Die Potentiale Additiver Fertigung nutzen

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Leonard Busch
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1 Die Potentiale Additiver Fertigung nutzen Praktische Hinweise für eine optimale Konstruktion 12. Rapid Prototyping Fachtagung Dipl.-Ing. Guido Adam 1

2 Agenda Technologie der Additiven Fertigung Potentiale Nutzen Hinweise für eine optimale Konstruktion Direct Manufacturing Research Center VDI Fachausschuss

z-richtung aufeinander fügen Aufbau von Bauteilschichten 1 Konturbahnen: Begrenzung äußerer

3 Technologie der Additiven Fertigung Grundlagen Aufbau von Bauteilen entstehen aus Bauteilschichten Bauteilschichten besitzen gleiche Dicken Bauteilschichten entstehen in x-y-richtung Schichten in z-richtung aufeinander fügen Aufbau von Bauteilschichten 1 Konturbahnen: Begrenzung äußerer Ausdehnungen Rasterbahnen: Füllung der Flächen zwischen Konturbahnen 1 Gilt nicht für alle Additiven Fertigungsverfahren 3

Aufgabe der Unterbauten: - Aufnahme von Kräften - Ableiten thermischer Energie Mögliche Arten von Unterbauten - Teilfertiges Bauteil -

4 Technologie der Additiven Fertigung Grundlagen Stützstrukturen Während der Fertigung wirken Kräfte auf die Bauteilschichten Ursachen: - Eigenspannungen (thermisch induziert) - Gravitation - Prozesskräfte (aufgrund Maschinenbewegungen) Bauteilschichten müssen unterbaut werden Aufgabe der Unterbauten: - Aufnahme von Kräften - Ableiten thermischer Energie Mögliche Arten von Unterbauten - Teilfertiges Bauteil - Disperse Stützstrukturen (geometrisch unbestimmt) - Solide Stützstrukturen (geometrisch bestimmt) Stützstrukturen müssen nach der Fertigung entfernt werden 4

Weiterentwicklung wichtiger Aspekte - Prozesse - Werkstoffe - Maschinen Daher heute zunehmende Nutzung zur Fertigung

5 Technologie der Additiven Fertigung Weiterentwicklung des Anwendungsgebietes Prototyping zum Direct Manufacturing Entstehung Additiver Fertigung in den 1980ern Seither hauptsächlich Fertigung von Prototypen Aber auch: Weiterentwicklung wichtiger Aspekte - Prozesse - Werkstoffe - Maschinen Daher heute zunehmende Nutzung zur Fertigung von Endprodukten (Direct Manufacturing) Direct Manufacturing bietet - Viele Potentiale - Sehr großen Nutzen (Quelle: Rapidtech.de) 5

Gezielte Beeinflussung von Werkstoffeigenschaften durch Fertigungsparameter Beispiel: Gezielt abgestufte Porosität Erzeugt

6 Potentiale Technisch Fertigung ohne formgebende Werkzeuge Bauteile werden schichtweise gefertigt Überführung räumlicher Fertigungsherausforderungen in ebene Bauteilformgebung in x- und y-richtung Beeinflussung von Werkstoffeigenschaften 1 Gezielte Beeinflussung von Werkstoffeigenschaften durch Fertigungsparameter Beispiel: Gezielt abgestufte Porosität Erzeugt durch veränderte Laserleistung (Quelle: Klaus Højbjerre / Danish Technological Institute) 1 Gilt nicht für alle Additiven Fertigungsverfahren 6

Potentiale Wirtschaftlich Entkopplung Fertigungskosten und Komplexität Konventionelle Fertigung: Fertigungskosten steigen progressiv bei zunehmender Komplexität Additive Fertigung: Fertigungskosten

7 Potentiale Wirtschaftlich Entkopplung Fertigungskosten und Komplexität Konventionelle Fertigung: Fertigungskosten steigen progressiv bei zunehmender Komplexität Additive Fertigung: Fertigungskosten verlaufen konstant bei zunehmender Komplexität Einsatzbereich Konventionelle Fertigung: Bauteile mit niedriger Komplexität Additive Fertigung: Bauteile mit hoher Komplexität (Bild vgl.: Ralf Schindel / Inspire irpd, ETH Zürich) 7

Schichtrichtung - Baurichtung Innenliegende Strukturen sind fertigbar Beispiel: Konturnahe

