Übersichtsbeitrag aktuell verwendeter Polymer-Materialien im 3D Druck Dipl.- Ing. (FH) Peter Volz

Transkript

1 29. November 2017 Übersichtsbeitrag aktuell verwendeter Polymer-Materialien im 3D Druck

2 4D Concepts Über 4D Gegründet 1995 mit Sitz in Groß-Gerau Im Herzen des Rhein-Main-Gebietes Perfekte Infrastruktur 24 Mitarbeiter Spezialisten aus Kunststofftechnik, Maschinenbau, Elektrotechnik und natürlich dem Modellbau Über 200 Mannjahren Knowhow in additiven Technologien Modelle, Prototypen und Kleinserien aus Kunststoff in der 4. Dimension der Zeit Große Fertigungstiefe maßgeschneiderte Lösungen Beratung inklusive 3D Drucker Vertriebs- & Service Partner Seit 1998 Professionelle 3D Druckersysteme Beratung Technologieauswahl

3 4D Concepts Portfolio Dienstleistungen Modelle, Prototypen, Kleinserien 3D CAD Konstruktion (SolidWorks, Freeform) Datenübernahme und -aufbereitung (Magics, SolidView, Zbrush,etc) Rapid Prototyping / 3D Druck (CJP, MJM, PJ, SLA, SLS, etc.) Konventioneller Modellbau (Fräsen, Laserschneiden, etc.) Rapid Tooling / Kleinserienfertigung (VG, RIM) Maßgeschneiderte Lösungen für Kunststoffteile von der Stückzahl 1 bis zur Kleinserie Vertrieb und Support von 3D Drucker Systemen Authorisierter Vertriebs- und Servicepartner seit 1998 Beratung, Verkauf und Support über 200 3D Druckersysteme bei Anwendern quer durch alle Branchen Professionelle 3D Druckersysteme mit KnowHow und Support von Spezialisten

4 3D Druck Werkstoffe Kunststoff Verfahrensabhängig unterschiedliche Kunststoffe für 3D Druck verfügbar Spezialwerkstoffe für das jeweilige Druckersystem / Verfahrensprinzip entwickelt an konventionelle Werkstoffe angenäherte Materialeigenschaften je nach Verfahren kleine Materialpalette bis auf Ausnahmen keine Verarbeitung von Standardkunststoffen aus konventionellen Fertigungsverfahren per 3D Druck verarbeitbar meist angeboten direkt von den Systemherstellern Professionelle 3D Druckersysteme sind geschlossene Systeme keine freie Werkstoffwahl Einsatz von Fremdwerkstoffen behindert bis unmöglich Parametrisierung nur für Systemhersteller voll zugänglich Verlust von Gewährleistungsansprüchen bei Einsatz von Fremdwerkstoffen Werkstoffe von Drittanbietern z.b. BASF, Lehmann & Voss, Solway, uvm, verfügbar Freigabe von Herstellern benötigt z.b. PA6 von Solway auf SLS System von Ricoh z.b. PA12 von BASF auf MJF System von HP Einstiegs- und Hobby 3D Druckersysteme sind offene Systeme Bauteilqualität, Prozesssicherheit und Verfügbarkeit für professionellen Einsatz nicht ausreichend Aber freier Werkstoffeinsatz

5 Übersicht 3D Druck Polymerwerkstoffe Photo Polymerisation Aushärten flüssiger Photopolymere durch Belichtung Materialextrusion Ablage aufgeschmolzener Kunststoff Strangmaterial (Filament) Pulversintern Lokales Verschmelzen von Pulverwerkstoff durch Energieeintrag SLA Stereolithographie FDM Fused Deposition Modeling MJP Multi Jet Printing FFF Fibre Freeform Fabrication DLP Digital light Processing CFF Composite Freeform Fabrication CLIP Continous Liquid Interface Production AKF Arburg Kunststoff Freiformen SLS Selective Laser sintering MJF Multi Jet Fusion LC Laser Cusing SLM Selective Laser Melting DMLS Direct Metal Laser Sintering EBM Electron Beam Melting Kunststoff Kunststoff Kunststoff Metall Duroplaste Thermoplaste Thermoplaste Legierungen Acrylatharze, Expoxidharze, Urethanharze ABS, PLA, ASA, PC, PC ABS, PA 6, PA 12, PPSU/PPSF, PEI PA 12, PA 11, PA 6, PS, PEEK, (PP, PE, TPU) Stahl, Aluminium, Titan, Kobalt Chrom, Nickel

6 Kosten 3D Druckwerkstoffe Hohe Werkstoffkosten im Vergleich zu konventionellen Verfahren Photo Polymer Verfahren ab ca. 180,- /kg Extrusionsverfahren ab ca. 25,- /kg bei offenen Einsteigersystemen ab ca. 150,- /kg bei geschlossenen, professionellen Systemen Pulversintern ab ca. 50,- /kg PA12 für MJF System ab ca. 90,- /kg PA12 für SLS Systemen Bei der Kostenrechnung ist zu beachten verfahrensspezifisch keine 100% Ausnutzungsgrad z.b. SLS 50-70% Ausnutzungsgrad bei Standard PA12 (thermischer Materialabbau) verfahrensspezifisch Zusatzverbrauch Stützgeometrie bei Photopolymer- und Extrusionsverfahren Geometrieabhängig Anteil Stützgeometrie kann höher sein als das eigentliche Bauteil Die Angabe Kosten / Bauteilvolumen enthält eine große Ungenauigkeit in Punkto Materialkosten, da die Bauteilgeometrie nicht berücksichtigt wird. Eine exakte Angabe der Werkstoffkosten kann nur Basis des jeweiligen Bauteils ermittelt werden. Die Werte dazu liefern die jeweiligen Steuerprogramme der 3D Druckersysteme.

7 Beispiel Werkstoffkosten Differentialgehäuse Abmessungen: Ca. 230 x 195 x 154 mm 0,8 Liter Bauteilvolumen Bauzeit Werkstoffkosten CJP 11 h 212,- PJ 50 h 960,- FDM 135 h 380,- SLS 16 h 120,- SLM 124 h 220,- Diese Angaben basieren auf den Angaben aus der jeweiligen Druckersoftware. Reine Fertigungsdauer, Folgezeiten (ggf. Abkühlung, Stützgeometrie entfernen, Reinigen) nicht enthalten. Datenbasis 2016.

8 Bewertung verfügbare Polymerwerkstoffe Selbst wenn konventionelle Werkstoffe auf additiven Anlagen verarbeitbar wären, können per 3D Druck nicht die gleichen Bauteileigenschaften eines konventionellen Serienfertigungsverfahrens erreicht werden Fertigungseinflüsse: 3D Druck konventionelles Fertigungsverfahren Bauteileigenschaften: 3D Druck konventionelles Fertigungsverfahren Photopolymere UV Einfluss Langzeitstabilität? (Duroplast Thermoplast) Materialextrusion Verbund in Schichtaufbauachse geringer als in Schichtebene geringere Eigenschaftswerte Pulversintern noch die beste Homogenität und damit Eigenschaftswerte in der z-achsen etc. Um 3D Druck für Serienteile nutzen zu können, muss die Bauteilauslegung fertigungsgerecht für den 3D Druck erfolgen Potentiale nutzen (geometrische Freiheit, Funktionsintegration, Bauteilreduzierung, Leichtbaustrukturen, etc) Fertigungsgerechte Bauteilauslegung Werkstoffverfügbarkeit Fertigungsspezifische Bauteileigenschaften Toleranzen & Oberflächen Aktuell noch keine allgemeingültigen Konstruktionsrichtlinien verfügbar Aktuell noch keine FEM Software für 3D Druck Bauteile verfügbar Aktuell 3D Druck noch nicht in Lehre und Ausbildung als Lehrinhalt etabliert

9 Ausblick Aktuelle Tendenz bei Herstellern professioneller 3D Druckersysteme weiterhin geschlossene Systeme bei etablierten Anbietern Neue Werkstoffe nur mit Unterstützung/Freigabe des Herstellers verarbeitbar Maschinenzugang / Parametrisierung Anwendungsunterstützung Neue 3D Drucker Hersteller setzen auf offene Systemarchitektur und Werkstoffwahl z.b. Ricoh, Farsoon, HP bei Pulverbettsintern z.b. UnionTech bei Stereolithographie Potentielle Werkstofflieferanten drängen auf den Markt UV Photopolymere DSM, BASF, etc Filamente BASF (Innofil-3D), Igus, Isquared², uvm, Pulverwerkstoffe (Kunststoff) Archema, BASF, Lehmann&Voss, Solway, Advanc3D, CRP, etc Eine breite, nutzbare Werkstoffpalette ist ein entscheidendes Kriterium für die breitere Nutzung der additiven Verfahren auch in der Fertigung.

10 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit 4D Concepts GmbH Frankfurter Straße 74 D Groß-Gerau Fon: Fax: