Industrieller 3D-Druck

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1 Zielgruppe Ziel des Projektes ist, die komplette Prozesskette im 3D-Druck zu untersuchen. Hierzu gehören der eigentliche Herstellungsprozess und nachgelagerte Prozesse, wie z.b. die Bearbeitung durch Strahlen, Verdichten oder die chemische Nachbehandlung. Weiterhin soll die Qualitätssicherung der Bauteile während der gesamten Prozesskette mit berücksichtigt werden. Zielgruppe sind daher alle Firmen und Institutionen, die dieses Thema interessiert. Projektleistungen Strukturiertes Vorgehen, um den optimalen Herstellungsprozess inkl. Nachbearbeitung und Qualitätssicherung zu finden Systematische Erfassung der Anforderungen durch einen Fragebogen Herstellung von Bauteilen mit unterschiedlichen additiven Fertigungsverfahren wie z.b.: Lasersintern (SLM) Fused Deposition Modeling (FDM) Kunststoff-Freiformen (AKF) Photopolymerbasierte Verfahren Stereolithografie (STL) Messtechnische Untersuchung der gefertigten Bauteile Projektdaten Projektname: Industrieller 3D-Druck 2 Projektstart: Oktober 2017 Projektlaufzeit: 1,5 Jahre Projektkosten: 2 x * *Reisekosten sind im Preis nicht inbegriffen. Die Rechnungsstellung erfolgt in zwei gleichen Raten jeweils zum Start des Projektes und nach der Hälfe der geplanten Laufzeit. Quereinstieg möglich Auch nach Projektstart ist ein Quereinstieg jederzeit möglich. Information Weitere Auskünfte zum Projektinhalt und -ablauf erhalten Sie über unsere Internetseite oder durch einen direkten Kontakt: Dr. Oliver Keßling +49 (0) kessling@kunststoff-institut.de Benedikt Blattmann, M. Eng. +49 (0) blattmann@kunststoff-institut.de Zusammenstellung unterschiedlicher Qualitätssicherungsverfahren Verbundprojekt Quelle: Kunststoff-Institut Südwest Test unterschiedlicher Nachbearbeitungsverfahren: Strahlen Verdichten Chemische Nachbehandlung Färben Beschichten Erstellung einer Benchmark-Matrix auch im Vergleich zum Spritzgießverfahren Kunststoff-Institut Südwest GmbH & Co. KG Hermann-Schwer-Straße 3 Zufahrt über Peterzeller Str Villingen-Schwenningen Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) mail@kunststoff-institut.de 2. Projekt Industrieller 3D-Druck Vergleich additiver Herstellungsverfahren und Bauteileigenschaften

