Additive Fertigung: State of the Art und Ausblick

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1 Additive Fertigung: State of the Art und Ausblick Innovations- und Technologieveranstaltungen in Schaffhausen «Additive Fertigung: Wettbewerbsvorteil oder nicht?» Oktober 2014 A.B. Spierings Leiter F&E SLM Inspire AG institute for rapid product development irpd, St. Gallen, Switzerland 1 Agenda Einleitung F&E irpd Trends «Complexity for free» Begriffe «AM & 3DP» Übersicht über additive Prozesse AM-Prozesse «Metalle»: SLM, EBM AM-Prozesse «Kunststoffe»: SLS, FDM Eigenschaftsprofil : irpd: Strukturell optimiertes Funktions- Bauteil Beispiele Ausblick & Schlussfolgerungen Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 2

2 Kernkompetenzen inspire-irpd Kernkompetenzen Selective Laser Melting Selective Laser Sintering Standardisation (ASTM-ISO, VDI) Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 3 F&E Fokus im Bereich inspire-irpd Materialien Pulver- Anforderungen Neue Materialien Hybride Materialien Optimierte Legierungen Material Charakterisierung Mikrostruktur Mechanische Eigenschaften AM-Prozesse Prozessfenster für Materialien SLM- / SLS- Prozess Simulation Spannungen Prozess-Effekte Prozess Produktivität Anwendungen Leichtbau-Strukturen Strukturell optimierte Bauteile Werkzeuge Fertigung industrieller Bauteile Anlagentechnik Maschinen- Konzepte & Optimierung von Teilprozessen Steigerung der Gesamt- Performance QS for AM Standardisation (ASTM-ISO, VDI) Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 4

3 Vorteile additiver Fertigung «Complexity for free» Re-Design notwendig Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 5 Trends Google Trend-Abfrage 3D-Printing und Additive manufacturing liegen im Trend 3D-Printing Prototyping wird zwar «auch noch» gemacht Fertigung ist aber im Fokus Additive manufacturing Rapid Prototyping Google-Trendabfrage: Mai 2014 Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 6

4 Additive Manufacturing & 3D-Printing Gardner Hype Cycle (2014) «Consumer 3D-printing «Additive manufacturing» «Rapid prototyping» Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 7 Additive Prozesse Additive Prozesse im Überblick Material Additive Prozesse Abkürzung Type Metalle Selective Laser Melting Electron Beam Melting Layer Metal Deposition Kunststoffe Selective Laser Sintering Fused Deposition Modeling 3D Printing Stereolithography SLM EBM LMD / DMD SLS FDM 3DP SLA AM AM AM AM AM / 3DP 3DP 3DP Andere Laminated Object Modeling (paper, metal, plastic, ) Processes for ceramics etc. LOM Div. Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 8

5 Additive Manufacturing & 3D-Printing Unterschiede AM 3DP Typische Bauteil-Art 3D-Printing Spielzeuge Prototpyen Demonstratoren Modelle + vorteilhaft - nachteilig Additive manufacturing Industrielle-Teile: - Maschinenbau - Anlagenbau - Industrie-Tauglichkeit der Teile Genauigkeit der Teile Kosten der Teile Kosten der Anlagentechnik Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 9 Additive Manufacturing (AM) - Prozesse Bereich Prozess Materialien Bemerkung Kunststoff Selective Laser Sintering (SLS) Pulver - PA12, (PA6, PA11) - Z.T. gefüllte / modifzierte Varianten Kunststoff Metalle Metalle Fused Deposition Modeling (FDM) Selective Laser Melting (SLM) Electron Beam Melting (EBM) Filamente - ABS - allg. Thermoplasten Pulver - Edelstahl, Werkzeugstahl - Ni-Basis Legierungen - Aluminium - Bronze, - (Titan) Pulver - Primär für Titan geeignet Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 10

6 Beispiele Beispiel «Kopf für med-tech Gerät» Anwendungsbereich Medizinaltechnisches Gerät zur Nierenstein-Entfernung Bild Additive Fertigung SLS - RP / AM AM Fertigung von 70 Stück/a Kumulierte Produktionsmenge: 540 Stück - Material PA12, wasserdicht Generierte Vorteile - Funktionsintegration (Wasserkanäle, Elektrik, Montagepunkte, Gas-Abfuhr, ) - Werkzeuglose Fertigung - Rasche Verfügbarkeit keine Lagerhaltung Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 11 Beispiele Beispiel «Kopf für med-tech Gerät» Anwendungsbereich Luftfilterung / Schutzanzüge Bild Additive Fertigung SLS - RP / AM AM Fertigung von 50 Stück/a Kumulierte Produktionsmenge: > 100 Stück - Material PA12 Generierte Vorteile - Funktionsintegration Reduktion der Stückliste von 21 auf 3 Bauteile! - Hoch integrierte Bauteile / werkzeuglose Fertigung - Rasche Verfügbarkeit keine Lagerhaltung Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 12

