2012), Quality Management and Estimation of Quality Costs for Additive Manufacturing with SLS. in Direct Digital Manufacturing Fraunhofer Conference 2012 Kundenanforderungen 3D-Modell AM-gerecht, Auflösung, Rohmaterial Eigenschaften, QS AM-Prozessführung Nachbehandlung / Finish Qualitäts-Check EU-Projekt : DirectSpare, ( ; Grant-No ) 23

24 Standardisierung Sicherstellung der Qualitätsniveaus Laufende Normierungs-Aktivitäten für AM: ASTM-F42» F42.01 Test Methods» F42.04 Design» F42.05 Materials & Processes» F42.91 Terminology» F42.95 US Tag to ISO TC261 Zusammenarbeit mit ISO! ISO-TC261» I: Terminology» II: Overview of process categories, part types and feedstock» III: Main characteristics and corresponding test methods» IV: Overview of data processing EU-Projekt «SASAM» «Support action for standardisation in additive manufacturing» NNP-SA G.A. II.30.4 Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 24

25 Agenda I: Wer ist inspire und inspire-irpd II: Klassifizierung Additiver Fertigungstechnologien III: Einflussfaktoren und Qualitätssicherung / Standardisierung IV: Beispiele: «Design für additive Fertigung» Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 25

26 Bauteile / Anwendungen Beispiele Leichtbau Werkzeugbau Medizinaltechnik Funktionsbauteile Kunst, Anwendungsbereiche Präsentationsmodelle Funktionsmodelle Werkzeugbau Fertigung von End-Teilen = AM F&E, 26

27 Design Wann können sich additive Fertigungsverfahren lohnen? Wenn eine Abstimmung zwischen Anforderungen «Complexity und Möglichkeiten for free» statt findet. Materialien und deren Eigenschaften Genauigkeiten Oberflächenqualitäten Und Kosten diese rechnen sich in vielen Fällen erst, wenn das Bauteil strukturell optimiert ist Leichtbau Funktionsintegration Seriengrösse Bauteil-Komplexität 27

28 Additive Fertigung Warum «Additive Fertigung»? Charakterisierung Geeignet für Produktion ab Stückzahl «1» bis 100 / 1000 / 5000 Stück (Bauteilgrössen-abhängig) Nicht für grosse Serien geeignet Werkzeuglos Prozess-spezifische Materialien Geeignet für komplexeste Geometrien Limitierte Materialauswahl Jedes Bauteil kann kundenspezifisch sein (Teile-Nummerierung, ) Ev. zus. Finish-Aufwand notwendig Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 28

29 Design-Prozess Sicherstellung von Design für additive Fertigung Konventionelles Design z.b. für Guss optimiert Design für additive Fertigung: Ausnutzung der Vorteile von AM. Gewichtsreduktion: 50% Nur wenn zu Beginn des Design-Prozesses auf die Eigenheiten von AM geachtet wird (Vor- / Nachteile), kommt s optimal! 29

30 Design-Prozess Design-Prozess für additive Fertigung Spierings (2013): «Generischer Design-Prozess», EU-SASAM-Projekt 30

31 Ausblick «Industrial landscape vision» Zielgrössen der Europäischen Strategie Aufbau qualifizierter Arbeitsplätze «Rückholung» von Arbeitsplätzen nach Europa Individualisierte Produkte mit «added value» Customized products Wachsender Einbezug der Konsumenten in die Produkt-Entwicklung «High-Tech» Produktion Qualifizierte Arbeitsplätze Sustainable Production Additive Fertigungsverfahren können einen wesentlichen Beitrag dazu liefern! Internationale Handels-Strategie und Politik «Global production local supply chain» Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 31

32 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr. K. Wegener Institut für Werkzeugmaschinen ETH-IWF Tannenstrasse Zuerich wegener@iwf.mavt.ethz.ch A.B. Spierings Manager R&D SLM Lerchenfeldstrasse St.Gallen spierings@inspire.ethz.ch Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 32