Rapid Prototyping und Direct Manufacturing: 2 Facetten der Generativen Technologien aus Industriesicht

Transkript

1 Rapid Prototyping und Direct Manufacturing: 2 Facetten der Generativen Technologien aus Industriesicht Klaus Müller-Lohmeier Festo AG&Co. KG Esslingen, Deutschland Symposium Virtuelle Produktentwicklung, Rapperswil (CH), 19. April

2 Vorbemerkung 2

3 Think global, act local Automation and Didactic Factory and Process Automation 300,000 customers 30,000 catalogue products Turnover (Group): EUR 2,1 billion (2011) 15,500 employees in 176 countries 2,900 patents world-wide R&D budget 8,5 % of sales People: our no. 1 success factor 3

4 Begreifen durch begreifen! Oft muss man Dinge einfach mal anfassen, fühlen, anschauen, sich veranschaulichen bevor man weitere Schritte unternimmt (Bild-Quelle: Sonntag Aktuell, ) 4

5 Hier kommt das Additive Manufacturing ins Spiel! Behauptung: Sie alle hier haben eigene praktische Erfahrungen mit dieser Technologie!? Top, die Wette gilt! Wer von Ihnen hat noch nicht mit Lego gebaut? 5

6 What is Additive Manufacturing? How generative or layerwise technologies work 3D-CAD model as necessary origin Postprocessing with (virtual) slicing Layerwise material deposition following the specific slice information LS(1 ) (Bild- + Video-Quellen: Lego; EOS Matthes: Grundlagen der Fertigungstechnik) The technological path 6

7 The right way: Additive Manufacturing Definition according ASTM F (F42), 2009: "process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies Synonyms: rapid prototyping, rapid manufacturing, additive fabrication, additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing, freeform fabrication similiar definition: VDI 3404:

8 Nomenclature of generative techniques Rapid Prototyping (RP): toolless fabrication of (single) prototype parts in layers direct from CAD data VDI: Rapid Prototyping (RP) Generative Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität (Prototypen, Versuchsteile). Eigenschaften: ausgewählte Merkmale, z.b. Geometrie, Haptik. Material kann, muss aber nicht Serienmaterial sein. Konstruktion kann, muss aber nicht fertigungsgerecht im Sinne der Serienfertigung sein. Rapid Manufacturing (RM) / Direct Manufacturing (DM) : toolless manufacturing of (small-lot) series of end-use parts in layers direct from CAD data VDI: Rapid Manufacturing (RM) Generative Herstellung von Endprodukten (häufig auch als Serienteile bezeichnet). Eigenschaften: Weist alle Merkmale des Endprodukts auf oder wird vom Kunden für den Serieneinsatz akzeptiert. Material ist identisch mit dem des Endprodukts. Rapid Tooling (RT) / Direct Tooling: layer-wise, non-cutting (non-eroding) fabrication of injection molding or diecasting tools

9 Additive Manufacturing is part of the digital solution process! shipment (first) design / CAD assembly reverse engineering final AM parts FEM simulation / virtual reality finishing of AM parts CAD model -> slice model virtual part placement in build envelope of AM machine layerwise part build-up in AM machine 9

10 Historisches Vom Spielzeug computerverliebter Ingenieure 1987 In USA auf der "Autofact"-Messe erstmals Vorstellung einer Stereolithografie-Maschine durch die Fa. 3D-Systems (Hull, Patent US , 1986) zum Standard -Werkzeug moderner Produktentwicklung Mitte 2011 Kumuliert wurden weltweit ca generative RP-Anlagen installiert (Quellen: Wohlers Report, 3D-Schilling, Objet)

11 Generative (or additive) techniques at Festo: history and status practical own experience in RP techniques since 1995 (8 years after birth of the new technology) using nearly all generative techniques available network of in-house facilities (4x FDM, 3x SLS, 1x SLA, 2x SLM) -> Festo Fast Factory in 2011 some parts are realized within more than orders contact to well-known research instituts involved in a couple of research projects active member in several AM associations

12 Festo Fast Factory Definition Die Festo Fast Factory (FFF) bildet die technologische Basis für die Umsetzung von virtuellen Lösungen in physisch-reale Körper. Sowohl für Kunden als auch für Festo ergeben sich mit dieser effizienten Prototypen-Herstellung in der individuellen Produktentwicklung enorme Einsparungspotenziale, die das Time-to-market deutlich reduziert. In beiden Fällen geht es um die schnelle und werkzeuglose physische Realisierung von Ideen/ Lösungsansätzen/-alternativen als Basis für weitere Schritte / Entscheidungsprozesse Erst-Verfügbarkeit von neu entwickelten Einzelteilen, Baugruppen oder Lösungskonzepten in Stunden und Tagen anstatt Monaten oder Quartalen

13 Mission 1: Support Festo customers Market requirements Realisation of customer specific solutions within shortest possible time Partnership Engineering together with customers by continous interaction (from 3D-models over simulation to rapid prototypes) Speed is a competitive advantage! Fast realisation of adequate customer solutions 13

14 Mission 2: Accelerate Festo R&D Decrease time to market for catalog products Especially tool based parts show often long delivery times Usage of alternative manufacturing technologies allows to cut lead times for specific parts Fast availabilty of functional prototypes yields to earlier realiabilty in the design process R&D advantage through speed improvement in technical conversion of a solution! Fast supply of design and functional prototypes for R&D 14

15 Case study: Short run production of customer specific parts Customized holding fixtures for gripper elements (FDM, ABS) Continous request from sales department / market On-demand toolless production of customer specific polymer grippers Average time for completion of small series < 1 day; average delivery time < 3 days Customer orientation 15

16 Case study: Customer problem solution Customer specific cylinder (SLS, PA 12) Short-time delivery (< 3 days) of alternative cylinder body geometries External: quick delivery to customer for implementation studies Internal: fast available prototypes for internal pressure creep test yielding for safety in providing alternative solutions (more than 3 months at 10 bar and 80 C) Quick customer support 16

17 Case study: Customer specific development Pilot valve for valve control unit concept model for customer development discussion toolless production of a series of 5 units within 2 days avoiding tool costs in case of wrong development direction Fast supply of customer specific concept models 17

18 Case study: Direct / Rapid Manufacturing Fastener for flexible tube (Tripod project) Coil body for Didactic project typical annual demand: 300 / 800 pieces toolless production by plastic laser sintering (SLS) within < 2 weeks costs less than 3 / piece Economic short run production of accessories and basic parts for new concepts 18

19 Case study: Serial production of polymer parts Snap-fit for serial supply of a major customer (SLS, PA 12) Additive fabrication of snap-fit (alternative technology!) Complete process chain (with 4 build chamber fillings) realized within 37 hours Plastic injection molding vs. toolless additive fabrication: time 2 months vs. 2 weeks, costs 1 : 0,66 Top speed for customer satisfaction 19

20 Case study: Laser melted steel parts Drive part prototyping for R&D Left stop Right stop Stop parts for a new generation of rodless drives with steel powder based SLM Stainless steel with density of 99,5%, part size up to 45 x 25 x 20 mm³ (1,8 x 1 x 0,8 ) Complete process chain for a set of 6 pieces : 1 week (compared to serial MIM process > 4 months) Early reliabilty in product concept: endurance test with 30 million load cycles 25% reduction of development time 20

21 Case study: New product development Piston for redesign of rodless pneumatic cylinder toolless production of a series of 3 units by metal laser melting (SLM) within 3 days early reliabilty in product concept through immediate testing avoiding tool costs in case of wrong development direction Reduction of development time and costs 21

22 Case study: laser melted aluminium parts Valve part prototyping for R&D Valve housing: design study with SLS parts, functional parts with SLM in aluminium Aluminium parts (AlSi10Mg) with material density of 99,5% / part size up to 145 x 65 x 50 mm³ Complete process chain for 1 piece : 3 days (vs. 8 months by die casting) But: costs of generative Al part 270 times higher as die casted serial part High speed support for product development 22

23 Paradigm shift in design and manufacturing Manufacturingdriven design Design-driven manufacturing Function integration Part number and assembly effort reduction New design solutions Additive manufacturing eventually means the liberation of design from manufacturing 23

24 Biomechatronic footprint Übertrag von der Natur in die Industrieapplikation

25 Case study: Support of Bionic Learning Network FinGripper 2009/ Handling Assistant 2010/ Lightweight Roboter 2010 / Robotino XT 2011 function integration part number reduction toolless part fabrication less or without assembly no alternative technology BHA (2 ) 2010 award winner RobotinoXT (2 ) Physical realisation of new handling concepts 25

26 Adaptive Gripper: A universe of possibilities Application: Cookies Application: Chicory Application: Picking and sorting of pepper The new gripper picks autoadaptive and form-locking and moves nearly every object safe and gentle AG (1 ) Fin Ray Effect is a trademark of EvoLogics, Berlin 26

27 Case study: laser melted aluminium part Heat exchanging device for customer specific test bench Device with internal conformal cooling channels (Al powder-based SLM process) Part size 244 x 208 x 59 mm³, net weight about 2,5 kg Non-stop additive manufacturing time : 5 days (complete process chain: 14 days) Cooling capacity about 8 KW One of the biggest Al parts in the world done by additive manufacturing 27

28 Case study: laser melted aluminium part Heat exchanging device for customer specific test bench 28

29 Typische AM-Baujobs Virtuelle Platzierung von Bauteilen in Baukammern für den Kunststoff-Lasersinterprozess -> optimale Bauraumausnutzung -> werkzeuglose Herstellung geometrisch komplexer Bauteile in größerer Stückzahl 29