7 Beispiele Beispiel «Medizinaltechnik» Anwendungsbereich Medizinaltechnik Bild Additive Fertigung SLM - RP / AM Heute: Vorwiegend Prototyping fehlende Zertifizierung Zukünftig: AM-Fertigung von Implantaten für komplizierte Fälle. - Material Edelstahl / Titan Generierte Vorteile - Patienten-spezifische Implantate einfacherer «Einbau» / kürzere Operationszeiten besserer «Fit» der Implantate Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 13 Beispiele Beispiel «Ventilblock» Anwendungsbereich Bild Ventilblock Maschinenbau TU Hamburg-Harburg, Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (ilas) Additive Fertigung SLM - RP / AM AM zu Versuchszwecken - Material Edelstahl Generierte Vorteile - Koch komplexe Kanalführung im Bauteil. Optimierte Strömungskanäle für höhere Performance - nur noch additiv fertigbar - Rasche Verfügbarkeit geringer Stückzahlen dank werkzeugloser Fertigung Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 14

8 Beispiele Beispiel «Spinnkopf mit integrierter Temperierung» Anwendungsbereich Spinnkopf: Verarbeitung unterschiedlicher Kunststoffe Bild Additive Fertigung SLM - RP / AM AM 1 Werkzeug - Material Edelstahl Generierte Vorteile - Durch optimale Temperierung von 3 Sektoren inkl. Isolationsschichten ist die gleichzeitige Verarbeitung versch. Kunststoffe möglich, - Temperierung: Ölheizung & Isolation im gleichen Teil > 14m Kanäle im Bauteil Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 15 Beispiele Beispiel «Schmier- / Kühlmittel-Düse» Anwendungsbereich Düse zur lokalen, gezielten Schmiermittelzufuhr für Fräsmaschinen Bild Additive Fertigung SLM - RP / AM AM - Material Edelstahl Generierte Vorteile - Optimierte Schmiermittel-Zufuhr für Fräsanwendungen Reduktion Verbrauch an Schmiermittel & besseres Fräs-Ergebnis - Platzsparend Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 16

9 Beispiele aus der Industrie industriell umgesetzte Business-Cases Hiermit kann heute Geld verdient werden. Turbinen- Komponenten Schmuck Dentalprodukte Werkzeugbau Einspritzdüse Komplexe Teile Kronen / Brücken Interne Kühlung GE-Einspritzdüse Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 17 Eigenschaftsprofil Eigenschaftsprofile von AM-Materialien im Vergleich zu «konventionellen» Materialien Statische Festigkeit SLS SLM EBM Dynamische Festigkeit - / / Rauhigkeit R Z «as-built» Typ m Typ m m Typische Genauigkeit > mm Abhängig von den Nenn- Abmessungen Typ. > 0.1mm genauer möglich für spezielle Abmessungen > 0.2mm Achtung: Anisotrope mechanische Materialeigenschaften Oberflächen-Rauhigkeit abhängig von Bauteil-Orientierung Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 18

10 Lohnt sich additive Fertigung? Wo liegt der «added value»? i.r. nicht in der Produktion diese ist oftmals «aufwändiger» ausser in speziellen Fällen Kleinere Bauteile Personalisierte Teile / customised design ( Medizinaltechnik, ) Werkzeuglose Produktion Klein- / Vorserien Der Vorteil liegt in der Verwendung der Teile während dessen Lebensdauer! Re-Design Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 19 Schlussfolgerungen: Additive Fertigung Ist heute möglich und kann industrielle Anforderungen erfüllen. Richtige Prozesswahl voraus gesetzt SLS, FDM / SLM, EDM Kann «sinnvoll» sein, wenn ein geeignetes Bauteil Re-Design durchgeführt wird «Design for additive manufacturing» «Complexity for free» eröffnet dann der Industrie wichtige Wettbewerbsvorteile «Funktionalitäts-Vorteile durch optimiertes Design» «Design-, Material- & Prozess-KnowHow» Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 20

11 Schlussfolgerungen: Anwendung state of the art Direkte Produktion von Bauteilen (kein rapid prototyping) Heute knapp 30% aller Teile! Bis 2020 bis 50% erwartet. Wohlers Report 2013 Anwendungsbereiche für AM Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 21 Ausblick: Wohin geht die Reise? Viele offene Themen das ist nach wie vor eine junge Technologie! Additive Fertigung grösserer Bauteile Unser (inspire-irpd) Ziel: Gewichtsklasse kg DMD-Prozesse Neue Anlagen-Konzepte Hybride Fertigung «additiv - subtraktiv» Branchen-spezifische Anlagenkonzepte Steigerung der Gesamtproduktivität Prozess-Optimierungen Automatisierung Standardisierung (ASTM-ISO, VDI, ) Materialien verlässliche Materialdaten Prozesse Design-Richtlinien Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 22

12 Ausblick Hybrid-Anlage von DMG-Mori Direct Metal Deposition & Fräsen Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 23 Danke für die Aufmerksamkeit A.B. Spierings Manager R&D SLM Lerchenfeldstrasse St.Gallen Spierings, Adriaan 10/ inspire AG 24

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