3D-Druck. Stand der Technik und Perspektiven. 3D Druck Stand der Technik und Perspektiven Fraunhofer IGD. Quelle: site.ge-energy.

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1 3D-Druck Stand der Technik und Perspektiven Quelle: site.ge-energy.com

2 Überblick Vorstellung / 3D Druck am Fraunhofer IGD Einführung in den 3D Druck 3D Druck Technologien Fused Deposition Modeling (FDM) Selektives Lasersintern / -schmelzen (SLS/SLM) Binder-Jetting (3DP) Stereolithographie (SL) Multi Jet Modeling (MJM) Mechanische Eigenschaften Markt Ausblick 1

3 Die Fraunhofer-Gesellschaft 67 Institute und Forschungseinrichtungen Mehr als Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Forschungsvolumen 2 Milliarden Euro Rund zwei Drittel erwirtschaftet Fraunhofer aus Aufträgen der Industrie und öffentlich finanzierten Forschungsprojekten Rund ein Drittel Grundfinanzierung Internationale Niederlassungen: Kontakt zu den wichtigsten Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen IGD_de.pptx»Fraunhofer-Linien«2

4 Fraunhofer IGD (Stand 2013) 235 Mitarbeiter (FTE) 17 Mio Budget 4 Standorte Darmstadt, Rostock, Graz und Singapur 14 F&E-Abteilungen für angewandte Forschung in Visual Computing und die Nutzbarmachung von Forschungsergebnissen in der Wirtschaft IGD_de.pptx 3 Die weltweit führende Einrichtung für angewandtes Visual Computing

5 Graphischer 3D-Druck System Druckertreiber + Universeller Druckertreiber 3D-Gittermodell (STL-Datei ) Optische Materialeigenschaften 3D-Drucksystem Reproduktion Neue Algorithmen + Software Weitgehend unabhängig vom verwendeten Druckverfahren 4

6 Graphischer 3D-Druck 5

7 Einführung 3D Druck 6

8 Was ist 3D Druck / Additive Fertigung? Abtragende Verfahren Gießprozesse Additive Fertigung Entfernen von Material Top-Down Prinzip Benötigt Werkzeuge Quelle: PTW, TU Darmstadt Objekt aus einem Teil gegossen Verflüssigtes Material Benötigt Formwerkzeuge Schichtweises Auftragen von Material Bottom-Up Prinzip Benötigt keine zusätzlichen Werkzeuge 7

9 Geschichte des 3D Drucks 1987 Stereolithographie Verfahren (3D Systems - Chuck Hull) 1991 Fused Deposition Modeling Verfahren (Stratasys) 1995 Erste metallverarbeitende Laserschmelzanlagen 1996 Erste Binder Jetting Anlagen (ZCorp) 2000 Erste Multi Jet Modeling Systeme (Objet) 2009 FDM Patent von Stratasys läuft aus -> FDM-basierte Consumer Drucker erscheinen (< $ 5000) 2012 Internet 3D-Druckportale starten 2013 Ca D-Drucker weltweit Quelle: Wohlers Report 8

10 Hype-Zyklus - 3D Druck - (Gartner 2013) Erwartungen Consumer 3D Druck Bioprinting Professioneller 3D Druck Innovation Gipfel überzogener Erwartungen Tal der Ernüchterung Anstieg der Erleuchtung Plateau der Produktivität Zeit 9

11 Additive vs. Konventionelle Fertigung Keine Mehrkosten durch Individualisierung Keine Mehrkosten durch höhere Komplexität Kosten Pro Teil Additiv Kosten Pro Teil Additiv Konventionell Konventionell Anzahl Teile Kompexität Nachteile Additiver Fertigung Langsame Bauraten -> Keine Massenproduktion Begrentztes Bauvolumen Oft Nachbearbeitung notwendig Quelle: PTS, TU Darmstadt 10

12 Additive vs. Konventionelle Fertigung Konventionell Additiv Produktionsvorgegebenes Design Paradigmenwechsel Funktionsintegration Teilereduzierung Reduzierter Montageaufwand Neue Designs, z.b. Leichtbau: Designvorgegebene Produktion Beispiel: Leichtbau 1 kg Gewichtsersparnis -> Liter Ersparnis an Kerosin über die Betriebsdauer eines Airbus A380 Quelle: Roland Berger / Müller-Lohmeier (Festo AG) 11

13 Prozesskette - Additive Fertigung Bauprozessvorbereitung 3D-Modell (CAD / 3D Scan, etc.) Konvertierung in STL Datei STL = Standard Tessellation Language Orientierung Stützstruktur Slicing Maschinenvorbereitung Nutzung des physischen Modells Nachbearbeitung Entnahme des physischen Modells Physische Herstellung Post-Processing Bauprozess 12

