Pulverbett-basierte Additive Fertigung metallischer Bauteile. Aspekte der Qualitätssicherung

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1 Additive inspire - icams Pulverbett-basierte Additive Fertigung metallischer Bauteile Aspekte der Qualitätssicherung A.B. Spierings Head R&D SLM Inspire AG innovation centre for additive manufacturing Switzerland Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 1

2 Abstract "Selective Laser Melting" eröffnet ungeahnte Möglichkeiten zur additiven Herstellung metallischer Bauteile für praktisch alle industriellen Sektoren. Der Vortrag beleuchtet die Möglichkeiten, aber auch Grenzen der Technologie, und addressiert Aspekte der Qualitätssicherung." Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 2

3 Agenda inspire innovation centre for additive manufacturing Möglichkeiten der additiven Fertigung aber auch Grenzen Aspekte der Qualitätssicherung Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 3

4 Inspire AG Innovation centre for additive manufacturing Switzerland Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 4

5 Wer ist inspire? Die inspire AG ist als strategischer Partner der ETH Zürich das führende Schweizer Kompetenzzentrum für den Technologietransfer zur MEM Industrie. Sie betreibt Forschung für die Industrie, entwickelt modernste Technologien, Methoden, Prozesse und löst Probleme auf allen Wissensgebieten der Produktinnovation und Produktionstechnik. Strategischer Partner der ETHZ Inspire ist ein durch den Bund gefördertes, unabhängiges Technologiekompetenz Zentrum, entstanden durch eine gemeinsame Initiative von Swissmem und der ETH-Zürich Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 5

6 Wer ist inspire? ETH Zurich Technopark Zurich, Headquaters Inspire-icams, St.Gallen Fields of activity / institutes - Iwf-processes: Schleifen, Schneiden, EDM, - Iwf-machines: Werkzeuge, Simulation & Analyse, Anlagenoptimierung - Iwf-micromachining: Laser- & Mikrofertigung - icams: Additive Manufacturing (SLS, SLM) - Ipdz: Konstruktion & Design - Ics: Composite-Structuren - Icmi: Material-Integrität - Ifa: Automation, Optimierung von Prozessen - Ivp: Virtual production / Umformtechnik Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 6

7 Focus inspire icams Additive manufacturing mit Selective Laser Melting (SLM) Metalle SLM Anlage Direct Metal Deposition (DMD) Metalle Selective Laser Sintering (SLS) Kunststoffe Keramik SLS Anlage Industrielle Prozesse und Anwendungen DMD Anlage Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 7

8 Aktivitätsfelder inspire - icams Additive Manufacturing & Prototyping - Vorserien- Entwicklung R&D SLS & SLM - Materialien - Prozesse - Anlagentechnik - Anwendungen Reverse Engineering - GOM / Laser Scanning - CAD / Design Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 8

9 Forschungsfokus in SLS & SLM Materials AM-Processes Machine Applications Pulver- Anforderungen Prozessfenster für versch. Legierungen AM-Anlagenkonzepte Leichtbau- Strukturen Materialien für AM Legierungen für AM Hybride materialien Material Charakterisierung SLM- / SLS- Prozess Simulation Prozess Monitoring Optimierung von Anlagenkomponenten Prozessketten Qualitäts Management Systeme Strukturell optimierte Teile Werkzeugbau Integrierte Funktionen / Sensorik Vorserien- Entwicklung Standardisation (ASTM-ISO, VDI) Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 9

10 Forschungsfokus in SLS & SLM Quality management systems Materialien Prozesse Industrie Anforderungen Anlagen Technik Anwendungen Industrielle Anwendungen Standardisation ASTM-ISO Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 10

11 Möglichkeiten der additiven Fertigung aber auch Grenzen Wie komme ich zu den guten Cases? Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 11

12 Additiv Fertigen was heisst das? 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 Energie / Laser Z Y X CAD model Slice-prozess Schicht-Information Bauprozess Schmelzepool Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 12

