Ressourcenschonung mittels additiver Fertigung

Transkript

1 Ressourcenschonung mittels additiver Fertigung 29. / 30. April 2014 Wien A.B. Spierings L. Weiss, K. Wegener

2 Agenda Teil I inspire institute for rapid product development Teil II Vorteile additiver Fertigung Teil III Was hat additive Fertigung mit Ressourcen-Schonung zu tun? Teil IV Lohnt sich additive Fertigung? 2

3 Teil I inspire AG Institute for rapid product development irpd 3

4 Wer ist inspire? Joint-Venture der ETH Zürich und der Industrie für den Wissens- und Technologie-Transfer von der Forschung der ETH zur Schweizer Industrie auf dem Gebiet der Produktionstechnik KTI Akkreditierung als Forschungspartner Unterstützung durch Bundesbeiträge nach Art. 15 FIFG. Mission: Unterstützung der KMU aus der MEM-Industrie bei Innovationsprojekten durch Übernahme von Forschungsaufgaben Haupttätigkeiten: Anwendungsorientierte Forschung basierend auf dem Knowhow der ETH Wissens- und Technologietransfer- Projekte mit der Industrie Ca. 50 Mitarbeiter (Kader mit Industrieerfahrung, ETH-Doktoranden) Zusammenarbeit mit 6 ETH- Professuren auf dem Gebiet der Produktionstechnik

5 Wer ist inspire? ETH Zürich Empa St.Gallen Technopark Zürich, Headquaters Aktivitätsfelder / institute - Iwf-processes: Schleifen, Fräsen, Schneiden, EDM, - Iwf-machines: Prozess- und Maschinenentwicklung - Iwf-micromachining: Laser- & Mikrofertigung - Irpd: Additive Manufacturing (SLS, SLM) - Ipdz: Konstruktion & Design / «Design for AM» - Ics: Komposite-Strukturen - Icmi: Materialwissenschaften / Material integrity - Ifa: Energy - Ivp: Virtual production / Umformtechnik 5 5

6 Teil II Additive Fertigungs-Technologien 6

7 Additive Fertigung Grundprozess Definition: Additive manufacturing (AM), n processes of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing fabrication methodologies. Funktionsprinzip ASTM Energy Z Y X Koord.-System CAD Modell Slice-Prozess Einzelne Bauprozess Schichtinformation 7

8 Vor- und Nachteile additiver Fertigung Vorteile Alle Geometrien herstellbar keine Hinterschnitte Verschiedene Geometrien im selben Job Werkzeuglose Fertigung Neue optimierte Designs - Bionik - Leichtbau Reduktion der Anzahl Teile Funktions-Integration Nachteile Geringe Produktivität Energie-intensive Prozesse (insb. SLS, SLM, EBM) Limitierte Anzahl & prozessspezifische Materialien, insb. für Kunststoffe Oftmals zusätzlicher Finish notwendig Oberflächen, Funktionen,... Geeignet für Kleinserien ab Stückzahl 1 bis einige 100 / 1000 Stück 8

9 Teil III Was hat additive Fertigung mit Ressourcen-Schonung zu tun? 9

10 Energiegerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte Energy related products Richtlinie 2009/125/EG «Die Richtlinie sieht die Festlegung von Anforderungen vor, die die von den Durchführungsmaßnahmen erfassten energieverbrauchsrelevanten Produkte erfüllen müssen, damit sie in Verkehr gebracht und/oder in Betrieb genommen werden dürfen. Sie trägt zur nachhaltigen Entwicklung bei, indem sie die Energieeffizienz und das Umweltschutzniveau erhöht und zu gleich die Sicherheit der Energieversorgung verbessert.» Ziel: Reduktion des CO 2 -Footprints aktiver & passiver Produkte auf 70% des Standes 1990 Produkte Glühbirnen Elektronik- und Elektrogeräte Fertigungsprozesse Aktive oder passive Produkte zukünftig auch passive Produkte, z. B. Isolationsstoffe für Gebäude 10

11 Graue Energie in Fertigungsteilen Selective Laser Melting Prozesskette 1. Pulverherstellung Direkte Herstellung Indirekte Herstellung aus Bulk material Die direkte Pulverherstellung benötigt 20% weniger Energie als die Herstellung einer Platte! Kellens, K., et al, Energy and ressource efficiency of SLS/SLM processes. In Proceedings of the Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, ed. D. L. Bourell. Austin, Texas. 2. SLM-Prozess 3. Finishing (konventionell) 11

12 Graue Energie in Fertigungsteilen Selective Laser Melting Prozesskette 1. Pulverherstellung 2. SLM-Prozess Vergleichsweise unproduktiv Hoher Anteil an grauer Energie 200W SLM Anlage 3. Finishing (konventionell) 12

