Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau

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1 Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau FH-Prof. Dipl.-Ing., Dr. techn. Reinhard BUSCH Inhalte FH-OÖ, Fakultät für Technik Der 3D-Druck-Hype Generative Fertigung, Einsatz und Entwicklung Systematik/Technologien generative Fertigung Generativer WZB, strategische Merkmale Generativer WZB, konstruktive Merkmale Beispiele zu konturnaher Temperierung Beispiele zu hybriden Werkzeugen Qualitätsmerkmale Verzugsminimierung Wirtschaftliche Merkmale Zusammenfassung Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 2

2 FH OÖ - Campus Wels Kompetenzen Das ist eine Subline Das ist ein sogenannter Blindtext Man kann ihn sehen trotzdem bedeutet er nichts. Aber Sie können sich vorstellen, wie es aussieht. Man kann ihn sehen trotzdem bedeutet er nichts. Aber Sie können sich vorstellen, wie es aussieht. Das ist ein sogenannter Blindtext in der dritten Aufzälungsebene Das ist ein sogenannter Blindtext Man kann ihn sehen trotzdem bedeutet er nichts. Aber Sie können sich vorstellen, wie es aussieht Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 3 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) Ca. 60 hauptberufliche ProfessorInnen Ca. 400 nebenberuflich Lehrende aus der Wirtschaft / Industrie Ca. 100 wissenschaftliche MitarbeiterInnen exkl. ProfessorInnen Ca. 60 lfd. F&E-Projekte; ca. 100 Publikationen pro Jahr 2013: ca. 6 Mio. F&E Umsatz, entsprechend 25% des Gesamtbudget Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 4

3 3D Druck Hype Obama: State of the Union Address (Feb. 2013) 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 Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 5 3D Druck Hype Obama: State of the Union Address (Feb. 2013).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 and guarantee that the next revolution in manufacturing is made right here in America. We can get that done Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 6

4 3D Druck Hype Anteil des Produktionssektors am BIP JAP: 25% BRD: 26% Quelle EUROSTAT USA: 17% GB: 16% FR: 11% Quelle Oxford Economics Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 7 GF-Metall - Einsatzverhältnisse Prototyping >>>> Manufacturing Quelle: R. Berger, AM-Studie, München Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 8

5 GF-Metall - Einsatzverhältnisse Prototyping >>>> Manufacturing >>>>>> - Gewichtsreduktion: 120gr/Al >>> 70 gr/ti - Airbus 380 mit 850 Sitzen >>> 42,5 kg - Lebensdauer-Kerosinverbrauch: ltr/kg - Ersparnis: 1,9 Mio ltr oder ca. 1,1 Mio Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 9 GF-Metall - Einsatzverhältnisse Prototyping >>>> Manufacturing Abb.: Generativer Ventilblock mit strömungsoptimierten Kanälen Abb.: Generativer Leichtbau Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 10

6 GF-Metall - Einsatzverhältnisse Prototyping >>>> Manufacturing Technischer Prototyp (AGR- System) für BMW-Motoren Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 11 GF-Metall - Entwicklung Globale Marktverhältnisse Quelle: Wohlers Associates, VDW, R. Berger, AM-Studie München Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 12

7 GF-Metall - Einsatzverhältnisse Globale Marktverhältnisse Komplettsysteme und Industrieanlagen: - Preisklassen:, bis 1,5 Mio namhafte Hersteller (EU 9, USA 3) >>> Tendenz steigend; 2015f Patente auslaufend Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 13 Generative Fertigungsverfahren Technologie SL/SLA/DLP/ LCM/ Aerosol Jet Technologie LCVD Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 14

8 Generative Fertigungsverfahren Technologie FLM/FDM/MJM/ FFF/ SLS/DMLS/CMB/EBM/ LS/L-Cusing/DSPC/ 3DP LLM/LMT/ LOM/ Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 15 Generative Fertigungsverfahren Technologie Schichtweises herstellen von Bauteilen durch Auf- oder Aneinanderfügen (additiv) von Volumenelementen Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 16

9 Generative Fertigungsverfahren Technologie 3D-Druck Metall 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 Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 17 Generative Fertigungsverfahren Technologie Selektives Sintern/Schmelzen Generativ/ Additiv Sintern, Schmelzen, Schweißen Hybrid Additiv/Subtraktiv Laser Pulverdüse Laser Pulverbett Elektronenstrahl Pulverbett Laser Engineered Net Shaping Fa. Optomec SLS 3D Systems SLM Fa. Realizer DMLS Fa. EOS LaserCusing Fa. Concept L. EBM Fa. Arcam DMD/POM Fa. Trumpf SLM SLM Solutions Laser Melting Fa. Renishaw. DLF Fa. Trumpf Laser Sintern Fa. Phenix/3DS Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 18