13 Vor- und Nachteile Vorteile Keine Hinterschnitte alle Geometrien möglich Verschiedene Varianten im gleichen Build-job / Customizing Neue optimierte Designs - Bionisch - Topologie-optimiert Nachteile Limitierte Materialauswahl insb. bei Kunststoff-Verfahren Verfahrensabhängige Materialeigenschaften Finish der Bauteile notwendig / Oberflächenqualität & Genauigkeit limitiert Typische Seriengrössen ab Stückzahl 1 bis 100 / 1000 Stück Je nach Bauteilgrösse / -Volumen Funktionsintegration / Reduktion der Stückliste Z.T. Support-Strukturen notwendig Finish-Aufwand Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 13

14 Chancen der additiven Fertigung Leichtbau Prototypen Produktion kleine / mittlere Serien Tooling Medizinaltechnik Funktionsintegration Gitterstrukturen Gewichtsreduktion bis 60% Topologie-Optimierung Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 14

15 Chancen der additiven Fertigung Leichtbau Prototypen Produktion kleine / mittlere Serien Tooling Medizinaltechnik Funktionsintegration Interne oberflächennahe Temperier Kanäle Optimierung der konventionellen Produktion durch bessere Werkzeuge Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 15

16 Chancen der additiven Fertigung Leichtbau Prototypen Produktion kleine / mittlere Serien Tooling Medizinaltechnik Funktionsintegration Rasche Fertigung funktionsfähiger Prototypen Reduktion Entwicklungs-Riskio Funktions-Tests Echt-Versuche Bessere Produkte Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 16

17 Chancen der additiven Fertigung Leichtbau Prototypen Produktion kleine / mittlere Serien Tooling Medizinaltechnik Funktionsintegration Prototypen Instrumente Zukünftig: Implantate mit optimiertem mechanischem Verhalten Poröse Strukturen Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 17

18 Chancen der additiven Fertigung Leichtbau Prototypen Produktion kleine / mittlere Serien Tooling Medizinaltechnik Funktionsintegration Kleinserien ab Stückzahl 1 Werkzeuglos Mittlere Serien bei nicht zu grossen Teilen Verschiedene Varianten Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 18

19 Chancen der additiven Fertigung Leichtbau Prototypen Produktion kleine / mittlere Serien Tooling Medizinaltechnik Funktionsintegration Reduktion Stückliste Mehrere Funktionen in 1 Bauteil integrieren Zusammengebaute Teile Integration von Sensorik Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 19

20 Vor- und Nachteile Design for AM / SLM Weniger Support- Strukturen Weniger Material Bessere Funktionalität Quelle: inspire-icams Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 20

21 Design Approach für die additive Fertigung Fundamental redesign approach! Knowhow on technical & process-specific restrictions required Spierings (2013): «Generic Design-Process», EU-SASAM-Project Part of ASTM-standardisation Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 21

22 Warum & wie additive Fertigung nutzen? Additive Fertigung erfordert neue Design Regeln Sicher stellen - dass die Anforderungen und Restriktionen der AM-Prozesse berücksichtigt sind. Ermöglichen - Integration von strukturellen und funktionalen Optimierungen des Bauteils Vermeiden - zu hohe Fertigungs- und Nachbearbeitungs-Kosten. Korrekte Bauteil-Auslegung - Berücksichtigung spezifischer Materialieneigenschaften Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 22

23 Additive Fertigung in Metall Die Wahl des richtigen Fertigungs-Prozesses Abhängig von Bauteil-komplexität Abhängig vom Material Abhängig von der Losgrösse Abhängig von der Bauteilgrösse Abhängig von der notwendigen Oberflächenqualität Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 23

24 Typische Material-Optionen Neue, SLM-spezifische Materialien Materialkombinationen / MMC Schmuck Leichtbau, Flugzeugbau, Raumfahrt Medizinaltechnik, Raumfahrt Turbinen-Industrie Maschinenbau, Prototyping, Medizinaltechnik New materials for SLM - Hybrid-Materialien / MMC, Gold, Silver, Bronce Aluminium Rein-Aluminium, AlSi12, AlSi10Mg, neue Strukturlegierungen Titanium Ti6Al4V, Ti-Grade 2, Ni-Basis IN738, IN718, IN625, H230, Fe-Basis / / , , u.v.m. Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 24