2 Inhalt Industrieller 3D-Druck 2 Einleitung Projektablauf Nach dem erfolgreichen Projekt Industrieller 3D-Druck sollen in diesem Folgeprojekt weitere Fragestellungen beantwortetet werden. Im ersten Projekt wurden unterschiedliche Verfahren und Materialien untersucht. Hierbei wurden die mechanischen Eigenschaften, die Oberflächenbeschaffung und die Maßhaltigkeit bestimmt. Die Ergebnisse waren insgesamt sehr aufschlussreich, so dass der Wunsch aufkam, weitere Details zu untersuchen. In diesem Projekt werden weitere benötigte Details und Prozessschritte für einen industriellen 3D-Druck untersucht. Hierbei handelt es sich u.a. um die folgenden Themen: Fortschreibung der Benchmark-Matrix aus dem ersten Projekt mit neuen Verfahren und Materialien Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Bauteilen Qualitätsmanagement und Qualitätssicherung im 3D-Druck Folgende und weitere Fragen, welche zum Thema 3D- Druck immer wieder auftauchen, werden im Laufe des Projektes bearbeitet: Abgleich der Maßhaltigkeit eines 3D-Druckstruktur im Vergleich zur STL-Datei (Quelle: Kunststoff-Institut Südwest) Was ist ein Verbundprojekt? In den Verbundprojekten entwickelt das Institut für die teilnehmenden Unternehmen ein innovatives Thema. Dieses ist praxisnah, mit hohem technologischem Know-how und wird ausschließlich über Teilnehmer-Beiträge finanziert. Definition der Bauteil- und Prozessanforderungen durch die Projektteilnehmer. Hierzu werden die unterschiedlichen Bedürfnisse der Projektteilnehmer abgefragt. Diese werden zu Beginn des Projektes mit Hilfe eines Fragebogens systematisch erfasst. Durch die Auswertung der Fragebögen können die passenden Verfahren ermittelt werden. Umfangreiche Recherche über die möglichen additiven Fertigungsverfahren sowie Nachbearbeitungsmöglichkeiten anhand der Bauteilanforderungen. Auswahl der Fertigungs- und Nachbearbeitungsverfahren, mit denen die Versuchsbauteile aufgebaut werden. Zusammenstellung der Anforderungen an die Qualitätssicherung und Berücksichtigung während der Produktion Herstellung und Nachbearbeitung der Bauteile mit den in Frage kommenden additiven Fertigungsverfahren. Untersuchung der Bauteileigenschaften unter anderem mit folgenden Messverfahren: Welche neuen 3D-Druck Fertigungsverfahren gibt es? Welche neuen Materialien und Additive gibt es im Bereich 3D-Druck? Welche Möglichkeiten der Nachbearbeitung von 3Dgedruckten Bauteilen gibt es? Gibt es automatisierbare Nachbearbeitungsprozesse? Wie kann die Reproduzierbarkeit und Qualität überwacht werden? Welche Qualitätsmanagement Möglichkeiten bieten die Maschinenhersteller hierzu? Wie wird die Qualität bei Dienstleitern überwacht? Vorteile eines Verbundprojektes Kostensharing = niedrige Projektbeiträge pro Teilnehmer Geringe Personaleinbindung der teilnehmenden Firmen Technologische Marktführerschaft Netzwerkbildung Interdisziplinärer Erfahrungsaustausch Mitarbeiterweiterbildung/-qualifizierung Zeit- und kostenintensive Untersuchungen sowie die Projektabwicklung erfolgen ausschließlich durch das Institut. Die Personaleinbindung der Firmen beschränkt sich im Minimum auf die Teilnahme an den Projekttreffen (i. d. R. zwei- bis dreimal im Jahr). Geheimhaltung Sämtliche Projektergebnisse unterliegen während der Projektlaufzeit der Geheimhaltung. Ergebnisse von firmenspezifischen Untersuchungen werden vertraulich behandelt. Zugversuche, Kerbschlagversuche Messung der Oberflächenrauigkeit ggf. kundenspezifische Tests Bewertung und Darstellung der Versuchsergebnisse Bewertung und Darstellung der Kosten und der Fertigungsdauer mit den jeweiligen Verfahren Zusammenfassung der Eigenschaften in einer Matrix Abgleich der Anforderungen der jeweiligen Projektteilnehmer mit der Eigenschaftsmatrix Mitberücksichtigung des zu erwartenden Teileaufkommens in der Bewertung Darstellung der benötigen Infrastruktur und der Materialverfügbarkeit

3 Verbundprojekt Projektskizze: Industrieller 3D-Druck 2 - Vergleich additiver Herstellungsverfahren und Bauteileigenschaften - Kontakt: Kunststoff-Institut Südwest GmbH & Co. KG Hermann-Schwer-Str Villingen-Schwenningen Fax.: +49 (0) Internet: Dr. Oliver Keßling Tel.: +49 (0) kessling@kunststoff-institut.de Benedikt Blattmann, M. Eng. Tel.: +49 (0) blattmann@kunststoff-institut.de Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 1 Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 Projektziel Erweiterung des Verfahrensüberblicks über industriell nutzbare additive Fertigungssysteme Polymere Werkstoffe Nachbearbeitung von Bauteilen Möglichkeiten der Qualitätssicherung Ermittlung und Vergleich der Bauteileigenschaften Rauigkeit der Oberfläche Mechanische Eigenschaften und Genauigkeiten Vermittlung von Dienstleistern, Maschinenherstellern etc., um die gewünschten Bauteileigenschaften zu erzielen Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 2 1

4 Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck Industrieller 3D-Druck AP1 AP2 AP3 Definition von Anforderungen an Bauteile Maßnahmen zur Qualitätssicherung Recherche: Nachbehandlung und neue Verfahren AP4 Herstellung der Bauteile AP5 Nachbehandlung der Bauteile AP6 AP7 Messung der Bauteileigenschaften Projektabschluss und Konzipierung Weiterführung Meilenstein, Projekttreffen Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 3 Auszug Additive Fertigungssysteme STAND DER TECHNIK 2