10 Generative Fertigungsverfahren Technologie Selektives Sintern/Schmelzen Dichte Schweißspuren durch: spezielle Scanstrategie opt. Prozessführung Schutzgasatmosphäre Abb.: Schweißprozess beim Selektiven Laser Schmelzen Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 19 Generative Fertigungsverfahren Technologie Selektives Sintern/Schmelzen Elektronenstrahlsintern ARCAM (Electron Beam Melting): Schichtdicken µm; Genauigkeiten ±400µm; Abb.: EBM Kavität nachbearbeitet (1.2344) Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 20

11 Generative Fertigungsverfahren Hybride Technologien Generativ/ Additiv Sintern/Schmelzen, Schweißen Hybrid Additiv/Subtraktiv Laser Pulverdüse Laser Pulverbett Elektronen -strahl Pulverdüse Laser Pulverdüse Strahl Controlled Metal Buildup (Laser mit Draht) Fa. Röders und FhG Lasertec (Pulver) Fa. DMG- MORI MPA (Micro-Schmieden) HERMLE- Maschinenbau [Kaltpressschweißen; thermisches Spritzen] Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 21 Generative Fertigungsverfahren Hybride Technologien Lasertec Auftragsschweißen Controlled Metal Buildup Metall-Pulver-Auftragen Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 22

12 Generativer Werkzeugbau Strategische Aspekte Umsetzung neuer Konzepte: Konturangepasste Temperierung Variotherm-Werkzeuge Verbesserung von Zykluszeit und Bauteilqualität Energieeinsparung und Werkzeugschonung Hybride Werkzeugeinsätze Hybride Werkzeugmaschinen Komplexität der Werkzeuge Umformwerkzeuge zum Presshärten Umformwerkzeuge mit Schmiereinrichtungen usw Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 23 Generativer Werkzeugbau Konstruktive Merkmakle G - WZG-Bau ist nur dann sinnvoll, wenn funktionelle Merkmale eingebracht werden, die konventionell nicht herstellbar sind Generativ werden nur Einsätze oder Elemente des Serienwerkzeuges hergestellt (Wirtschaftlichkeit) Hybridbauweise: Grundkörper in klassischen WZG-Stahl, kritischer, zu kühlender Teil des Einsatzes wird generiert Bei extremen Aspekt-Verhältnissen (tiefen/schmalen Nuten), Einsatz eines generierten Rohteils für das W-EDM Einsatz von Kühlstiften mit Spiralkanälen für Wasser- und Luftkühlung Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 24

13 Generativer Werkzeugbau Beispiel: Werkzeugkonstruktion (MAPAL) Lasersintern ermöglicht kleine Durchmesser! Lasergesinterte Bohrer Ø 9 12 mm, statt bisher min. Ø 13 mm 100 % gesteigerter Kühlmitteldurchfluss durch gewendelte, nicht kreisförmige Kühlkanäle Längen bis 12xD serienmäßig verfügbar (patentiert) Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 25 Generativer Werkzeugbau Beispiel: Hybrider Werkzeugeinsatz (Fa. Trodat) Abb.: Bauteil Abb.: Schieber mit alter bzw. neuer Kühlung Abb.: Schieber, neu in Hybridbauweise Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 26

14 Generativer Werkzeugbau Verschiedene Projekte (Hybride WZG-Einsätze) Werkzeugeinsatz 3: Volumen 108 cm³ L=110 mm, B=46 mm, H=38 mm, Programmierung 1 Std.; Bauzeit 20 Std. Werkzeugeinsatz 4: Volumen 224 cm³ L=70 mm, B=45 mm, H=116 mm, Programmierung 1,5 Std.; Bauzeit 56 Std Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 27 Generativer Werkzeugbau Fertigungstechnische Merkmale Herstellung extremer Aspektverhältnisse Hoher Erodieraufwand aus dem Vollen Deutliche Aufwandsreduktion durch generiertes Rohteil Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 28

