Innovation Center Additive Manufacturing Innovation und Nachhaltigkeit in der digitalen Prozesskette

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1 Vom Material zur Produktinnovation Innovation Center Additive Manufacturing Innovation und Nachhaltigkeit in der digitalen Prozesskette Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner we.engineer.future

2 Additive Fertigung Definition: Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element- oder schichtweise aufgebaut wird (VDI 3405). Anforderungsabhängige Einteilung: Rapid Prototyping: Rapid Tooling: Additive Manufacturing: Additive Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität Additive Methoden und Verfahren zum Bau von Werkzeugen und Formen Additive Herstellung von Endprodukten TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 2

3 Inhalt Chancen und Potenziale der Additiven Fertigung Hürden und Markteintrittsbarrieren ICAM das Technologietransferzentrum für den Bereich digitale Prozesskette und Additive Fertigung an der TU Darmstadt TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 3

4 Potenziale der Additiven Fertigung Funktionsintegration Die Additive Fertigung bietet Gestaltungsfreiheiten, um die Anzahl von Subkomponenten zu reduzieren und/oder neue bzw. zusätzliche Funktionen in ein Bauteil zu integrieren Quelle: Leutenecker-Twelsiek, 2018 Beispiel: Reduzierung der Anzahl an Subkomponenten führt zu geringerem Montageaufwand und zu einer kompakteren Bauweise TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 4

5 Beispielanwendung: Hydrodehnspannfutter Nach dem Bauprozess Finales Produkt Bildquelle: Mapal Eine Baugruppe aus zwei verlöteten Einzelteilen kann durch die additive Fertigung in einem Schritt gefertigt werden. Die Schwachstelle (Lötverbindung) fällt weg wodurch höhere Kräfte und Momente bei kleinerem Bauteilvolumen übertragen werden können Quelle: Abele, TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 5

6 Potenziale der Additiven Fertigung Steigerung der Performanz Die Additive Fertigung erlaubt eine funktionsoptimierte Gestaltung von Bauteilen, die Restriktionen konventioneller Fertigungsverfahren überkommt. Bild: Schmelzle Beispiel: Optimierte Kanalführung am Hydraulikventil führt zu einer Reduktion der Strömungsverluste TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 6

7 Beispielanwendung Werkzeug und Formenbau Additive Fertigung von Werkzeugeinsätzen Integration von Kühlkanälen in Werkzeugeinsätze Erhöhte Gestaltungsfreiheit bei Kühlkanälen (insb. konturnahe Führung) Realisierung einer gezielten Temperaturführung im Werkzeug (auch thermische Differenzierung): Vermeidung von Hot Spots, gleichmäßige und schnelle Ablühlung Bildquelle: Inglass Spa (hrsflow) Vorteile: Reduzierung der Zykluszeit, verbesserte Qualität (verringerter Verzug, bessere Oberfläche) Anwendungsbeispiele: Kunststoffspritzgießwerkzeuge, Metall-Druckguss Quelle: Abele, TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 7

8 Potenziale der Additiven Fertigung Leichtbau Durch eine lastpfadoptimierte Gestaltung der Bauteilgeometrie erlaubt die additive Fertigung eine Reduzierung von Bauteilmassen bei gleicher Steifigkeit bzw. Tragfähigkeit Beispiel: Topologieoptimiertes Türschanier mit Reduzierung des Materialverbrauchs um 75% Quelle: Airbus TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 8

9 Potenziale der Additiven Fertigung Individualisierung Beispiel: Auf das Fördergut individuell angepasster Fördertopf Die Losgrößenunabhängigkeit der additiven Fertigung erlaubt es, Bauteile in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen bzw. Bauteile zu fertigen, bei denen sich durch eine Varianten- Differenzierung ein Mehrwert schaffen lässt. Quelle: Rüfnacht AG TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 9

10 Weitere Möglichkeiten durch AM Beispiel Medical Bildquelle: Within lab Verbesserung des Knocheneinwachsverhaltens (Osseointegration) durch poröse Oberfläche / Möglichkeit gradierte Porositätseigenschaften umzusetzen Anpassung der mechanischen Eigenschaften (E-Modul) an Knochenmaterial zur Vermeidung von stress shilding (Knochenabbau) Quelle: Abele, TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 10

11 Chancen der additiven Fertigung Einzigartiges Werkstoffverhalten Additive Fertigungsverfahren bieten Möglichkeiten, Werkstoffsysteme in einem bisher nicht vorhandenem Maß den Anforderungen eines Bauteils anzupassen Die Additive Fertigung erlaubt faktisch die Entwicklung völlig neuer Werkstoffklassen Murr et.al., TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 11

12 Drucken von Funktionswerkstoffen Potentiale für Gestaltung und Materialauswahl Drucken von Werkstoffen mit gezielten funktionalen Eigenschaften Bauteilintegrierte Sensorik durch die additive Fertigung Selective laser melting of La(Fe,Co,Si) 13 geometries for magnetic refrigeration, Gutfleisch et al. J. Appl. Phys. 114 (2013) Eingebettete Thermoelemente Oechsner, TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 12