14 3D Druck Technologien 13

15 Klassifizierung der 3D Drucktechnologien Fest Flüssig Gasförmig Draht Pulver Folie Polymerisieren Chemische Reaktion Aufschmelzen und Erstarren Fused Deposition Modelling (FDM) Verfestigen durch Binder 3D-Printing (3DP) Aufschmelzen und Erstarren Selective Laser Melting (SLM) Ausschneiden und Fügen Layer Laminated Manufacturing (LLM) Ausschneiden und Polymerisiere Solid Foil Polymerisation (SFP) Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) Licht einer Frequenz Wärme Thermal Polymerisation (TP) Licht zweier Frequenzen Beam Interference Solidification (BIS) Quelle: Gebhardt 2000 (abgewandelt) Lampe und Tintenstrahl Multi-Jet Modeling (MJM) Lampe Laserstrahl Holographie Solid Ground Curing (SGC) Stereolithographie (SL) Holographic Interference Solidification (HIS) 14

16 Fused Deposition Modeling (FDM) Quelle: Quelle: 15

17 Fused Deposition Modeling (FDM) Vorteile Große Materialpalette (Kunststoffe z.b. Thermoplastics ABS, Polycarbonate, niedrigschmelzende Metalle) Verdrucken von großen Volumenmengen in kurzer Zeit möglich Verwendung unterschiedlicher Materialien durch mehrere Extruder Nachteile Auflösung abhängig von Extrusionsbreite (große Extrusionsbreite -> Hohe Baurate -> geringe Auflösung) Düsen neigen zum Verstopfen (Reinigungsmechanismen notwendig) Stützkonstruktionen notwendig -> Nachbearbeitung Quelle: Gebhardt,

18 Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM) Quelle: Typische Korngrößen: µm Baugeschwindigkeit: 5-20 cm 3 /h Quelle: 17

19 Quelle: Gebhardt, 2013 Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM) Vorteile Große Materialpalette: Kunststoffe (Polyamide, Polystyrole), Metalle (Stahl-, Aluminium-, Nickel-, Cobalt-,Titan-Legierungen), Metall-Polymerpulver, Sande (Quarzsande, Zirkonsande) Erzeugen von mechanisch + thermisch stark belastbaren Teilen möglich Hohe Wiederverwendungsrate des thermisch nicht belasteten Pulvers Nachteile Stützkonstruktion bei Metall nötig (Überhänge, Ableiten von thermischer Energie) (bei Kunststoffen nicht notwendig) > Nachbearbeitung Zum Bauteil nicht gehörige Partikel können durch Wärmeleitung an dem Bauteil kleben bleiben (kleine Kanäle schwer zu reinigen) Gas-Atmosphäre notwendig um Oxidation zu verhindern -> hohe Betriebskosten Pulverbett muss beheizt werden -> zeitintensive Aufheiz und Abkühlvorgänge Spannung im Objekt durch hohe Temperaturdifferenzen bei der Fertigung 18

20 Binder-Jetting (Pulver-Tintenstrahl Druck) Quelle: 19

21 Binder-Jetting (Pulver-Tintenstrahl Druck) Vorteile Materialpalette nahezu unbegrenzt (z.b. Lebensmittel, pharmazeutische Stoffe) Verwendung verschiedener Binder -> lokal unterschiedliche mechanisch/optische Eigenschaften Große Palette von Bindern (z.b. Wasserbasiert/Kunstharze/ lebende Zellen in Trägerflüssigkeit) Nachteile Gestaltfestes aber nicht endfestes Bauteil (Nachbearbeitung durch Infiltration) Metallische Pulver: Binder wird im Postprozessing ausgetrieben + Bauteil im Ofen nachversintert -> Schrumpf Druckköpfe teuer + hohes Ausfallrisiko bei vielen Düsen Quelle: Gebhardt,

22 Stereolithographie (SL) Quelle: Typische Schichtdicken: µm 21

23 Stereolithographie (SL) Vorteile Sehr hohe Auflösung (begrenzt durch den Strahldurchmesser bis in den nm-bereich) Hohlräume möglich mit lediglich sehr kleiner Drainageöffnung Objekte übersteigen Bauraumabmessungen -> drucken in Teilen + zusammenkleben mit dem gleichen photosensiblen Material + externer UV-Strahlungsquelle -> mechanische und visuelle Eigenschaften der Trennstellen kaum von den des restlichen Bauteils unterscheidbar Nachteile Kleine Materialpalette (Harze, Acrylate) Zweistufiger Prozess: 1. Druck -> 95% Vernetzung 2. Reinigung mit Lösungsmittel + vollständige Aushärtung in einer Kamer mit UV-Beleuchtung Stützkonstruktionen notwendig -> Nachbearbeitung Quelle: Gebhardt,

