RAPID PROTOTYPING ADDITIVE FERTIGUNG

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1 RAPID PROTOTYPING ADDITIVE FERTIGUNG FH-Prof. Dipl.-Ing., Dr. techn. Reinhard BUSCH Professor für Produktionstechnik, Fakultät für Technik, FH-OÖ Inhalt 1. Der 3D-Druck-Hype 2. Produktentwicklung und Modellbildung 3. Systematik der generativen Verfahren 4. 3D Printing, Systeme und Anwendungen 5. LMT, Systeme und Anwendungen 6. FLM, Systeme und Anwendungen 7. SL, Systeme und Anwendungen 8. SLS, Systeme und Anwendungen 9. DMLS an der Fakultät für Technik 10. Zusammenfassende Aspekte der AF Seite 2 FH OÖ - Campus Wels Kompetenzen Fakultät für Technik/Umwelt Zahlen und Fakten Infrastruktur Gegründet 1994 FH-Neubau 2005 eröffnet rd. 60 modern eingerichtete Labors Statistik Ca Studierende (Stand 11/2013) Ca AbsolventInnen (Stand 11/2013) 56 hauptberufliche ProfessorInnen Ca. 400 nebenberuflich Lehrende aus der Wirtschaft / Industrie Ca. 90 wissenschaftliche MitarbeiterInnen exkl. ProfessorInnen Ca. 60 lfd. F&E-Projekte; ca. 100 Publikationen pro Jahr 2013: ca. 6 Mio. F&E - Umsatz Seite 3 Seite 4

2 Fakultät für Technik/Umwelt F&E-Schwerpunkte / Forschungsgruppen Wels 3D Drucker Hype Obama: State of the Union Address (Feb. 2013) Biotreibstoff- & Lebensmitteltechnologie Automatisierungstechnik und Simulationen Werkstoff- und Produktionstechnik Energie und Umwelt Biotreibstoffe Energieeffiziente Gebäude Multiphysik. Simulationen Aktive Thermografie Metallurgie Ökoenergie Funktionelle Lebensmittel Mechanische. Simulationen Smart- Grid Mess- und Prüftechnik Kunststoffverarbeitung Umwelttechnik Computertomografie Bahnautomatisierung Oberflächentechnik Umform- Technik & Rapid Tooling Innovations- & Technologiemanagement Elektromobilität Rauchgasreinigung Interdisziplinäres Thema Front End of Innovation Last year, the NNMI created our first manufacturing innovation institute. (Additive Manufacturing Innovation Institute rebranded as A merica M akes)..a state of the art lab where new workers are mastering the 3D printing that has the potential to revolutionize the way we make almost everything Seite 5 Seite 6 3D Drucker Hype Obama: State of the Union Address (Feb. 2013) 3D Drucker Hype Anteil des Produktionssektors am BIP And I ask this Congress to authorize a onetime $1 billion investment to create a network of 15 of these hubs (IMIs Institutes for Manufacturing Innovation) plus 30 over the next 10 years JAP: 25% BRD: 26% and guarantee that the next revolution in manufacturing is made right here in America. We can get that done. Quelle EUROSTAT USA: 17% GB: 16% FR: 11% Quelle Oxford Economics Seite 7 Seite 8

