Additive Manufacturing-Anlagen Made in Switzerland Notwendigkeit oder Überfluss?

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1 Additive Manufacturing-Anlagen Made in Switzerland Notwendigkeit oder Überfluss? TECHNISCHE RUNDSCHAU «Professional 3D-Printing und der Werkplatz Schweiz eine Bestandsaufnahme» Fachhochschule Nordwestschweiz Windisch, 20. Oktober 2015 Dr. Pierangelo Gröning Empa, Materials Science and Technology Head of the Department Advanced Materials and Surfaces Überlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf 1

2 Organisation des ETH-Bereichs Eidgenössischen Departements für Wirtschaft, Bildung und Forschung (WBF) Johann Schneider-Ammann ETH - Rat Fritz Schiesser Eawag Empa EPFL ETHZ PSI WSL Gian-Luca Bona 2

3 Empa: ETH Zürich Laboratorium für Bau- und Konstruktionsmaterialien Einsturz der Münchensteinbrücke (Juni 1891) Bauingenieur: Gustave Eiffel q q Angestellte 5 Budget: CHF/a (einschliesslich CHF Lohnkosten des Direktors) 3

4 Empa heute 3 Standorte: Dübendorf, St. Gallen und Thun 30 Technische Labors ~ 1000 Angestellte (~850 FTE, 30% Frauen) 24 Professoren (ETHZ, EPFL, Universitäten) 180 PhD Studierende 40 Lehrlinge +200 Gastwissenschaftler und Diplomierende Wissenschaftlicher Output > 500 (SCI/E) Publikationen > 100 Seminare & Konferenzen Tech-Transfer, Dienstleistungen, Start-ups, Drittmittelprojekte > 60 laufende EU-Projekte > 100 laufende SNF Projekte > 110 laufende KTI Projekte (KTI: Kommission für Technologie und Innovation) + zahlreiche direkt finanzierte Industrieprojekte 4

5 Empa: The Place where Innovation Starts Graphen-Nanostrukturen NEST Nano-Zellulose Schwamm ElektronenstrahlKünstlicher Rasen abscheidung Modellierung des Transports von Schadstoffen in der Atmosphäre Hochleistungs Wärmeisolationsverputz IR Spektrometer für das Monitoring von Treibhausgasen Brennstoffzellen Fahrzeug Pilz modifiziertes Klangholz Adaptiver Isolationsanzug für den Piloten von Solarimpuls Massenspektrometer für die Mission LUNA Laserstrukturierte Polymerfolie 5

6 Alleinstellungsmerkmal der Empa Exzellente Forschung fokussiert auf die Bedürfnisse der Industrie und der Gesellschaft Intensive und lang andauernde Kooperationen mit Industriepartnern (Periode 2004 Q1/2015) 1604 F&E Verträge (504 über EU-Projekte) 974 Firmen (341 über EU-Projekte) ~30% Wiederkehrende Partnerschaften 700 Anzahl Firmen < 1% % 300 2% 17% [PROZEN TSATZ] >10 Anzahl Verträge/Firma (Quelle: Empa Datenbank / Verträge) 6

7 Research Focus Areas (RFAs) of Empa Nanostructured Nanostructured Materials Materials Natural Resources Natural Resources Pollutants && Pollutants Sustainable Built Energy Sustainable Built Environment Environment Energy Health and Health and Performance Performance 7

8 Empa Diamant Saphir 8

9 Empa Flamm-Synthese Plasma-Synthese (TiO2, SiO2, Y2O3, / kg/day) (TiC, TiNxCy, Si, SiC, WC, / kg/day Si Nanopartikel Synthese 9

10 3D-Druck Fast alles lässt sich drucken!

11 3D-Druck: Rapid Prototyping Nützliches Hilfsmittel in der Entwicklung und in der Chirurgie es sind aber nur Modelle 11

12 Visionen für den 3D-Druck Einzigartige Möglichkeiten Im Prinzip erlaubt der 3D-Druck Werkstücke mit komplexen Geometrien und anisotropen Materialeigenschaften herzustellen!! Eröffnet ganz neu Möglichkeiten!!

13 3D-Druck Verfahren q q t S q S S q q S q Stereolithography Selective Laser Sintering (SLS) Laser direct Metal Deposition (LMD)

14 Vergleich: 3D-Druck Verfahren für Metalle Pulver Bett Direkte Laser Abscheidung Selective Laser Melting (SLM) Electron Beam Melting (EBM) Laser Powder Deposition Laser Wire Deposition Komplexe Geometrien Genauigkeit Geschwindigkeit Wiederherstellung Pulver recycling Hochleistungswerkstoffe Komplexe Geometrien Genauigkeit Wiederherstellung Pulver recycling Vakuum Produktivität Grosse Teile Geometr. Einschränkungen Pulver Sauber & produktiv 100% Materialverwertung Geometr. Einschränkungen Material Einschränkungen

15 Fertigung im 3D-Druck Randbedingungen / Herausforderungen Hohe Flexibilität / Hohe Wertschöpfung Einzelstückfertigung Hohe Investitionskosten Hohe Prozesssicherheit / Reproduzierbarkeit Einzelstückfertigung bedeutet nichts weniger als keine Endkontrolle des hergestellten Werkstücks! Geometrieunabhängig (gross / klein) Verarbeitung von unterschiedlichen Pulvern Pulvergrösse Zusammensetzung 15

16 Selective Laser Melting (SLM) Lohnfertigung AlSi10Mg TiAl6V4 Stahl: Inconel ± 50 MPa 1020 ± 50 MPa 35 mm Zugfestigkeit: 460 ± 20 MPa Preis: 155, ,00 276,00 Bauteilgenauigkeit: ~ 100 µm Min. Wandstärke: 1 mm 16

17 Etablierte 3D-Druck Anwendungen Auftragsschweissen / Reparaturen

18 EU-FP7 Projekt OXIGEN 18

19 EU-FP7 Projekt OXIGEN Ziele/Ansätze 1. Development and Production of Powder ODS Material (ODS: Oxide Dispersion Strengthened) Ni-/Fe-base superalloys and intermetallics (TiAl) 2. Manufacturing Routes for Component Manufacture Additive Manufacture as Selective Laser Melting (SLM) and Laser Metal Deposition (LMD) 3. Intelligent Design Improved complexity and repair by sub-component replacement 4. Embedded Fibre Optic Sensing Temperature and strain measurement «in service» inside the components 19

20 EU-FP7 Projekt OXIGEN Partner 20

21 EU-FP7 Projekt OXIGEN SLM und LMD Teststrukturen aus TiAl ODS-Legierungen SLM LMD In Zusammenarbeit mit CT der LMD Struktur 21

22 Visionen für den 3D-Druck Beispiele: Das massgeschneiderte Implantat / Das digitale Ersatzteillager Was sind die Herausforderungen, dass diese Konzepte funktionieren? 22

23 Fertigung im 3D-Druck Herausforderungen / Forschungsbedarf Produktivität / Qualität Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Präzision / Güte Geringere Oberflächenrauheit Höhere Produktionsgeschwindigkeit (x10!) s) Weniger Nachbearbeitungen Pulveraufbereitung / Pulver-Recycling Design Rules Prozesskontrolle / Qualitätsmanagement Reproduzierbarkeit / Prozessstabilität Prozessteuerung / -regelung Qualitätsmanagement Datensicherheit (Festigkeit, Ermüdungsverhalten) (heute typisch: m/s; 10mm3/ (Sensorik / Software) (Vom Pulver bis zum Endprodukt) Automatisierung Prozessintegration (Kombinieren mit anderen Herstellungsprozessen) Datensicherheit Rechtliche Fragen Internet der Dinge / Produktehaftung? Businessmodelle Wirtschaftlichkeit (Hohe Wertschöpfung) 23

24 Laserparameter und Anwendungsbereiche Anwendung: SLM; LMD 24

25 Laserschmelzprozess (I) Plasmawolke Schmelze Schlüsselloch (keyhole) Schweisstiefe Wärmeleitungsschmelzen Tiefschweissen 25

26 Laserschmelzprozess (II) V. G. Niziev et al., Mod. and Num. Sim. of Material Science, 3 (2013) 9 Wärmetransport durch Leitung und Konvektion 26

27 Laserschmelzprozess (III) Oberflächenspannung σ Marangoni Effekt Thermische Konvektion in der Schmelze aufgrund unterschiedlicher Oberflächenspannungen (σ) Zirkulation von niedriger zur höherer Oberflächenspannung σ Oberflächenspannung (σ(t)) ist temperaturabhängig! (Nimmt mit steigender Temperatur ab) Oberflächenspannung wird stark von Verunreinigungen beeinflusst!! Kann zu Instabilitäten in der Schmelze führen und damit die Abmessungen der Schmelzzone (Tiefe vs. Breite) verändern!! Beeinflusst auf die Oberflächenrauigkeit und die Präzision!! 27

28 Selektives Laser Sintern/Schmelzen (I) Kleine Scan-Geschwindigkeit v < vkrit Grosse Scan-Geschwindigkeit v > vkrit Stabiler Prozess Instabiler Prozess (Poren, Einschlüsse) Geringere Produktionsleistung Höhere Produktionsleistung Diffusionskonstante: Thermische Eindringtiefe ℎ $ D=! " $ Für CW Laser: $ : Wärmeleitfähigkeit : Wärmekapazität : Dichte ℎ 28

29 Selektives Laser Sintern/Schmelzen (II) Herausforderungen Produktionsrate [cm3/min] ist limitiert durch: Rastergeschwindigkeit: durch die Hitzeausbreitung Pulverschichtdicke: durch die Hitzeausbreitung Spurbreite: durch nötige Präzision der Fabrikation 29

30 Fertigung im 3D-Druck Fazit Der 3D-Druck von metallischen Werkstücken ist heute noch im Stadium der Manufaktur! Der Weg von der Manufaktur zur industriellen Fertigungsmethode geht einzig über bessere Drucker! Die heutigen Rohmaterialien (Pulver) sind für den 3d-Druck nicht optimiert! Die Integration des 3D-Drucks in industrielle Fertigungsprozesse erfordert neue Businessmodelle! Einzelstückfertigung in Rahmen von Industrie 4.0 ist in vielen Bereichen (z.b. Produktehaftung, Zertifizierung, ) rechtliches Neuland! 30

31 HF Krug, , NANO2010 Rom