Additive Fertigung Aktueller Stand und Trends
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- Rudolf Walter
- vor 8 Jahren
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1 Additive Fertigung Aktueller Stand und Trends Innovationstagung HSR - 2. April 2014 A.B. Spierings Manager R&D SLM Inspire AG institute for rapid product development irpd
2 Agenda Teil I inspire institute for rapid product development Teil II Additive Fertigungs-Technologien Teil III Warum kann die Verwendung additiver Fertigungstechnologien Sinn machen? Teil IV Was sind typische Anwendungsgebiete? Teil V Ausblick Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 2
3 Teil I Inspire AG institute for rapid product development irpd Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 3
4 Wer ist inspire? INSPIRE Strategischer Partner der ETHZ inspire ist ein hochschulnahes Kompetenz-zentrum für die Schweizer Maschinenindustrie. Es betreibt Forschung für die Industrie und löst Probleme in allen Wissensgebieten. Methoden, Prozesse und Technologien inspire macht sie anwendungsreif. inspire ist eine gemeinsame Initiative von Swissmem, der Eidg. Technischen Hochschule Zürich (ETH) und des Bundesamtes für Berufsbildung und Technologie (BBT). Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 4
5 Wer ist inspire? ETH Zürich, Headquaters Empa St.Gallen Technopark Zürich 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 Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 5
6 Kernkompetenzen irpd Additive Manufacturing - small series - Bridging - Implants - Instruments Medical Manufacturing core competences Selective Laser Melting / Selective Laser Sintering, 3D-Printing (3DP) - 3D scanning - Polymers - Metals Rapid Prototyping R&D: Prozesse und Materialien Reverse Engineering Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 6
7 F&E inspire-irpd SLS / SLM / DMD Anwendungen SLS / SLM DMD Materialien Standardisierung ASTM-ISO SLS / SLM DMD Prozesse Standardisierung ASTM-ISO SLM Maschinen- Technik Additive Fertigung (SLS, SLM) Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 7
8 Research inspire-irpd, IWF Materials (SLS / SLM / DMD) Powder characterization & definition of requirements (SLS, SLM) Process windows for new materials / powders / new material combinations Properties of AM-processed materials (static, dynamic, microstructure) Development of new materials: e.g. MMC Processes (SLS / SLM / DMD) Development of process window, development of process chains Process Simulation of the SLM / DMD process, Prediction of behaviour Optimization of material properties (SLS, SLM, DMD) Optimization of process productivity Applications (SLS / SLM / DMD) Production of industrial parts Lightweight structures Functionally optimized parts & applications achievable geometries, geometrical restrictions Equipment (SLM) Investigations into future machine concepts, e.g. for special applications Optimization of the overall-productivity QS for AM Standardisation Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 8
9 Teil II Additive Fertigungs-Technologien Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 9
10 Was ist 3D-Printing / Additive manufacturing? NASA: Materialtest bei über 3000 C Wurfsendung Mai/13 Ausgabe Donnerstag Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 10
11 Was ist 3D-Printing / Additive manufacturing? Investition gering Investition gross Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 11
12 3D Printing Additive manufacturing Ist 3D-Printing = Additive manufacturing? «3D-printing» «Additive manufacturing» Gartner Hype Cycle, 2013 Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 12
13 Additiv Fertigen 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. ASTM Funktionsprinzip Energy Z Y X Koord.-System CAD Modell Slice-Prozess Einzelne Bauprozess Schichtinformation Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 13
14 Verfahren VDI 3404 additive fabrication rapid technologies Fused deposition modeling - FDM Selective Laser Sintering / Melting SLS / SLM Stereo Lithographie - SLA Multi-jet Modeling - MJM Poly-jet Modeling - PJM Layer Laminated Manufacturing - LLM Digital Light Processing- DLP 3D-Printing 3-DP Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 14
15 Verfahren Selective Laser Sintering & Melting (SLS/SLM) Prinzip: Pulverbett & Laser-scanning Materialien: SLS: Kunststoffe (PA12 & Varianten, Polystyrol, PP) SLM: Metalle (Stahl, Titan, Aluminium, Ni-Legierungen, ) IR heater IR heater LASER Beam IR heater Konvektion sintered part powder supply Part cylinder powder supply Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 15
16 Selective Laser Melting SLM Materialien Typische Materialien (Auswahl) Basis Typen Bezeichnung Bemerkungen Fe-base / 316L / 17-4PH Ni-base IN625 IN718 ( IN738LC ) Haynes230 Al-base AlSi12 High-strength Al Ti-base Ti grade 5 (TiAl6V4) Ti grade 2 Bronze Cu90SN10 Standard Standard Warm Arbeitsstahl In Entwicklung Standard In Entwicklung In Entwicklung Standard In Entwicklung Standard, v.a. für Kleinteile kommend «Standard»-Materialien / Legierungen Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 16