30 Fazit Wir haben das Tor zu der Welt von morgen durchschritten! Sind wir wirklich schon mit dem Rapid bzw. Direct Manufacturing im Paradies von morgen angekommen? Wintersemester Sommersemester 2010/

31 Rapid or Direct Manufacturing Product operating or service time / customer expectations Human implants 5-15 years? Automation components 6-10 years Automotive years Aviation years There is a huge difference between Rapid Prototyping and Rapid / Direct Manufacturing! -> Direct Manufacturing has to face demands from long-term product liability end-user customer satisfaction and profitability

32 Praxisorientierte Untersuchungen an SLS-Teilen Wechselbiegung Druckproben/Berstversuche 5 Millionen Biegewechsel 2,5 mm Wandstärke: 80 bar Berstdruck 32

33 Grundlagenorientierte Untersuchungen an SLS-Proben und -Material Zugprüfung und Wechselbiegung an Analyse der Korngrößen- verteilung und Form der Restmonomergehalt und DSC-Analyse? genormten Prüfkörpern Pulverkörner? Basis für begleitende Qualtätssicherung beim Kunststofflasersintern 33

34 Bauteilversuche mit generativ erzeugten Ventilkörpern aus Aluminium Pneumatischer Langzeit-Funktionstest Quelle: Festo, BMBF-Förderprojekt AluGenerativ Prüfkörper: je 2 Ventile mit SLM-Gehäusen in Bauweise H/C bzw. C/H, mechanisch endbearbeitet Testparameter: p=6 bar, f=3 Hz, Raumtemperatur, Luft nicht geölt Dauerlaufstart: Stand : 240 Mio. Schaltspiele Eingangsprüfung: Schaltdrücke: ok Leckage: ok Zwischenprüfung: Schaltdrücke: ok Leckage: ok 34

35 Status quo: process (un)reliability!? Example 1: Internal crack formation due to residual stresses? Example 2: Crack formation between support and part or build plate due to thermal stresses Different views of 3D X-ray inspection 35

36 Abhilfe SimuSint Serien- und generativ erzeugte Ventilbauteile Thermomechanische Simulation Quelle: BMBF-Verbundprojekt SimuSint, > Simulationssystem zur Berechnung von fertigungsbedingten Temperaturen, Verformungen und Eigenspannungen von generativ gefertigten Metallteilen -> Grundlage für Optimierung von Bauparametern (Bauraumorientierung, Stützenausprägung) -> Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit eines Baujobs (Beispiel 5-Tage-Bauteil!) -> Vermeidung von unnötiger Mehrarbeit und Zusatzkosten -> somit nicht nur gesteigerte Bauteilqualität, sondern auch erhöhte Methodensicherheit durch Vorab-Simulation des thermomechanischen Wechselspiels Globalmodell Von Mises-Vergleichsspannung Verformungen

37 Kosten-Aspekte bei Kunststoffteilen (PA) 1.000,00 Fangdüse Kosten RP pro Teil 12,00 Mitnehmer Kosten RP pro Teil 100,00 Kosten Spritzguss pro Teil 10,00 Kosten Spritzguss pro Teil Kosten Spanend pro Teil 8,00 10,00 6,00 1,00 4,00 2,00 0,10 0,00 Stückzahl Stückzahl RM-Benefit bei geometrisch komplexeren Teilen mittlerer Stückzahl (Funktionalität!) Wintersemester Sommersemester 2010/

38 Kosten- und Zeit-Aspekte bei Metallteilen (Aluminium) , , ,00 100,00 10,00 1,00 Gehäuse Kosten Rp pro Teil Kosten Druckguss pro Teil Zeiten: Sehr lange generative Fertigungszeiten pro Teil: rund 24 h Bauzeit (Baurate!) h kostenintensive Nacharbeit -> 250 Teile -> rund 1 Jahr! Zum Vergleich -> Werkzeugzeit: 8-10 Monate! -> ähnliche Kosten bei deutlich höherer Ausbringung Stückzahl RM-Benefit nur bei kleinsten Stückzahlen ( Einzelstückfertigung ) oder kleinen Teilen Wintersemester Sommersemester 2010/

39 Zusammenfassung Es gibt bereits viele beeindruckende Ergebnisse und Erfolge im RP- und teilweise AM/RM-Bereich! Im Gegensatz zum Rapid Prototyping entspricht der aktuelle Stand des Rapid Manufacturing aber durchaus noch einer Baustelle! RM Aber: Den Optimisten gehört die Zukunft! 39

40 Festo Fast Factory with high expertise and motivation! From idea to solution Herzlichen Dank für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit always in top gear! 40