13 Graue Energie in Fertigungsteilen Selective Laser Melting Prozesskette 1. Pulverherstellung 2. SLM-Prozess Vergleichsweise unproduktiv Beispiel: Bauteil mit 409g Edelstahl Near Net Shape kaum Abfall! Kellens, K., et al, Environmental assessment of Selective Laser Melting and Selective Laser Sintering. Hier steckt noch ein grosses Potential für Anlagen- und Prozessoptimierung 3. Finishing (konventionell) 13

14 Graue Energie in Fertigungsteilen Selective Laser Melting Prozesskette 1. Pulverherstellung 2. SLM-Prozess 3. Finishing (konventionell) Zerspanen mit definierter Schneide (Drehen, Fräsen) mit undefinierter Schneide (Schleifen) Umformen -100% -20% - 95% Bei additiv gefertigten Bauteilen (Near Net Shape) fällt der Verlust- Anteil beim Zerspanen sehr gering aus! Quelle: R. Neugebauer, IWU Chemnitz,

15 Energieverbrauchsrelevante Produkte Einfache Ecodesign-Ansätze Leicht Leicht und effizient Effizient Langlebig «schön» Züst R. (2013), Eco-design Energy efficient machinery and products 15

16 Anwendungsfelder Additive manufacturing Leichtbau Innen liegende Gitter-Strukturen Leichtbau nächste Generation: Hohlstrukturen, mehr Funktionsintegration Bionische Strukturen Funktions- Optimierung Funktionsintegration & -Optimierung Reduktion von «Fit & assembly» «Customised» Design 16

17 Anwendungsfelder Additive manufacturing Werkzeugbau Werkzeuge mit internen Kanälen - «conformal cooling» Werkzeugtemperierung Produktion Kleinere bis mittlere Serien in Kunststoff & Metall 17

18 Teil IV Lohnt sich additive Fertigung? 18

19 Lohnt sich additive Fertigung? eine Frage des Betrachtungs-Horizontes! Vorteile Produktion 50% - 90% des Rohmaterials geht ins Bauteil! Rohmaterialverbrauch Werkzeuglose Fertigung Ressourcenaufwand Kaum Emmissionen Ressourcenaufwand Bauteile Neue optimierte Designs Ressourcenaufwand Nachteile Geringe Produktivität Energieaufwand Energie-intensive Prozesse Energieaufwand Zus. Finishing-Prozesse notwendig Ressourcenaufwand 19

20 Lohnt sich additive Fertigung? eine Frage des Betrachtungs-Horizontes! Das Design beeinflusst die gesamte Value-Chain und die Eigenschaften während dessen Lebensdauer und ist deshalb Match-Entscheidend. 20

21 Design for additive manufacturing Optimales Design Leichtbau Funktions-Optimierung Leichtbau Steigerung der Effizienz Redesign for Additive Manufacturing 21

22 Lohnt sich additive Fertigung? Zur Beurteilung ist der Lebenszyklus zu betrachten Ein Mehraufwand in der Fertigung kann durch langjährige Einsparungen im Betrieb leicht wett gemacht werden! 22

23 Optimiertes Desig: Beispiel Was ist besser? Guss? Additiv mit Gitterstruktur? Klassische Topologie- Optimierung? Example by 23

24 Lohnt sich additive Fertigung? wie soll entschieden werden, ob additive Fertigung die Wahl ist? Design E-Verbrauch Y(t) Minimaler Energieverbrauch in Produktion & Lebensdauer des Produktes Das Design entscheidet letztlich darüber Wie die Ressourcen-Effizienz eines Produktes während dessen Lebensdauer ausfällt. Wie vorteilhaft produziert wird (additiv / konventionell). Die starke Wechselwirkung zwischen Design und Herstellprozess besteht auch bei additiv gefertigten Teilen. 24

25 Lohnt sich additive Fertigung? Wie soll entschieden werden, ob additive Fertigung die Wahl ist? Ein ganzheitlicher Betrachtungsansatz ist notwendig! inspire ist Initiator des EU-proposals Manu4.0 Design getriebene Evaluation von Value Chain und Life Cycle Aspekten Dynamic Life Cycle Assessment 25

26 Zusammenfassung Additive Fertigungstechnologien Können ressourcen-schonend sein und einen signifikanten Mehrwert für ein Produkt darstellen, insbesondere bei Betrachtung der Lebensdauer. Die Entscheidung für oder gegen eine additive Fertigung muss auf Basis des Endproduktes und dessen Verwendung bewertet werden. Eine ganzheitliche, systematische Bewertungsmethodik ist notwendig. EU-Antrag Manu4.0 26

27 Fragen? A.B. Spierings Manager R&D SLM Lerchenfeldstrasse St.Gallen spierings@inspire.ethz.ch