17 Selective Laser Melting SLM Materialien Typische Eigenschaften: SLM materials SS- 316L SS 17-4PH as processed SS 17-4PH heat treated IN-718 heat treated Ti6Al4V Tensile strength R m (MPa) ± 53 Yield strength R P0.2 (MPa) E-Modulus (GPa) ± 20 (*) ± 6 Density (g/cm 3 ) Breaking elongation (%) Hardness (HRC) Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 17
18 Selective Laser Sintering SLS Materialien Typische Eigenschaften: SLS materials Duraform PA-12 Duraform HST Duraform flex icopp (*) Tensile strength (MPa) E-Modulus (MPa) Ca Density (g/cm3) 1 - Breaking elongation (%) Ca Impact strength (**) (kj/m 2 ) Hardness (Shore A) Temperature resistance 88 C 165 C - Ca. 50 C ( C) Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 18
19 Teil III Warum kann die Verwendung additiver Fertigungstechnologien Sinn machen? Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 19
20 Vor- und Nachteile von additiver Fertigung Vorteile Keine Hinterschnitte - alle Geometrien können hergestellt werden Verschiedene ( customized ) Geometrien im gleichen Bau-Job Werkzeuglos Produktion ab Stückzahl EINS Neue optimierte Designs möglich - Bionik - Leichtbau - Funktions-Integration Reduktion der Anzahl Teile Nachteile Limitierte Anzahl & prozess-spezifische Materialien, insb. für Kunststoffe Finish notwendig (Entfernung Support Strukturen, Oberflächenqualität) Kleinere Seriengrössen: Von 1 to 100 / keine Gross-Serien! Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 20
21 Design for additive manufacturing Redesign for Additive Manufacturing - Nahezu unbegrenzte Gestaltungsmöglichkeiten Ausnutzung - wie darf man gestalten (nicht wie muss man gestalten) - Prozessoptimierung, Verlässlichkeitssteigerung, Standardisierung Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 21
22 Teil IV Was sind typische Anwendungsgebiete? Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 22
23 Anwendungsfelder Additive manufacturing & Prototyping Funktions-Teile Funktions-integration & Optimierung Reduktion von «Fit & assembly» «Customised» Design Medizinaltechnik Patienten-spezifische Teile Implantate & Instrumente Strukturierte / poröse Flächen Organe?? Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 23
24 Anwendungsfelder Additive manufacturing & prototyping Leichtbau Innen liegende Gitter-Strukturen «Extremer» Leichtbau: Hohlstrukturen, Bionische Strukturen Prototyping «Rapid prototyping» Versuche für «Fit & assembly» Design Tests etc. Reduktion von Design-Fehlern Frühes Testen und Optimieren Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 24
25 Anwendungsfelder Additive manufacturing & prototyping Werkzeugbau Werkzeuge mit internen Kühlkanälen «conformal cooling» Werkzeugtemperierung Fertigung / Produktion Kleinere bis mittlere Serien in Kunststoff & Metall Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 25
26 Beispiele von additive manufacturing Geometrische Freiheiten / integrierte Funktionalität change angle touching keys combined tubing mounting Snappers with hinge Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 26
27 Beispiele von additive manufacturing Produkt Personalisierung Individual back protection arm prothesis Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 27
28 Teil V Ausblick Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 28
29 Ausblick Fertigung von dentalen Produkten Zahnkappen Brücken Turbinenkomponenten Schaufeln Düsen, Turbinenkomponenten Leichtbau-Strukturen Turbine wheel, Inspire-irpd Morris Technologies Nottingham.ac.uk Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 29
30 Ausblick Medizintechnik Implantate Instrumente Patientenspezifische Bohrschablone Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 30
31 Ausblick Medizintechnik Zukunft: Scientists use 3-D printing to help grow replacement ear Organe??? mappingignorance.org organprint.missouri.edu Spierings, Adriaan 08/2013 inspire AG 31
32 Ausblick «Industrial landscape vision» Zielgrössen der Europäischen Strategie Aufbau qualifizierter Arbeitsplätze «Rückholung» der Produktion nach Europa Individualisierte Produkte mit «added value» Customized products Wachsender Einbezug der Konsumenten in die Produkt-Entwicklung «High-Tech» Produktion Qualifizierte Arbeitsplätze Sustainable Production Additive Fertigungsverfahren werden einen wesentlichen Beitrag dazu liefern! Internationale Handels-Strategie und Politik «Global production local supply chain» Roland Berger, Strategy Consultes (2013) Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 32
33 Fragen? Building of Empa St.Gallen A.B. Spierings Leiter F&E Selective Laser Meltign Lerchenfeldstrasse St.Gallen spierings@inspire.ethz.ch Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 33
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