24 Multi Jet Modeling (MJM) Quelle: Quelle: studiofathom.com 23

25 Multi Jet Modeling (MJM) Vorteile Mehrere Materialien mit unterschiedlichen mechanischen / optischen Eigenschaften in einem Objekt kombinierbar -> Digitale Materialien mit neuen Eigenschaften Sehr hohe Auflösung Große Bauräume möglich Nachteile Kleine Materialpalette (Photopolymere) Stützkonstruktionen notwendig -> Nachbearbeitung Druckköpfe teuer + hohes Ausfallrisiko bei vielen Düsen 24

26 Mechanische Eigenschaften 25

27 Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften vom Prozess Bauteile aus Polyamid Selective Laser Sintern Extruder-basiert Dichte [g/cm 3 ]: E-Modul [MPa]: Bruchdehnung [%]: Zugfestigkeit [MPa]: Schmelzpunkt [ C]: 0,91 1, Quelle: Fraunhofer IPK 26

28 M A R K T 27

29 Marktgröße Weltweit (Wohlers Report 2013) (Umsatz aller Produkte + Dienstleistungen) 2,5 2,0 Milliarden $ 1,5 1,0 0,5 0, Zurzeit noch ein Nischenmarkt (Marktgröße 2012: $ 2,2 Milliarden) 2012 Sehr starkes Umsatzwachstum (Ø : 27,4%/p.a.) Dienstleistungen gewinnen an Bedeutung (Marktgröße 2012: $ 1,2 Milliarden, Marktwachstum 2012: 36,6%) 28

30 Umsatz nach Branchen (Roland Berger/ Wohlers 2013) (Umsatz aller Produkte + Dienstleistungen) Millionen Euro Consumer Produkte / Elektronik Prototyping Produktionswerkzeuge Automobil Medizin Luft und Raumfahrt Prototyping Motorsport Turbinenteile Leichtbauteile Zahnmedizin (Brücken, Kronen, Zahnspangen) Hörgeräte Implantate Werkzeugbau Gussformen Direct Tooling Sonstige Militär, Architektur, Konsum 29

31 Verkaufte professionelle 3D Drucker (Wohlers 2013) Nach Herstellern in 2012 Aus Region in 2012 Beijing Tiertime Envisiontec 2% 11% EOS 2% 3D Systems 18% Others 10% Objet 14% Stratasys 39% USA 61% Europa 19% Asien 5% Israel 15% Solidscape 4% Stratasys hat mit Objet und Solidscape fusioniert 30

32 Anwendungen für 3D Druck Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Präsentationsmodelle 17,4% Werkzeugbau 26% Quelle: Funktionsmodelle 19,5% Quelle: Direct Manufacturing 29% Quelle: 3D Systems Quelle (Prozentangaben): PTW, TU Darmstadt Quelle: 31

33 Rapid Manufacturing Readiness Level Produktion bei Vollauslastung Medizin Werkzeugbau Luft + Raumfahrt Automobil Produktion bei Teilauslastung Fähigkeit einer Pilotlinie demonstriert Produktion in Produktionsumgebung validiert Produktionssysteme hergestellt Grundfähigkeiten beweisen (Produktionsnah) Technologie im Labor validiert Machbarkeitsstudie durchgeführt Produktionskonzept identifiziert Funktionsprinzip identifiziert Quelle : Roland Berger 32

34 Ausblick 3D Drucker Vergrößerung der Bauräume (-> größere Teile, mehr Teile gleichzeitig) Erhöhung der Baugeschwindigkeit + Verbesserung der Auflösung (z.b. SLS/SLM: variabler Laserfokus, mehrere Laser 400W und 1000W) Kombination unterschiedlicher Materialien in einem Objekt Optimierung der Druckmaterialien (mechanische / optische Eigenschaften, Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands, z.b. lösliches Stützmaterial) Markt Anhaltend sehr hohes Wachstum in den nächsten Jahren - Canalys Prognose 2018: $ 16.2 Mrd. (Dienstleistungen $ 10 Mrd.) Große Firmen betreten den Markt (HP, Canon) Dienstleister werden 3D Druck in den Alltag bringen ( itunes für 3D Modelle) 33

35 Fragen? Dr. Philipp Urban Abteilungsleiter 3D-Drucktechnologie Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD Fraunhoferstr. 5, Darmstadt Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Dank an Herrn Müller- Lohmeier (Festo AG) für seine Folien. 34