25 Aspekte der Qualitätssicherung Worum geht s eigentlich? Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 26

26 Qualitätssicherung was bedeutet das? Stand der Technik betr. Qualitätssicherung Prozess-Überwachung Online-Monitoring der Schmelzbad- Temperatur oder Grösse Unzureichend geeignet zur Qualitäts-Sicherung! Berumen, S., et al., Quality control of laser- and powder bed-based Additive Manufacturing (AM) technologies. Physics Procedia, , Part B: p CT-Scan des fertigen Bauteils Ideal geeignet, da relevante Defekte identifiziert werden können ABER: Teuer, und auch Ausschuss wird fertig gebaut Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 27

27 Qualitätssicherung was bedeutet das? Integrität Poren Anbindungsfehler Mikrostruktur Korngrössen Textur Post- Processing Dimensions Genauigkeit Integrität (Defekte) Legierungs- Zusammensetzung Material Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Anisotropie Korrosionseigenschaften Oberflächenstruktur Rauhigkeit / Welligkeit SLM- Anlage Mikrostruktur Ober- flächen- Eigenschaften Material Eigenscha ften Pulver- (-Recycling) Dimensionale Genauigkeit SLM- Prozess Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 28

28 Qualitätssicherung was bedeutet das? Legierungs-Zusammensetzung Tuning des Verhaltens einer Legierung während dem SLM-Prozess Pulver-Eigenschaften und -Recycling Zyklus Korngrössenverteilung und Pulver Eigenschaften. SLM-Prozessführung Prozessfenster & -Monitoring. SLM-Anlagentechnik Rest-O 2 Gehalt, Filterzustand, Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 29

29 Qualitätssicherung was bedeutet das? Monitoring aller relevanter Prozess- und Einflussgrössen Post- Processing Legierungs- Zusammensetzung Aufbauend darauf: Regelung des Schmelze-Pools Steuerung des Energie- Eintrages zur Optimierung von Mikrostruktur, und Oberflächen-Qualität (z.b. in Überhangbereichen) SLM- Anlage Monitoring aller relevanter Prozess- und Einfluss grössen Pulver- (-Recycling) Aussage über Reproduzierbarkeit & Wiederholbarkeit des Prozesses SLM- Prozess Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 30

30 Qualitätssicherung unser übergeordnetes Thema bei inspire-icams Ziel: Aufbau von Kenntnissen betr. Einflüssen in der gesamten Prozesskette Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 31

31 Beispiele: Pulver Bewertung der Fliessfähigkeit von Metallpulver Nahe an den Bedingungen im SLM-Prozess Qualifizierung von Pulvern Spierings, A.B., et.al, Powder flowability characterisation methodology for powder-bed-based metal additive manufacturing. 2015, Progress in Additive manufacturing: p Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 32

32 Beispiele: Material-Eigenschaften Untersuchung makroskopischer Materialeigenschaften Mechanische Eigenschaften (statisch / dynamisch) Charpy Impact Eigenschaften Bruchzähigkeit Korrosionsverhalten Spierings, A.B., et al. Fatigue performance of Additive Manufactured metallic Parts. 2013, Rapid Prototyping Journal, 19(2): p Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 33

33 Beispiele: Legierungen und Mikrostruktur Verständnis Einflüsse von Legierungszusammensetzung Fokus derzeit auf Aluminium-Legierungen Entwicklung neuer Ansätze für bessere Legierungen Prozess-Simulation Legierungs-Simulation Build direction Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 34

34 Die guten Business-Cases heute & morgen? Turbinen-Bau Schmuck Dental-Produkte Werkzeubau / Conformal cooling Produktion kleiner bis mittlerer Serien / Maschinenbau Einspritzdüse Turbinenschaufeln Schöne & Komplexe Teile Zahnbrücken & - Kronen Interne Kühlung / Temperierung Technische Teile Source: inspire Source: GE Source: inspire Source: Fraunhofer Source: inspire / irpd AG Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 35

35 Vielen Dank für Ihe Aufmerksamkeit Unser PhD-Team A.B. Spierings Head R&D SLM Lerchenfeldstrasse St.Gallen spierings@inspire.ethz.ch Spierings, Adriaan 2017 inspire AG 36