13 Additive Fertigung Markteintrittsbarrieren Trotz der vielen Chancen und Potenziale durch die additive Fertigung herrschen heute noch eine Reihe von Hürden und Fragestellungen 1. Hohe Produktionskosten 2. Mangelndes Verständnis über die Zuverlässigkeit von AM-Bauteilen und AM-Prozessketten 3. Mangelnde Expertise in Design for AM 4. Eingeschränkte Materialauswahl 5. Hohe Investitionskosten in neue Prozesskette TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 13

14 Wirtschaftlichkeit AM Aufgabenbezogene Analyse ist notwendig Kosten pro Teil Keine Mehrkosten durch Individualisierung Kosten pro Teil Keine Mehrkosten durch höhere Komplexität Losgröße Additiv Konventionell Komplexität Additiv Konventionell individualization for free complexity for free Quelle: Abele, TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 14

15 Prozesskette Selektives Laserschmelzen CAD Design Support Generation / CAM Operationen Slicing Fertiges Produkt Nachbearbeitung Bauprozess Quelle: Abele, 2016 In jedem Schritt der Prozesskette fallen Fertigungskosten an TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 15

16 Prozesskette Selektives Laserschmelzen CAD Design Support Generation / CAM Operationen Slicing Einmalige Kosten für die Arbeitsvorbereitung. Diese fallen nur einmal an und sind unabhängig von der Teileanzahl. Fertiges Produkt Nachbearbeitung Bauprozess Herstellungskosten, die abhängig von der Anzahl der produzierten Teile und deren Geometrie sind. Verständnis der gesamten Prozesskette ist essentiell Quelle: Abele, TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 16

17 Additive Fertigung Markteintrittsbarrieren Trotz der vielen Chancen und Potenziale durch die additive Fertigung herrschen heute noch eine Reihe von Hürden und Fragestellungen 1. Hohe Produktionskosten 2. Mangelndes Verständnis über die Zuverlässigkeit von AM-Bauteilen und AM-Prozessketten 3. Mangelnde Expertise in Design for AM 4. Eingeschränkte Materialauswahl 5. Hohe Investitionskosten in neue Prozesskette TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 17

18 Herausforderungen beim additiven Fertigen Werkstoffe Schnelle Aufheiz- und Abkühlgradienten ( T K/s) Phasentransformationen Übersaturierte Phasen Segregationen Heißrissbildung Eigenspannungen Gerichteter Wärmeeintrag Texturierte Kornbildung Anisotropie der Eigenschaften Wiederholte Aufheiz- und Abkühlzyklen Wiederholte Phasenumwandlungen Thermische Eigenspannungen Thermische Ermüdung (Rissbildung,...) TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 18 Temperatur Temperatur L Konzentration Zeit

19 Mechanische Eigenschaften Bauteilverhalten abhängig von Baurichtung Aufbaurichtung Beispiel IN617 Einfluss der Aufbaurichtung auf Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften: Streckung der Körner in Auftragsrichtung Geringste Festigkeit in Auftragsrichtung Quelle: BadgeB

20 Prozess - Eigenschaftsbeziehung Variation der Werkstoffeigenschaften Prozessparameter Mikrostruktur Werkstoffeigenschaft 1 v I 1 2 Index A h 3 2 Eigenschaft(en) 3 Index B Modellierung Wirkmechanismen Prädiktives Design Symbolbild TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 20

21 Additive Fertigung Markteintrittsbarrieren Trotz der vielen Chancen und Potenziale durch die additive Fertigung herrschen heute noch eine Reihe von Hürden und Fragestellungen 1. Hohe Produktionskosten 2. Mangelndes Verständnis über die Zuverlässigkeit von AM-Bauteilen und AM-Prozessketten 3. Mangelnde Expertise in Design for AM 4. Eingeschränkte Materialauswahl 5. Hohe Investitionskosten in neue Prozesskette TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 21

22 Design for Additive Manufacturing Bisher unzureichendes Verständnis über konstruktive Richtlinien in Bezug auf ein fertigungsgerechtes Konstruieren additiv zu fertigender Bauteile. Initiales Design der Mikrozelle Optimierung der Topologie Ziele und Randbedingungen Modell- Homogenisierung Tang, 2016 nach Tang, 2016 Optimierungsprozess Optimiertes Mikrozellen- Design Potenziale der additiven Fertigung bleiben ungenutzt, der Handlungsspielraum und somit die Wirtschaftlichkeit der Technologie sind stark eingeschränkt TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 22 Bild: Altair

23 Ein weiterer Aspekt: Ausbildung & Know-How Die Bediener unserer 3D-Drucker sind fast ausschließlich promovierte Ingenieure Stefanie Brickwede, DB-Projektleiterin für den 3D-Druck Schaffung von Ausbildungsmöglichkeiten und besserem Lehrangebot für die Digitale Prozesskette und die Additive Fertigung Transparentes Angebot von Workshops & Schulungen für Unternehmen und Ausbilder/ Gewerbelehrer TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 23