3 3D Drucker Hype 3D Drucker-Aktien auf Höhenflug 3D Druck Hype 2013 Entwicklungen in der additiven Fertigung 3D Systems und Stratasys...- Aktien haben sich im Wert vervierfacht bis verfünffacht. ExOne und Proto Lab... - Aktien seit der Erstnotiz verdoppelt und verdreifacht. Arcam... - Aktien innerhalb des letzten Jahres schon verzehnfacht. STOXX Global 3D-Printing Tradeable EUR Index Arcam (Schweden), Bertrand (Deutschland), Dassault (Frankreich), 3D Systems, ExOne, Faro-Technologies, Greatbatch, ProtoLabs, Stratasys, Symmetrie Medical (alle USA) 16% Gewinn in drei Monaten Mai: Juli: Sommer: Sommer: November: Ein Student aus Texas im Internet: Bauplan für eine Einweg-Pistole aus einem 3D-Drucker Microsoft Windows 8.1 unterstützt 3D-Druck- Software NASA, GE-Aviation, Northrop Grumman u.a. veröffentlichen erfolgreiche Testergebnisse mit generierten Metallteilen Amazon, Media Markt, Conrad, u.v.a. bieten massenweise Drucker für den Heimgebrauch an Solid Concepts (Tex/USA) generiert Metall-Pistole mit einer Tauglichkeit von 50 Schuss Seite 9 Seite 10 3D Druck Hype Veranstaltungen zu 3D-Druck im deutschsprach. Raum 2. Hälfte März 2014: 1. German RepRap: 3D-Druckerbau Workshop Feldk./München 2. 3DPRINTING 2.0 Seminar Düsseldorf 3. Fachtagung: Faszination 3D-Druck in der Industrie - Wels 4. 3DPRINTING 2.0 Seminar Köln 5. German RepRap: 3D-Druckerbau Workshop Feldk./München 6. German RepRap: Einführung in den 3D-Druck - München 7. Technische Akademie Schwaben: Additive Fertigungsverfahren 3D-Druck Rapid Prototyping - Augsburg 8. 3DPRINTING 2.0 Seminar Hamburg 9. Print3D future - Wien 10.Gerhard Kempf: 3D-Druck Workshop Puch/Salzburg Quelle: 3Druck.com 3D Drucker - Hype Gerätemarkt (low cost) zur additiven Fertigung A) RepRap Bausätze und Open Source Geräte: - Ca. 150 versch. Geräten am Markt (ausschl. FLM und SL) - Gerätekosten: 70,-- [PEACHY PRINTER] bis 3.000,--. - Ca. 10% des weltweiten -Umsatzes, B) 3D-Druck Dienstleister: - FabLab`s: BRD 16; Österreich 8; Schweiz 9; (Q: 3Druck.com) - Google 3D Druckdienstleister : ca deutschspr. Links. Seite 11 Seite 12

4 3D Drucker - Hype Schlagworte zu neuen Geschäftsmodellen Individualisierung: Losgröße 1 Prozess-Integration: Kunde wird zum Produzent On-Location Produktion: Fa. Staples Inc.: weltweit 1500 x 3D-Kopieren um die Ecke On-Demand Produktion: Fa. Shapeways (Auftragsfertiger für i-designer) o. Werkzeugkosten Partizipative Geschäftsm.: (Open Source Projekte, FabLab`s, DIY Community) 3D Drucker - Hype Testergebnisse mit Low-Cost Geräten (IM 01/14) Softwareinstallation: Weitgehend unproblematisch, jedoch nur tlw. vorhandene Fehlertoleranz bei CAD Daten, Druckvorgang: PLA und ABS meist problemlos, generell häufige Prozessabbrüche mit völligem Neustart erforderlich, unbeaufsichtigter Betrieb ist nicht zu empfehlen, Druckqualität: Standardmaterial und Grundeinstellungen führen nicht automatisch zu befriedigenden Ergebnissen. Feintuning ist für jedes Bauteil erforderlich! Nachbearbeitung: Probleme wenn das Stützmaterial ident ist mit dem Baumaterial, Fazit: Kinderkrankheiten sind vorhanden, für den Betrieb ist Erfahrung oder sehr viel Experimentierfreude erforderlich, Seite 13 Seite 14 3D Drucker - Hype Maschinenmarkt für Industriesysteme C) Komplettsysteme und Industrieanlagen: - Ca. 150 Gerätetypen mit ca. 90% des weltweiten -Umsatzes - Preisklassen: , , bis 1 Mio. - Ca. 30 bis 40 namhafte Hersteller weltweit (Wohlers) (Ca.: Europa 15-20, China 10, USA 5 und Japan 2) >> Tendenz steigend durch zahlreiche auslaufende Patente! 3D Drucker - Hype Entwicklung neuer Produktionsstrukturen Geometrische Freiheit: Design to Manufacturing >> >> Manufacturing to Design, (Bionik, Topologieoptimierung) Differenzierung: Funktionale Integration: Kleine Losgrößen Reduktion der Bauteileanzahl Proz.-Integration: Smart Factory: Wegfall von Fertigungsschritten, Simultaneous Engineering, Frontloading (Vernetzung der Produktionssysteme, digitale Durchgängigkeit, etc.) - BRD: Industrie 4.0 [ca. 200 Mio.] - OÖ: Produktion der Zukunft [ca. 22 Mio.] Seite 15 Seite 16