15 Generativer Werkzeugbau Fertigungstechnische Merkmale Quelle: TU-Darmstadt/Abele Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 29 Generativer Werkzeugbau Beispiel: Ausführung der Temperierkanäle Formkühlung klassisch (Symboldarstellung) Konturkühlung generiert (Schiebereinsatz) Quelle: R. Hofmann / AWM Entfall toter Strömungszonen 2-3 mm an der Formkontur Aufspaltung eines Kreislaufes Zusätzliche Kreisläufe Keine Kühlwasseraufwärmung dynamische Kühlung gleichmäßige Kühlung z.b. Anguss-Hzg., Kern-Kühlg Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 30

16 Generativer Werkzeugbau Beispiel: PP-Kunststoffknie Abb.: Rohrkrümmer 4-fach Spritzgussteil Abb.: lokal begrenzte Konturkühlung Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 31 Generativer Werkzeugbau Beispiel: Kunststoffknie PP Finathene XS10B Abb.: Temperaturverteilung am Spritzling ca. 20 nach der Entnahme Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 32

17 Generativer Werkzeugbau Beispiel: Kunststoffknie: Messergebnisse Form-Kühlung (Spanne der Farbmarkierung: 0,45 mm) Reduktion der Zykluszeit um 66% Erhöhung des Füllgewicht es um 3% Reduktion der Formabweichungen um 30% Kontur-Kühlung (Markierungs-Spanne: 0,31 mm) Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 33 Generativer Werkzeugbau Beispiel: Qualitätsmerkmal Verzugsminimierung konventionell generativ Ergebnisse dieser Kühlung: Weniger Verzug am Artikel Bessere Produktqualität Reduzierung der Zykluszeit von 24 s auf 18 s = 25% Reduzierung der Stückkosten Wettbewerbsvorteil Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 34

18 Generativer Werkzeugbau Beispiel: Werkzeugkorrosion und -verschmutzung Probeplatten im Kühlkreislauf: Gefräste/gebohrte Kühlkanäle Testzeitraum: 6 Monate Quelle: Kolbe/FKT Generierte Kühlkanäle Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 35 Generativer Werkzeugbau Wirtschaftliche Merkmale Die Zykluszeit: Kühlzeit ca. 70% richtet sich nach der Entformungstemperatur des Materials Ein effizienter Kühlkreislauf: reduziert die Abkühlzeit verbessert die Qualität der Formteile (gleichmäßiges Abkühlen) verringert Restspannungen ergibt höhere Maßgenauigkeit und Formstabilität Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 36

19 Generativer Werkzeugbau Wirtschaftliche Merkmale Entwicklung der Kosten [ /cm³] Quelle: EPSRC, DMRC, R. Berger, AM-Studie München Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 37 Generativer Werkzeugbau Operative und Wirtschaftliche Merkmale Konturnahe Temperierung ermöglicht: Zykluszeitreduktionen durch Beherrschung der Hotspots (Die WZG-Kühlzeit beträgt bis zu 2/3 der Zykluszeit) geringere Prozessanlaufzeiten durch gezielte thermische Steuerung, mehr Möglichkeiten zur Prozessoptimierung Prozesssicherheit durch homogene Oberflächentemperierung, auch bei fast vollständig umgossen sind (Nuten, Augen, etc.) Geringe Maß-, Form- und Lageabweichungen durch gleichmäßige, homogene Abkühlung über das gesamte Bauteil Reduzierte Bauteilverzüge/Restspannungen durch homogene Temperierung Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 38

20 Generativer Werkzeugbau Operative und Wirtschaftliche Merkmale Zukunftsbestimmende Einsatzpotenziale: Innovationsfähigkeit in den Köpfen der WZG-Konstrukteure Abbau der alten Vorurteile im Spritzguss-Werkzeugbau (Dichtheit, Werkstoffeigenschaften, Verschmutzung von Kanälen, etc.) Neue Ansätze im Pressen-Werkzeugbau (Temperierung beim Presshärten, Schmierkanäle in Tiefziehwerkzeugen, etc.) Natürlicher Kostenwettbewerb mit den klassischen Fertigungsverfahren Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 39 Generative Fertigung und Generativer Werkzeugbau Danke für Ihre Aufmerksamkeit FH-Prof. Dipl.-Ing., Dr. techn. Reinhard BUSCH Literatur: B. Bertsche, HJ. Bullinger: Entwicklung und Erprobung innovativer Produkte Rapid Prototyping, Springer 2007 A. Gebhardt: Generative Fertigungsverfahren, Hanser 2007 R. Poprawe: Lasertechnik für die Fertigung, Springer 2005 M. Zäh: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien, Hanser Generative Fertigung und generativer Werkzeugbau R. Busch Seite 40