5 Fused Filament Fabrication Fused Deposition Modeling (FDM) Quelle: RepRap Quelle: Alphacam Identisches Verfahren unterschiedlicher Ausprägung hinsichtlich Material, Genauigkeit, Geometriekomplexität, Kosten, etc. Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 5 Lasersintern (SLS) Quelle: kuhnstoff Schichtbautechnologie Quelle: EOS Anforderungen an Infrastruktur: Bauteile aus Bauraum herauslösen und von überflüssigem Pulver befreien (Absaugung) Hohe Genauigkeit Eingeschränkte Materialauswahl Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 6 3

6 Poly-Jet, Multi Jet Modeling Verwendung von Photopolymeren Aushärtung durch UV-Licht Mehrkomponentenverarbeitung möglich Stützmaterial Material B Material A UV-Licht Druckkopf Bauteil Bauplattform Quelle: Stratasys Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 7 Stereolithografie (STL) Quelle: CP, Rtejournal Hohe Auflösung und Genauigkeit Transparente Werkstoffe sind möglich Farben: weiß, schwarz, bernstein, pfirsich, blau Photopolymer Quelle: 3D Systems Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 8 4

7 Multi-Jet-Fusion Hewlett Packard (HP) Hohe Geschwindigkeiten (4500 cm³/h, Angabe HP) Verwendung von unterschiedlichen Bindersystemen für die Füllung und Details Full Color (angekündigt) Beeinflussung der Bauteileigenschaften hinsichtlich (angekündigt) Transparenz Oberfläche Elastizität Markteinführung steht noch bevor Erste Bauteile liegen vor. Die Weiterentwicklung der Technologie soll im 2. Projekt weiterverfolgt werden. Quelle: Hewlett Packard Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 9 Informationen aus Datenblättern Oft nicht ausreichend Keine Angaben zu: Oberflächenrauigkeit Chemische Beständigkeit Alterung/Temperaturwechseltests FDM (M-ABS) SLA Accura 55 MJM VisiJet EX200 SLS PA 2200 Oberflächenrauigkeit (Rz) 3 µm (s.u.)? 40 µm (s.u.) Zugfestigkeit 32 MPa MPa 42,4 MPa 48 MPa Schlagzähigkeit IZOD notched 128 J/m J/m 2,5 kj/m 2 4,4 kj/m 2 Chemische Beständigkeit in Bearbeitung allgemein beständig? Mechanische Eigenschaften nach Alterung in Bearbeitung Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck

8 PROJEKTINHALTE Fortschreibung der Benchmark-Matrix Die Benchmark-Matrix aus dem ersten Teilprojekt soll während dieses Projektes kontinuierlich erweitert werden: Welche neuen 3D-Druck Fertigungsverfahren gibt es? Welche neuen Materialien und Additive gibt es im Bereich 3D-Druck? Zur Bewertung der Bauteileigenschaften wurde ein Referenzbauteil entworfen. Hierdurch können folgende Eigenschaften geprüft werden: Maßhaltigkeit Eine Weiterentwicklung und Oberflächenqualität Anpassung des Referenzbauteils an Ihre Bedürfnisse ist gewünscht. Minimale Bohrungsdurchmesser Verzug Druckdichtigkeit Fixierung des Bauteils durch Schrauben Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck

9 Referenzbauteil Oberflächenrauigkeit Bohrungen Detailmessung Dichtungsnut Durchgangsund Drucktest Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 13 Testmethoden Testmethode Norm Details/Bauteil Bemerkung Zugversuch DIN EN ISO 527-1/-2 Zugstäbe Konditionierung: 23 C, 50 % rel. Luftfeuchte Schlagzähigkeitsprüfung nach Charpy, ungekerbt DIN EN ISO 179 Charpy Probekörper Konditionierung 23 C, 50 % rel. Luftfeuchte Warmlagerung DIN Zugstäbe Charpy-Probekörper Test der chemischen mit Warmlagerung 500 h, - Wasser/Glykol Beständigkeit 50 C Gemisch - Grundöl (10 Zugstäbe) Bestimmung der Maßhaltigkeit Bestimmung der Maßhaltigkeit Oberflächenrauigkeit Bestimmung der DIN EN ISO Charpy-Probekörper Dichte der Bauteile 100 und 500 Stunden, Temp. angepasst an Material DIN 863 / ISO 3611 Zugstäbe Mikrometerschraube DIN EN Referenzbauteil CT-Messung, Koordinatenmessmaschine DIN EN ISO 4287 Zugstäbe taktil, evtl. optisch Die im Projekt durchzuführenden Tests werden im Projekttreffen definiert. Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck

10 Beispiel mechanische Eigenschaften Industriell verwendbar Nur für Anschauungsbauteile verwendbar Auszug aus Ergebnissen aus 1. Projekt Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 15 Beispiel Oberflächenmessung Auszug aus Ergebnissen aus 1. Projekt Rauigkeiten für SLS-Bauteile: Rz ca. 40 µm Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck

11 Beispiel Differenzmessung - PA 2200 Auszug aus Ergebnissen aus 1. Projekt Insgesamt konnte eine gute Maßhaltigkeit mit Abweichungen < 0,1 mm erzielt werden. Im Bereich der Treppe ergab sich eine Abweichung von 0,15 mm Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 17 Nachbehandlung von 3D-Druck Bauteilen Reinigung der Bauteile Chemische Oberflächenbehandlung Mechanische Oberflächenbehandlung: Strahlen mit Glasperlen Strahlen mit Sand Strahlen mit Trockeneis UV- und LED Photobleaching Systemanbieter ist z. B. die Fa. Krumm Die im Projekt durchzuführenden Nachbehandlungen werden im 1. Projekttreffen definiert. Galvanisieren von Bauteilen (z.b. Stratasys) Gleitschleifen Lackieren Glättung mittels Lösungsmitteln (z.b. Aceton rohloff-3d) Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck

12 Qualitätssicherung im 3D-Druck Erarbeitung eines Ablaufs, um eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen Erfassung der Qualitätssicherungsmethoden der jeweiligen Maschinenbauer Erfassung der Qualitätssicherungsmethoden der jeweiligen Dienstleister Wie kann der Prozess protokolliert werden? Wareneingangskontrolle: Definition von Prüfungen Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck 2 19 Projektleistungen Strukturiertes Vorgehen, um den optimalen Herstellungsprozess mit Qualitätssicherung und Nachbehandlung zu finden. Einbeziehung der Projektteilnehmer durch einen Fragebogen Herstellung und Nachbehandlung der Bauteile Messtechnische Untersuchung der gefertigten Bauteile Bewertung der Bauteileigenschaften Hinweise zur Qualitätssicherung im 3D-Druck Netzwerkbildung 3-4 Projekttreffen für ein bis zwei Personen je Unternehmen (Schulungen und Erfahrungsaustauschtreffen; Teilnehmer können wechseln) Zugang zum geschützten Internetbereich Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck

13 Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck Projektdaten Projektstart: 1. Oktober 2017 Projektlaufzeit: 1,5 Jahre Projektkosten: 2 x 3.900,- Mitgeltende Unterlagen Allg. Geschäftsbedingungen Projektflyer Projektvereinbarung Verbundprojekt Industrieller 3D-Druck

14 Kunststoff-Institut Südwest Frau Luzia Gerritsen Hermann-Schwer-Straße Villingen-Schwenningen per Fax: +49. (0) per gerritsen@kunststoff-institut.de Anmeldung zum Projekt: Industrieller 3D-Druck 2 Hiermit bestätigen wir verbindlich unsere Teilnahme am Projekt Projektleiter:. Dr. Oliver Keßling Benedikt Blattmann M.Eng. Projektkosten:. 2 x 3.900,00 Laufzeit: 1,5 Jahre Projektstart:. Oktober 2017 Mitgeltende Unterlagen:. Allg. Geschäftsbedingungen, Projektflyer und Projektvereinbarung Die Rechnungsstellung erfolgt in zwei gleichen Raten jeweils zum Start des Projekts und nach der Hälfte der geplanten Laufzeit. Unsere Einkaufsbestell-Nr. lautet: Wir reichen unsere Einkaufsbestell-Nr. nach Die Rechnungserstellung erfolgt ohne Einkaufsbestell-Nr. Die Einkaufsbestell-Nr. muss spätestens nach Ablauf von zwei Wochen nachgereicht werden! Sollte nach Ablauf der Frist noch keine Bestell-Nr. vorliegen erfolgt die Rechnungsstellung ohne diese Angabe. Firma* Straße* PLZ Ort* Telefon Telefax Folgende Personen nehmen voraussichtlich teil*: Durchwahl: / *: 1. / 2. / Datum *erforderliche Angaben rechtsverbindliche Unterschrift / Stempel Kunststoff-Institut Südwest GmbH & Co. KG Hermann-Schwer-Straße Villingen-Schwenningen