24 Unser Beitrag: ICAM Innovation Center Additive Manufacturing An der TU Darmstadt ist der Aufbau eine Innovation Centers Additive Manufacturing geplant, um die genannten Hürden abzubauen und den Markteintritt zu erleichtern Ziele von ICAM sind, 1 die vorhandenen Kompetenz an der TU Darmstadt zu den Themen Additive Manufacturing (AM) / Digitale Prozesskette zusammen zu führen und auszubauen 2 eine Infrastruktur für den Technologietransfer und die Weiterbildung auf dem Gebiet der Additive Fertigung sowie der Digitalisierung des Produktlebenszyklus in einem Gebäude zur Verfügung zu stellen 3 einen national und international sichtbaren Leuchtturm zu schaffen, der Unternehmen in den Bereichen der Additiven Fertigung und der Digitalen Prozesskette Möglichkeiten gemeinschaftlicher Entwicklungsprojekte in einer durchgängig digitalen Prozesskette in der additiven Fertigung bietet TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 24

25 ICAM Abbildung einer digitalen AM-Produktionskette Werkstoff Konstruktion Produktions- Planung Herstellung Charakterisierung / Qualitätssicherung Recycling IGD IWKS Herausforderung Additive Manufacturing Zuverlässige, robuste digitale Prozessketten Zuverlässige, bemessbare Produkte Produktlebenszyklus mit vorteilhafter Ökobilanz TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 25

26 Vision Ein Kompetenzzentrum des digitalen Maschinenbaus an der TU Darmstadt Forschung Lehre / Nachwuchsförderung Kooperation Digitale Prozesskette Additive Fertigung Reliability Analytics Gemeinsame Infrastruktur: Medien, IT, Sicherheitsausrüstung, Prüftechnik etc LBF IGD IWKS TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 26

27 IGD IWKS ICAM als Säule eines Forschungskonzepts Betriebsfestigkeit im digitalen Zeitalter ICAM Innovation Center Additive Manufacturing Aufbau des international sichtbaren Transferzentrums Additive Manufacturing Entwicklung einer durchgängig digitalen Prozesskette Zusammenführung der heute verteilten AM-Ressourcen in einem Gebäude Partnerschaftliche Entwicklung & Technologietransfer LOEWE-Zentrum Reliability Analytics Entwicklung von Werkzeugen & Methoden zur Zuverlässigkeitsprognose Digitaler Zwilling AM-Bauteile mit sensorischen Eigenschaften Prädiktive Zuverlässigkeit & erkenntnisbasiertes Design LCA & Nachhaltigkeit Forschungsbau Center for Reliability Analytics Infrastruktur für interdisziplinäres Forschungszentrum Entwicklung neuer Prüfmethoden Digitale Werkstoff- und Bauteilanalytik Algorithmen und Modelle der Bauteilbewertung Forschungsdatenmanagement Werkstoff Konstruktion Produktions- Planung Herstellung Charakterisierung / Qualitätssicherung Recycling Zuverlässigkeit in der Additiven Fertigung Zuverlässigkeit durch die Additive Fertigung Zuverlässigkeit im digitalisierten Maschinenbau TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 27

28 Beispiel ETA-Fabrik Abbildung der Prozesskette Interdisziplinäre Energieeffizienzforschung an einer realen Produktionsprozesskette in einem innovativen Produktionsgebäude TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 28

29 Forschungsbau auf der Lichtwiese Biosphäre für interdisziplinäre Forschung TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 29

30 TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 30

31 Zusammenfassung Additive Fertigungsverfahren bieten viele Chancen und Potenziale für wettbewerbsfähige innovative Produkte Um diese Potenziale kommerziell nutzen zu können, müssen eine Reihe von Hürden überwunden und Hinternisse abgebaut werden Mit dem Innovation Center Additive Manufacturing entsteht an der TU Darmstadt ein Zentrum für den Technologie- und Wissenstransfer mit dem Ziel, Unternehmen den Zugang zu einer durchgängigen digitalen Prozesskette und einer additiven Fertigungsumgebung zu erleichtern und dadurch die Implementierung des digitalen Maschinenbaus sowie der additiven Fertigung in die Praxis zu beschleunigen TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 31

32 Stell Dir eine Welt vor, in der wir unsere Bauteile wirklich verstehen ICAM Innovation Center Additive Manufacturing Interesse? Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner Zentrum für Konstruktionswerkstoffe Technische Universität Darmstadt TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 32 we.engineer.future

33 Selektives Laserschmelzen Variation der Mikrostruktur Wachstumsrichtung Probenhöhe: 0,5 mm 5 mm : -Phase; : -Phase 5 µm Ti6Al4V Simonelli et.al, TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 33

34 Variation der Werkstoffeigenschaften Beispiel: Ti 6Al 4 V Härte [HV] Referenzwert Schmiedeteil Probenhöhe [mm] Simonelli et.al., TU Darmstadt ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing 34