SLM Materialeigenschaften: Aktueller Stand und Trends "erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM"

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1 Research Collection Other Conference Item SLM Materialeigenschaften: Aktueller Stand und Trends "erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM" Author(s): Spierings, Adriaan B. Publication Date: 2012 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 SLM Materialeigenschaften: Aktueller Stand und Trends Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM 8. Swiss Rapid Forum August 2012 A.B. Spierings Manager R&D SLM Inspire AG institute for rapid product development irpd St. Gallen, Switzerland 1

3 Agenda Einleitung F&E Fokus im Bereich inspire-irpd Was ist Design? Warum Additive Fertigung? Was kann dabei SLM bieten? Material- & Geometrie-Optionen SLM-Materialeigenschaften Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Inspire-irpd: Strukturell optimiertes Funktions- Bauteil Fazit Restriktionen? Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 2

4 F&E Fokus im Bereich inspire-irpd Materialien SLM Prozessparameter für neue Pulver Charakterisierung von SLM Materialien (Statisch, Dynamisch, Mikrostruktur, ) Entwicklung neuer Materialien / Legierungen MMC / Pulver-Mischungen, Materialien Prozess Reduktion interner Spannungen & Risse Optimierung von Materialeigenschaften Simulation des SLM-Schweissprozesses Anlagentechnik Anwendungen Prozess Anwendungen Leichtbau-Strukturen Funktions-optimierte Bauteile Anlagentechnik Untersuchungen & Studien zu neuen Anlagenkonzepten Optimierung der Gesamtproduktivität Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 3

5 Was ist Design? Design BMW concept-car GINA (C. Bangle) BMC Fahrrad-Vorbau, topologieoptimiert Dampfmaschine Blüemlisalp Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 4

6 Was ist Design? Ästhetische Funktionen - Es soll «schön» sein Praktische Funktionen - Bessere «Leistungsfähigkeit» - Funktions-Integration - Handhabung / Ergonomie Design Im Englischen und Französischen Technische Funktionen bedeutet design Gestaltung oder Entwurf, während das italienische - (spezifische) disegno stärker Festigkeit einen erprobenden Vorgang betont ( ). - Gewicht / Leichtbau Im Gegensatz zum deutschen Sprachgebrauch, der eher auf gestalterisch-kreative - Spannungsverlauf Aspekte abzielt und den Designbegriff weitgehend verdinglicht, umfasst der - Materialien angelsächsische Begriff design auch technische Anteile der Gestaltung. (wikipedia/design) Wirtschaftliche Funktionen - Preis-Leistung muss stimmen Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 5

7 Was ist Design? Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 6

8 Warum Additive Fertigung? Je mehr Anforderungen berücksichtigt werden sollen, desto höher wird i.r. die Komplexität der Teile insb. im technischen Bereich. Leichtbau Funktionsintegration Topologie-Optimierung desto höher werden die Anforderungen an Materialien Prozesse Qualität Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 7

9 Warum Additive Fertigung? «Complexity for free» Dabei eignen sich SLS (Kunststoff) und SLM (Metalle) für das Additive Manufacturing ( Prototyping!) am besten. Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 8

10 Was kann dabei SLM bieten? Fertigung komplexer Bauteile Inspire-irpd: Spongiosa Gitter Funktionsteile Mischer-Elemente Funktionsteile Komplexe Teile mit hoher Funktionsintegration Prototypen für med. Implantate (Titan) Funktionsteile Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 9

11 Was kann dabei SLM bieten? in diversen metallischen (Standard-) Materialien Material Bemerkungen Fe-Basis Warmarbeitsstahl, hochfest, R m MPa / 52 HRC R m 580 Mpa, auf Anfrage R m 850 Mpa (QT800) auf Anfrage R m > 670 MPa, ähnlich , R m > MPa, härtbar HRC Andere Materialien - TiAl6V4 R m > Mpa - Aluminium AlSi12, Geplant: Strukturaluminium ähnlich Al CoCr28Mo6 ASTM F799 - Nickel-Basis z.b. IN718: R m 1 350MPa. / IN738 Projekte - Materialien inkl. Legierungsentwicklung, für die Turbinen-Industrie (EU-Projekt OXIGEN) - Neue hochfeste Alu-Legierung (Struktur-Aluminium) - Materialmischungen (z.b. in Richtung MMC) Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 10

12 Materialeigenschaften Und wie sind die Eigenschaften additiv verarbeiteter Metalle? Statisch mechanische Eigenschaften Dichte Qualität der Materialien Dynamisch mechanische Eigenschaften Oberflächen Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 11

13 Materialeigenschaften Und wie sind die Eigenschaften additiv verarbeiteter Metalle? Dichte, Gefüge Oberflächen Statisch mechanische Eigenschaften - Typisch > 99.5 % Feine Poren können i.r. Nicht ganz vermieden werden. - Auch geringere Dichten sind möglich. - Sehr feinkörniges Gefüge Dynamisch mechanische Eigenschaften Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 12

14 Materialeigenschaften Und wie sind die Eigenschaften additiv verarbeiteter Metalle? Dichte, Gefüge Oberflächen Statisch mechanische Eigenschaften Dynamisch mechanische Eigenschaften - Aufgrund des Pulverbett-Prozesses weisen die Teile eine typische Eigenrauheit auf. R z 25-40µm, je nach Material und Pulver - Mechanisches Nachbearbeiten ist kein Problem, bis hin zu polierten Flächen. - Mechanisch hat die Rauheit keine negativen Einflüsse! Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 13

15 Materialeigenschaften Und wie sind die Eigenschaften additiv verarbeiteter Metalle? Dichte, Gefüge - R m, R p0.2 etc. erreichen z.t. Literaturwerte, oder übersteigen diese sogar. Oberflächen Statisch mechanische Eigenschaften Dynamisch mechanische Eigenschaften Irpd: IN718 Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 14

16 Materialeigenschaften Und wie sind die Eigenschaften additiv verarbeiteter Metalle? Dichte, Gefüge Oberflächen - Ermüdungsbereich: nur wenig schlechter im Vergleich zu «normalem» Material - Dauerschwingfestigkeit geringer als bei normalem Material Statisch mechanische Eigenschaften Dynamisch mechanische Eigenschaften - Oberflächenrauhigkeit hat praktisch keinen Einfluss auf die dyn. Schwingfestigkeit im Ermüdungsbereich! Spierings, A.B. et.al. CIRP - STC-E. Paris Spierings, A.B. et.al. Rapid Prototyping Journal, (2). Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 15

17 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Design hat auch mit der Abstimmung von Materialeigenschaften auf die techn. Anforderungen zu tun. Was kann hier SLM bieten? Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 16

18 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Fertigung komplexer Bauteile Additive Technologies (e.g. SLM) Additive: «Freedom of design» Extrem komplexe Bauteile Struktur-Optimierung Urform-Verfahren «Herstellung» des eigentlichen Materials durch den Fertigungsprozess Beeinflussung von Materialeigenschaften - Porosität - Mechan. Eigenschaften Strukturell & mechanisch optimierte Teile Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 17

19 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Design von Materialeigenschaften über die Steuerung der Porosität untersucht am Beispiel des härtbaren Edelstahls / 17-4PH Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 18

20 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Design von Materialeigenschaften: z.b. E-Modul Prozessparameter Porosität EP= EM 2 (1 P) R P+ (1 P) R Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 19

21 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Design von Materialeigenschaften z.b. R m Prozessparameter Porosität Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 20

22 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Definition eines Designraumes aus E-Modul Härte R p0.2 Correlation between hardness, Yield strength and E-modulus Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 21

23 Fazit: Was kann SLM bieten? Optionen Konventionell «Dicht»: - 1 Set von Prozessparametern I.R. dichte und steife Teile Lokales designen des Materials: - n Set von Prozessparametern in 1 Teil Lokale Material-Optimierung «Complexity for free»: - 1 Set von Prozessparameter Strukturelle Optimierung Material global designen - 2 Set von Prozessparametern Core-shell design Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 22

24 Und was ist mit Restriktionen? Ja, die gibt es auch! Überhänge müssen abgestützt werden Support-Strukturen Manuelles Entfernen notwendig. Produktivität: Typische Losgrössen je nach Bauteilgrössen zwischen 1 und 100, bei kleinen Teilen durchaus auch mehr. Zukünftig werden wesentlich produktivere Anlagen aufkommen. Aber: eine Fertigung ( Prototyping) kann bereits bei Stückzahl 1 beginnen. Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 23

25 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 24

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