Einordnung und Ausblick von Additiven Fertigungsverfahren aus produktionstechnischer Sicht

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1 Einordnung und Ausblick von Additiven Fertigungsverfahren aus produktionstechnischer Sicht Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele Michael Kniepkamp, M.Sc. Veranstaltung des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung Hanau 23. September 2014 Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich

2 Wirtschaftliche Entwicklung der additive Fertigung Zahlen und Fakten 2013 Wachstum: 44,5 % auf $ 1,552 Milliarden 9832 professionelle (> 5000 $) Anlagen weltweit verkauft 348 Metallsysteme weltweit verkauft 29 % Direct Part Teile Hauptanwenderländer: U.S., Deutschland und Japan Verkaufte Consumer Drucker für < 5000$: ~ Verkaufte Metallsysteme Direct Part Teile Quelle: Wohlers Associates, Inc. Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 2

3 Potentialeinschätzung Hype Thema 3D Drucken Gartner s Hype-Cycle für aufstrebende Technologien: Consumer 3D Printing Bioprinting Industrial 3D Printing 1. Veröffentlichung Hype Ernüchterung Solide Weiterentwicklung Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 3 Quelle: Gartner

4 Anwendungen für additive Fertigung Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Präsentationsmodelle 17,4 % 26 % Direct Tooling Marktanteil Quelle: 3D Systems Quelle: EOS Funktionelle Prototypen 19,5 % 29 % Direct Manufacturing Quelle: 3D Systems Quelle: EOS Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 4

5 Klassifizierung der Verfahren Aggregatzustand Feststoff Flüssigkeit Halbzeug Draht Pulver Folie / Platte Flüssigkeit Wirkprinzip Aufschmelzen und Erstarren Aufschmelzen und Erstarren Verkleben durch Binder Ausschneiden und Fügen Polymerisieren Verfahren Extrusion- Verfahren Sintern / Schmelzen 3D Drucken Schicht-Laminat- Verfahren Polymerisation Stereolithographie Weitere Verfahren: Aufbau aus Gasförmigem Zustand, Ultraschall Lamination, Hybride Technologien Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 5 Quelle:Gebhardt

6 Verfahren zur Fertigung von Metallbauteilen Selektives Laserschmelzen (SLM) Laserauftragschweißen (LAS) Laser Ar Beschichter Laser Pulverzufuhr Ar Pulver Bauplattform Bauteil Laserleistung: Bis zu 1,5 kw Schichtstärken: µm Pulver Ø: µm Laserleistung: Bis zu 10 kw Schichtstärken: µm Pulver Ø: µm Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 6

7 Branchenübliche Beispielbauteile aus Metall Medizintechnik Werkzeugbau u. Formenbau Luft u. Raumfahrt Automobil Zahnkronen Werkzeugeinsätze Abstützelemente Prototypen Quelle: Realizer Quelle: EOS Quelle: Airbus Group Quelle: TU Fast e.v. Kostengünstige Fertigung von individualisierten Medizinprodukten Konturnahe Kühlkanäle ermöglichen kürzere Taktzeiten Konturnahe Fertigung von teuren Materialien Gewichtsersparnis durch bionisches Design Herstellung von Prototypen Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 7

8 R m [MPa] Eigenschaften von Metallbauteilen beim SLM Verfahren Oberflächeneigenschaften und Zugfestigkeiten Datenblatt SLM Probe Konventionell Oberflächenqualität in X-Y Richtung Oberflächenqualität in Z- Richtung Zugfestigkeit Zugfestigkeiten vergleichbar mit konventionell Hergestellten Bauteilen Oberflächenqualität ist Richtungsabhängig Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 8

9 Technology Readiness Level Medizintechnik Werkzeugbau Luft u. Raumfahrt Automobil Produktion bei Vollauslastung Produktion bei Teilauslastung Fähigkeit einer Pilotlinie demonstriert Produktion in Produktionsumgebung validiert Produktionssysteme hergestellt Grundfähigkeiten beweisen (Produktionsnah) Technologie im Labor validiert Machbarkeitsstudie durchgeführt Produktionskonzept identifiziert Funktionsprinzip identifiziert = Technologie im Serieneinsatz 5 = Grundfähigkeit bewiesen Quelle: Roland Berger Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 9

10 Probleme der Branchen Branche Problem Lösungsansatz Medizintechnik Unzureichende Oberflächengenauigkeit Steigerung der Auflösung Oberflächennachbearbeitung Werkzeugbau Bauteilgrößen Vergrößerung der Anlagen Luft u. Raumfahrt Qualifizierung u. Qualitätssicherung Integrierung von Prozessüberwachungssystemen Entwicklung von Qualitätssicherungsmaßnahmen Automobil Nicht Massentauglich Steigung des Automatisierungsgrades Senkung der Kosten durch Hybride Fertigungstechnologien Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 10

11 Problem: Auflösung und Oberflächeneigenschaften Mikro additive Fertigung Optimierung der Oberflächeneigenschaften Laserpoliert µslm Bauteil Unbearbeitet µslm von Metallen 30 µm Fokusdurchmesser < 5µm Schichtdicke Material: Bauraum: Ø 56 mm x 30 mm Entwicklung von angepassten Prozessstrategien zur Minimierung der Oberflächenrauigkeit Laserpolieren der Oberflächen während dem Prozess durch Nutzung der vorhandenen Laserquelle Ziel: Ra < 0,8 µm Quelle: PTW Quelle: PTW Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 11