5 Produktentwicklung Modellklassen und Prototypen (VDI 3404) Konzeptmodelle (Solid Image) (Designprototyp) Ästhetik, Optik, Haptik ( Show and Tell -Modelle) Günstige Modellmaterialien; Bedeutung: Proportionen!! Geometriemodelle (Maß-, Form- und Lage-Prototypen) Zur Datenkontrolle und Einbauuntersuchung Preiswerte Modellmaterialien, deren Eigensch. sekundär sind Funktionsprototypen (Überprüfung von Teil-Funktionen) Mit definierten Produktfunktionen des Zielproduktes Konstruktions- statt Modellwerkstoffen (Reproduzierbarkeit) Technische Prototypen (Versuch, Vorserie) (Mfg.) Überprüfung wesentlicher Eigenschaften des Zielbauteils Verwendung von Serienwerkstoffen (Reproduzierbarkeit!) Additive Fertigungsverfahren Systematik (nach Gebhardt, 2013) Schichtweises herstellen von Bauteilen durch Auf- oder Aneinanderfügen (additiv) von Volumenelementen,. 1. Prototyping [Einzelne Endbauteileigenschaften, große Abstraktion] 1.1 Solid Imaging (Konzept-/Geometriemodelle) 1.2 Functional Prototyping (Funktionsmodelle) Indirect Prototyping (gen. und nicht-gen. Pz-Schritte) Indirect Tooling (Abformen generativer Urmodelle) 2. Manufacturing [Eigenschaften des Ziel-/Serienproduktes] 2.1 Direct Tooling (einsatzfähige Werkzeugteile) 2.2 Direct Manufacturing (Seriennahe Zielbauteile/Produkte) Seite 17 Seite 18 Additive Fertigungsverfahren Technologien Additive Fertigungsverfahren Technologien FLM/FDM/MJM/ FFF/ SLS/DMLS/CMB/EBM/ LS/L-Cusing/DSPC/ 3DP LLM/LMT/ LOM/ SL/SLA/DLP/ LCM/ Aerosol Jet Technologie LCVD Seite 19 Seite 20

6 Additive Fertigungsverfahren Verfahrensfamilien und Modellklassen Additive Fertigungsverfahren Verfahrensprinzip 3DP: Three Dimensional Printing LLM: Schicht-Laminatverfahren FLM: Extrusionsverfahren Fused Layer Modeling SL: Stereolithographie-Polymerisation (L)S: Laser Sintern/Schmelzen Seite 21 Seite 22 3D Printing Verfahren Ähnlich dem 2D-Printverfahren von Tintenstrahldruckern Schichten (0,1-0,2 mm) durch eingespritzten Binder verklebt Ergebnis sind Bauteilgenauigkeiten von 0,1 mm Materialien: Gips, Elastomere, (Kunststoff), Keramikmischung Für Konzeptmodelle besonders wirtschaftlich Funktions- Geometrie- Konzeptmodelle 3D Printing Anwendungen und Folgeverfahren Folgeverfahren Direct Tooling Seite 23 Seite 24

7 3D Printing Anwendungen und Folgeverfahren 3D Printing Anwendungen und Folgeverfahren Produkte Techn. Prototyp Funktions- Geometriem. Schwimmflosse als Orthese Kunststoffe Sande Aston Martin DB 5, Skyfall 1:3 - Modell, 18-teilig PMMA-Feingussmodell Gegossenes Laufrad Operationsvorlage Indirect Tooling Probeform Wassermantelkern Produkte techn.prot. Funktions- Geometrie- Konzept-M Aerosol Jet Tech.: 3D Printed Electronics 3D Systems: ProJet x60 ExOne: Airbus A320: Door Hinge Guss und Kerne Metall-Druck entb.+sint.+infiltrieren Seite 25 Seite 26 Schicht-Laminat-Verfahren Layer Manufacturing Technologies (LMT) Bei dieser Verfahrensfamilie werden - die Schichten einzeln aus vorgefertigten Folien oder Platten - in einem automatisierten Prozess - mittels Laser, Messer oder Fräser konturiert und - simultan oder anschließend meistens durch Kleben verbunden. Bei Metall werden während, bei Kunststoffen und Papier spätestens nach dem Bauprozess alle nicht zum Bauteil gehörenden Teile entfernt und die Oberfläche fixiert und/oder nachbearbeitet. Funktions- Geometrie- Konzeptmodelle Schicht-Laminat-Verfahren Anwendungen Mcor-Technology (Papier) SOLIDO 3D (Folien) Seite 27 Seite 28

8 Extrusions- und ballistische Verfahren Fused Layer Modeling (FLM) Extrusionsverfahren sind Prozesse, - die erhitztes/ teigiges thermoplastisches Material - vorzugsweise kontinuierlich durch - eine oder mehrere Düsen pressen - und definiert auf einem Substrat ablegen. Die Energie im Material reicht dabei aus, das Substrat so anzuschmelzen, dass nach dem Abkühlen eine dauerhafte Verbindung entsteht. Materialien: ABS,PP, PPSF (Polyphenylsulfone), Hartwachs, etc. etc. etc. Funktions- Geometrie- Konzeptmodelle Extrusionsverfahren Anwendungen und Folgeverfahren Folgeverfahren Direct Tooling 3DSystems: CubeX (ABS, PLA) Solidscape: Wax-Printing Solidscape/TOP: Lingual Brackets Seite 29 Seite 30 Extrusionsverfahren Anwendungen Ballistische Verfahren Anwendungen Produkte techn.prot. Funktions- Geometrie- Konzept-M ARCHITEKTUR DESIGN Materialien: ABS, PLA, PVA und HIPS (für Stützkonstruktionen), Laybrick (mit Sand), Laywood (mit Holzfasern) HAGE3Dp-A2 INDUSTRIE Produkte techn.prot. Funktions- Geometrie- Konzept-M - Unter Verwendung einer Piezo-Düse - In Form von einzelnen Tröpfchen (bis zu 100Tropfen/Sek.) - Diskontinuierlich und berührungsfrei Kunststoffteile - Produktion: Aus Standardgranulaten Voll funktionsfähige Serieneigenschaften höchster Detaillierungsgrad (Glättung von Oberflächen) Im Hart-Weich-Verbund Seite 31 Seite 32

9 Polymerisation Stereolithographie (SL) Abb.: SL-Verfahrensprinzip SL ist die ind. Umsetzung der Verfestigung flüssiger oder pasteuser Monomere durch Polymerisation mittels Laser- Scanner, Lampen-Masken, Wärme u.a. Die, während der Bauzeit, geringe Festigkeit erfordert für überstehende Elemente Stützkonstruktionen. Ggf. Nachvernetzung/Aushärten in UV-Kammern erforderlich. Materialien: Harze/Photopolymere mit unterschiedlichsten Eigenschaften Polymerisation DLP-Verfahrensprinzip Das Kopfüber -Verfahren (Bauteil ist hängend) beim Digital-Light-Processing am Beispiel des LCM (Lithography-Ceramic- Manufacturing) 1 Light Source (LED 450 nm) 2 DMD Chip 3 Optics 4 Coating system 5 Tillable vat 6 Build platform Abb.: DLP im LCM/Lithoz-Verfahren, Quelle: TU-Wien (J. Stampfl) Seite 33 Seite 34 Polymerisation Verfahrensübersicht Polymerisation Anwendungen Licht versch. Frequenz Beam Interferenz Solidification (BIS) Holographic Interferenz Solidification (HIS) Polymerisation Stereolithographie Laserstrahl SLA ipro Fa. 3D Systems Lampe-Masken- Verfahren (DLP) ProJet (FTI) Fa. 3D Systems DMD Fa. Envisiontec Polymerdruck Fa. Stratasys/Objet LCM Fa. LITHOZ Produkte Techn. Prototyp Funktions- Geometriem. ABS-ähnlich HT (80ºC) Transparent PP-ähnlich Gummiartig (40-95 shore) Seite 35 Seite 36

10 Polymerisation Anwendungen und Folgeverfahren Polymerisation Anwendungen Produkte Techn. Prototyp Funktions- Geometriem. ULTRA 3SP Orto/Dent Perfactory 4 3D-Bioplotter Indirect Tooling Produkte techn.prot. Funktions- Geometrie- Konzept-M Dimensions: 330x130x100 μm Precision: ±1μm Seite 37 Seite 38 Selektives Sintern/Schmelzen Übersicht Hybrid Laserstrahl Pulverdüse Sintern Schmelzen Pulverbett Elektronenstrahl Selektives Sintern/Schmelzen SLS, DMLS, SLM, DMD, EBM, u.a. Handelsübliche und nahezu serienidentische Pulverwerkstoffe (Anschmelzen bzw.) Aufschmelzen, bei Metallunter Schutzgas Materialoptionen: - Thermoplastische Kunststoffe - kunstharzgebundene Sande - Metalle, Keramiken Controlled Metal Build Up (Laser+Pulver) FhG und Fa. Röders Laser Engineered Net Shaping Fa. Optomec DMD Trumpf SLS Fa. 3D Systems DMLS Fa. EOS SLM Fa. SLM Solutions Laser Cusing Fa. Concept L. EBM Fa. Arcam Abb.: Schweißprozess beim Selektiven Laser Sintern Seite 39 Seite 40

11 Selektives Sintern/Schmelzen Metall Selektives Sintern/Schmelzen FH-OÖ Fakultät für Technik - Wels Laser-Cusing M1 (Concept Laser) Dichte und zusammenhängende Spuren werden erzielt: durch eine spezielle Scanstrategie mit einer optimierten Prozessführung und unter Schutzgasatmosphäre Technische Prototypen und Werkzeugeinsätze. (Faser-Laser-Fokus µm) Bauteilmerkmale: - Bauraum: 150/ 220/180 mm - Bauteilgröße: 150/150/160 mm - Min. Bauteilwanddicke: ca. 0,5 mm - Schichtdicken: µm - Bauteiltoleranz: ca. ±0,5 mm - Bauteiloberfläche: Ra ca. 10 µm - Bauleistung: 2-5 cm³/h - Werkstückaufnahme: 3R-Spannsystem zur Hybridbearbeitung Datenformate: STL, IGES, CATIA 5, STEP Seite 41 Seite 42 Selektives Sintern/Schmelzen FH-OÖ Fakultät für Technik - Wels Selektives Sintern/Schmelzen FH-OÖ; Fakultät für Technik - Wels Laser-Cusing M1 (Concept Laser) Material-Optionen: - E-St. 20ES vgl.: ; Rm ca. 650 N/mm 2, ca. 20 HRC (säure- und rostbeständige Bauteile) - WA-St. 50WS vgl.: ; Rm ca N/mm 2, 50 HRC verg. (Werkzeugeinsätze für Serienspritzguss) - WA-St. 91RW vgl ; martensitischer Cr-Stahl (Werkzeugeinsätze für korrosive Kunststoffe) - Ni-Basislegierung gleichwertig: Inconel Bronzebasis (Rm = ca. 400 N/mm 2 ) Abb.: Technische Prototypen aus Metall Abb.: Filigrane Funktionsstrukturen Seite 43 Seite 44

12 Selektives Sintern/Schmelzen FH-OÖ Wels, Techn. Prototyp für BMW-Motoren Verschiedene Projekte Hybride Werkzeugeinsätze Technischer Prototyp (AGR- System) für BMW-Motoren Abb.: Werkzeugeinsatz 3; Volumen 108 cm³ L=110 mm, B=46 mm, H=38 mm, Programmierung 1 Std.; Bauzeit 20 Std. Abb.: Werkzeugeinsatz 4; Volumen 224 cm³ L=70 mm, B=45 mm, H=116 mm, Programmierung 1,5 Std.; Bauzeit 56 Std. Seite 45 Seite 46 F&E-Projekt Umformwerkzeuge Presshärten und Tiefziehen Schmierung der hochbelasteten Bereiche am Ziehring über Schmierkanäle (Durchmesser: 0,6 mm) Schmierstoffzufuhr F&E-Projekt Umformwerkzeuge Presshärten und Tiefziehen Prozessparameter: Blech: 22MnB5 (galvan.) Blechdicke: 1,5 mm Ziehtiefe: 20 mm Einlegetemp. 920ºC Presszeit: Ergebnisse: 8 sec Permanente Leitungs- Kühlung: Wasser Härte HV0, Bauteil Messbereich v=40 mm/s, m.k. v=40 mm/s, o.k. Matrize Eingang Ausgang Niederhalter Eingang Ausgang Eingang Ausgang Stempel Seite 47 Seite 48

13 F&E-Projekt Umformwerkzeuge Werkstoffmischungen F&E-Projekt Umformwerkzeuge Bauraumheizung HTCS150 (0,45%C) Mikrohärte [HV2] CL50WS+HM+Keramik + versch. Scan-Parameter (WBH) Div. Mischungen CL50WS (WBH) Div. Mischungen Oberflächenabstand [mm] HRC 53 HRC 1,2,3 Parameter WBH Wärmebehandlung 6 h auf 520 C angelassen Bauraumheizung 80ºC Bauraumheizung 300ºC Bauraumheizung 400ºC o.v. 300 C 400 C Bauraumheizung: Werkstoffe mit höhen Kohlenstoff-Anteil verarbeitbar 55 HRC 53 HRC Seite 49 Seite 50 Zusammenfassende Aspekte Möglichkeiten, Vorteile und Nutzen Verkürzung der Entwicklungszeit / Blindflugzeit - Die Qualität der Produktentwicklung kann sich deutlich verbessern - Die höheren AF-Bauteilkosten werden dadurch kompensiert Steigerung der Flexibilität - Rasche Reaktion auf Marktveränderungen durch Prototypen - GF kann bei kleinen Stückzahlen gegenüber einer urformenden Herstellung zeitlich und kostenmäßig große Vorteile bringen. Umdenken der Konstrukteure bestimmt die Zukunft - Innovationsmöglichkeiten mit sehr hoher Komplexität - Nutzung konstruktiver Möglichkeiten aus der Bionik (Hülle/Kern) - Einsatz von Funktionsanalysen und integration erforderlich - Mit CAE zu Topologieoptimierung und generativem Leichtbau Rapid Prototyping - Additive Fertigung Danke für Ihre Aufmerksamkeit FH-Prof. Dipl.-Ing., Dr. techn. Reinhard BUSCH Professor für Produktionstechnik, FH-OÖ Fakultät für Technik Stelzhamerstraße 23, 4600 WELSTel.: r.busch@fh-wels.at Literatur: B. Bertsche, HJ. Bullinger: Entwicklung und Erprobung innovativer Produkte Rapid Prototyping, Springer 2007 A. Gebhardt: Generative Fertigungsverfahren, Hanser 2013 R. Poprawe: Lasertechnik für die Fertigung, Springer 2005 M. Zäh: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien, Hanser 2000 Seite 51 Seite 52