8 Nutzen Erweiterte Gestaltungsfreiheit Hinterschneidungen sind fertigbar Werkzeugzugänglichkeit nicht erforderlich Hinterschnitte können entstehen in - Schichtrichtung - Baurichtung Innenliegende Strukturen sind fertigbar Beispiel: Konturnahe Kühlkanäle Herausforderung: Eventuell enthaltenes disperses Stützmaterial (z.b. Pulver) muss nachträglich entfernt werden 8

Keine Montage Definierte Relativbewegungen

Gitterstrukturen sind fertigbar Komplexe

9 Nutzen Erweiterte Gestaltungsfreiheit Urformend montierte Elemente sind fertigbar Elemente, die während der Fertigung formschlüssig verbunden werden Keine Montage Definierte Relativbewegungen der Elemente zueinander möglich Gitterstrukturen sind fertigbar Komplexe räumliche Anordnungen von Stäben und Balken Sandwichbauweise ohne Montage 9

10 Nutzen Erweiterte Gestaltungsfreiheit Große Aspekt-Verhältnisse sind fertigbar Länge zu Dicke (bzw. Länge zu Durchmesser) Bohrungstiefe zu Bohrungsdurchmesser Unterschiedliche Wanddicken kombinierbar Wanddickenunterschiede sind fertigbar Keine negative Beeinflussung auf die - Entstehung von Lunkern - Entstehung von Gestaltabweichungen - Entstehung von Formabweichungen 10

Nutzen Anwendungsbeispiele Leichtbau-Bauteile Großes

Strukturen Beispiel: Radträger (Formular Student Uni

Topologie-Optimierung Material nur an beanspruchten

11 Nutzen Anwendungsbeispiele Leichtbau-Bauteile Großes Verhältnis aus Tragfähigkeit zu Gewicht Sehr komplexe Strukturen Beispiel: Radträger (Formular Student Uni Paderborn) Einsatz neuer Werkzeuge FEM-basiert Ziel: Topologie-Optimierung Material nur an beanspruchten Stellen Ergebnis: Häufig ähnlich natürlich gewachsenen Tragstrukturen 11

Nutzen Anwendungsbeispiele Bauteile mit hoher Variantenvielfalt

bestimmt Bauteilgestalt Beispiel: Individualisierte Implantate

Strukturen Beispiel: Thermisch isolierter Luftkanal - Ersatz

12 Nutzen Anwendungsbeispiele Bauteile mit hoher Variantenvielfalt Kleine Stückzahl Keine Werkzeugänderung notwendig CAD-Datensatz bestimmt Bauteilgestalt Beispiel: Individualisierte Implantate Bauteile mit hoher Funktionsintegration Häufig sehr komplexe Strukturen Beispiel: Thermisch isolierter Luftkanal - Ersatz des isolierenden Schaums durch Hohlraum - Doppelwandige Gestaltung 12

13 Hinweise für eine optimale Konstruktion Projekt Direct Manufacturing Design Rules Situation der additiven Fertigungsverfahren bezüglich der Technologie Verkürzen der Markteinführungszeit Reduzieren der Entwicklungskosten Neue Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich der Verbreitung Etabliert in Forschungseinrichtungen und technologieführenden Unternehmen Gestaltungsmöglichkeiten kaum bekannt Keine Konstruktionsregeln für Lehre und Ausbildung bekannt Ziel Konstruktionsregeln für Additive Fertigungsverfahren ungünstig günstig Keine Hinterschnitte Beispiel: Gestaltungsregel für Spritzgusstechnologie 13

14 Hinweise für eine optimale Konstruktion Projekt Direct Manufacturing Design Rules Nicht gekrümmte Elemente Basiselemente Beschreibung Ungünstig günstig Wanddicke Orientierung LS Wanddicken sollten so groß sein, dass jede Schicht aus einer Kontur mit LM einbeschriebenen Raster gebildet werden kann FDM LS: snk > 3*SV 1,0 mm LM: s NK > 6*SV 0,6 mm FDM: s NK > 3*SV 1,5 mm LS LM FDM Nicht gekrümmte Elemente sollten orthogonal zur Bauebene orientiert werden, um möglichst kleine Maßabweichungen in Dickenrichtung zu erzielen s Nk δ Ori s Nk δ Ori 14

Hinweise für eine optimale Konstruktion Projekt Direct Manufacturing Design Rules Basiselemente Beschreibung Ungünstig günstig Nicht gekrümmte Elemente Länge Länge LS LM FDM LS LM FDM Das Verhältnis

15 Hinweise für eine optimale Konstruktion Projekt Direct Manufacturing Design Rules Basiselemente Beschreibung Ungünstig günstig Nicht gekrümmte Elemente Länge Länge LS LM FDM LS LM FDM Das Verhältnis aus der freien Länge l f, in der ein Element nicht von Stützmaterial unterbaut ist, und seiner Dicke s Nk sollte so klein sein, dass die Elemente während der Fertigung nicht durchbiegen. L f /s Nk (δ = 45 ) < 10 L f /s Nk (δ = 90 ) < 20 Da das umgebende Stützmaterial die Elemente stabilisiert, kann das Verhältnis aus Länge zu Dicke eines Elementes frei gewählt werden. l < 10*s f Nk s Nk 15

16 Hinweise für eine optimale Konstruktion Projekt Direct Manufacturing Design Rules Ecken Aggregierte El. Beschreibung Ungünstig günstig Vert. Extremstelle Horiz. Extremstelle LS LM FDM Ecken, die eine vertikale Extremstelle bilden, sind parallel zur Bauebene so abzustumpfen, dass die minimalen Außenabmessungen einfacher oder nicht gekrümmter Elemente eingehalten werden Ecken, die eine horizontale LS Extremstelle bilden, sind orthogonal zur Bauebene so LM abzustumpfen, dass die FDM gekrümmter Elemente eingehalten werden minimalen Außenabmessungen einfacher oder Z Z nicht Z Z 16

17 Hinweise für eine optimale Konstruktion Projekt Direct Manufacturing Design Rules Aggregierte El. Beschreibung Ungünstig günstig Ecken Stützmaterial Stützmaterial LS LM FDM LS LM FDM Innenliegende Ecken sollten abgerundet oder abgestumpft werden, um disperses Stützmaterial besser entfernen zu können. Innenliegende Ecken sollten spitz gestaltet werden, um die Notwendigkeit von solidem Stützmaterial zu vermeiden. Z Z 17

Direct Manufacturing Research Center Struktur Forschungszentrum für Additive Fertigung Ziel: Weiterentwicklung Additiver Fertigungsverfahren zu vollwertigen Produktionsverfahren für Endprodukte

18 Direct Manufacturing Research Center Struktur Forschungszentrum für Additive Fertigung Ziel: Weiterentwicklung Additiver Fertigungsverfahren zu vollwertigen Produktionsverfahren für Endprodukte Interdisziplinarität Fakultätsübergreifendes Forschungszentrum Lehrstühle der Universität werden themenspezifisch für DMRC-Projekte einbezogen 25 Mitarbeiter (darunter 8 Professoren / 14 Doktoranden) Ausstattung Maschinen: Eosint P 395 / Fortus 400mc / SLM 250 HL Labor: Zugprüfungen, 3D-Scanner, Materialkontrolle Zuzüglich aller Ausstattungen der beteiligten Lehrstühle 18

Funktionsgerecht) Produktoptimierung (Oberflächen / Toleranzen) Strategieentwicklungen (Chancen / Risiken / Kosten) Förderung

19 Direct Manufacturing Research Center Forschung Derzeit 12 Forschungsprojekte mit den Schwerpunkten Prozessentwicklung (Verbesserung von Prozessqualitäten) Materialwissenschaften (statisch / zyklisch) Konstruktionsrichtlinien (Fertigungs- / Funktionsgerecht) Produktoptimierung (Oberflächen / Toleranzen) Strategieentwicklungen (Chancen / Risiken / Kosten) Förderung DMRC-Projekte: - 50%-Förderung durch das Land NRW - 11 Mio. Fördervolumen bis 2016 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) EU-Projekte 19

20 VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik VDI-GPL FA Rapid Manufacturing - Konstruktionsempfehlungen Aktuelles Projekt Richtlinie VDI 3406 Blatt 1 Konstruktionsempfehlungen - Grundlagen Terminologie Besonderheiten additiver Fertigung Konstruktionsempfehlungen für Lasersintern und Strahlschmelzen Nächste Sitzung FA in Erfurt (Am Vortag der Rapid.Tech 2013) Ansprechpartner: Dr. Olaf Rehme Guido Adam Dr. Erik Marquardt (olaf.rehme@siemens.com) (guido.adam@uni-paderborn.de) (gpl@vdi.de) Seite 20 / Dr. Erik Marquardt /

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Guido Adam DMRC KAt Direct Manufacturing Research Center Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik Universität Paderborn Fakultät für Maschinenbau

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