12 Problem: Bauteilgröße Trend zu größeren Anlagen 2006 Bauvolumen: cm³ x Bauvolumen: cm³ Größere Anlagen werden entwickelt um Größere Teile produzieren zu können Quelle: EOS Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 12

13 Problem: Prozessüberwachung und Qualitätssicherung Prozessüberwachung Qualitätssicherung Live Aufnahme des SLM Prozesses Online Überwachung des Bauprozesses Rückführung in die Maschinensteuerung Dynamische Anpassung der Prozessparameter zur Steigerung der Prozesssicherheit Quelle: PTW REM Aufnahme von Metallpulver zur Qualitätssicherung Qualitätssicherung der Ausgangsmaterialien Entwicklung von Methoden zur Überprüfung von additiv Hergestellten Bauteilen Quelle: PTW Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 13

14 Kosten pro Teil Kosten pro Teil Problem: Kosten Kostenvorteil der additiven Fertigung Keine Mehrkosten durch Individualisierung Keine Mehrkosten durch höhere Komplexität Konventionell Additiv Additiv Konventionell Losgröße Komplexität Zum jetzigen Stand der Technik prädestiniert für komplexe Bauteile in geringen Stückzahlen Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 14

15 Fertigungstechnologien im Vergleich Beispielbauteil Napf Aufbau- bzw. Abtragrate [cm³/h] Bauteilvolumen: 2,6 cm³ Abtrags Volumen: 9,4 cm³ Maße: 20x20x30 mm Material: Kobalt Chrom Legierung Additiv Abtragend Bearbeitungszeit [h] 0,13 0,23 Maschinenstundensatz [ ] Kosten pro Teil 9,11 10,08 Additiv Fertigungskosten stark abhängig von der Geometrie. Hybride Fertigung durch Kombination von beiden Verfahren kann Herstellungskosten Reduzieren Abtragend Faktoren zur Kostenrechnung von additiven Fertigungsverfahren Bauteilvolumen Bauteilgeometrie Losgröße Material Nachbearbeitungskosten Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 15

16 Aktuelle Entwicklung: Laserauftragsschweißen integriert in klassisches Bearbeitungszentrum Hybride Prozesse Quelle: DMG Mori Seiki Quelle: DMG Mori Seiki Quelle: Hermle Zwei Werkzeuge in einer Maschine: 1. Werkzeug zum Laserauftragsschweißen 2. Spindel mit Aufnahme für Fräs- und Bohrwerkzeuge Designfreiheit des AM Prozesses und hohe Oberflächengüten durch abtragenden Prozess Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 16

17 Anlagentechnik für Additive Fertigung am PTW Selektives Laserschmelzen (SLM) Mikro Laserschmelzen (µslm) EOSINT M270 EOSINT µ W Laser, 100 bis 500 µm Fokusdurchmesser 20 bis 40 µm Schichtdicke Material: , TiAl6V4, Bauraum: 250 x 250 x 215 mm³ 40 W Laser, kontinuierlich und gepulst 30 µm Fokusdurchmesser < 5µm Schichtdicke Material: Bauraum: Ø 56 mm x 30 mm Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 17

18 Forschungsthemen im Bereich Selektives Laserschmelzen Fertigungstechnologie für innovative Produkte Strukturintegration piezoelektrischer Aktoren (AdRIA) Elektroden für neuartige tubulare Brennstoffzellen Prototyp: Piezo-Aktor Hermetisch dichtes SLM Gehäuse Schnittansicht: dicht porös Prozessentwicklung zur zerstörungsfreien Strukturintegration piezoelektrischer Aktoren Untersuchung der Steifigkeit, Schwingfestigkeit und Gasdichtheit mittels SLM hergestellter dünnwandiger Bauteile Entwicklung bauteilangepasster Prozessparameter zur signifikanten Produktivitätssteigerung Herstellung von Bauteilen mit definierten Porositätseigenschaften zur gezielten Beeinflussung des Stofftransports (bspw. Porengröße und -verteilung, Permeabilität) Entwicklung von Modellen zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Prozessparametern und Porositätseigenschaften Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 18

19 µslm : Realisierung von Bauteilen aus Metall mit hoher Auflösung Parameterentwicklung Optimierung der Oberflächeneigenschaften Laserpoliert µslm Bauteil Unbearbeitet Entwicklung eines Universalparametersatzes für den Werkstoff Untersuchung der mechanischen Eigenschaften Optimierung der Abbildegenauigkeit Abbildung von Design Rules Entwicklung einer Supportstrategie Entwicklung einer angepassten Prozessstrategie zur Minimierung der Oberflächenrauigkeit Laserpolieren der Oberflächen während dem Prozess durch Nutzung der vorhandenen Laserquelle Ziel: Ra 0,8 µm Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 19

20 Vision: Aufbau eines hessischen Kompetenzzentrums für additive Fertigung in Darmstadt Kompetenzen am Standort Darmstadt (status quo) Aufbauphase ( ) Gemeinsame Forschungsanträge zum Ausbau der Kompetenzen und Profilschärfung Kompetenzzentrum Additive Fertigung Forschungspartner für Industrie und Wissenschaft am Standort Darmstadt Design Prozessentwicklung Werkstoff- und Bauteilprüfung Simulation Nachbearbeitung Industriekonsortium Energie Werkzeug- und Formenbau Automotive Luft- und Raumfahrt Medizintechnik Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich MK 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele Michael Kniepkamp, M.Sc. Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße Darmstadt Tel.: Fax: info@ptw.tu-darmstadt.de Internet: Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich