3D Printing Technologie Metalle

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1 3D Printing Technologie Metalle FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Markus Hatzenbichler Engineering Technologies (TEC) Group Wiener Neustadt,

2 Laser Beam Melting Electro Optical Systems GmbH Krailing, München (D) EOSINT M280, BJ 2011 Technische Daten Lasertyp Yb Faserlaser Laserleistung 200W Scanner Geschw. max. 7m/s Laserspotdurchm. 80µm Schichtdicke 20µm - 40µm Bauvolumen 250x250x325mm Masse (gesamt) 1250kg Anschaffungskosten EUR Metallpulver (bei FOTEC) Werkzeugstahl Titanlegierung Aluminiumlegierung Edelstahl

3 Laser Beam Melting 1 Bauteil 2 Dosierplattform 3 Bauplattformträger 4 Bauplattform 5 Überlaufplattform 6 Beschichterklinge 7 Beschichter (EOS, 2007) 3

4 Belichtungsstrategie Streifenbelichtung Scanvektoren sind parallel und haben einen definierten Abstand zueinander (=Hatchabstand) 10% Überlappung 67 Rotation je Schicht bei EOS GmbH 90 Rotation je Schicht bei anderen Herstellern Unterscheidung zwischen Kontur und Füllen (=SkinCore Belichtung) 4

5 Belichtungsstrategie Schachbrettbelichtung Scanvektoren sind in einer Schicht in Sektoren (Schachbrettfelder) eingeteilt Parameter in den Sektoren mit Streifenbelichtung vergleichbar Gleichmäßige Belichtung (Temperaturführung) Seltene Anwendung in der Praxis 5

6 Belichtungsstrategie Lxy Lyz 6

7 Belichtungsstrategie 7

8 Pulver für Laser Beam Melting Charakterisierung Partikelgrößenverteilung Chemische Zusammensetzung Fließverhalten Schüttdichte Hall-Trichter 8

9 Pulverherstellung Gasverdüsung Rohmaterial wird geschmolzen (Luft, Schutzgas oder Vakuum) Gas im Tiegel drückt Schmelze durch eine Düse Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit trifft auf die Schmelze und bricht sie 5 bis 3.000kg typische Verarbeitungsmenge 0 bis 500µm Partikelgröße, vorwiegend sphärisch Wasserverdüsung ist ähnlich, lediglich anderes Verdüsungsmedium 9

10 Design Rules Theoretischer Hintergrund Innere Spannungen resultieren aus der raschen Abkühlung im Zuge des Schweißprozesses Stützstrukuren verhindern das Aufbiegen des Bauteils Wärmebehandlung (z.b. Glühen) reduziert die inneren Spannungen Ausprägung der Spannungen ist abhängig von Material und Parameter 10

11 Design Rules Belichtung ins freie Pulverbett ist zu vermeiden Resultat ist eine schlechte Oberflächenqualität bis hin zur Unterbrechung des Bauprozesses Überhänge (mehr als 45 ) als Bogen ausführen z Baurichtung 11

12 Design Rules Schicht wird ins lose Pulverbett geschweißt Beschichter kann an aufgebogener Schicht hängen bleiben (= Unterbrechung) Bogen-Design: Nur kleine Bereiche werden direkt ins lose Pulverbett belichtet d 1 <d 2 <d 3 <d 4, Oberflächenqualität wird stetig schlechter 12

13 Design Rules Anisotrope Verteilung der Oberflächenqualität bei horizontal gebauten zylindrischen Geometrien Zylindrische Geometrien immer vertikal orientiert bauen 13

14 Design Rules Flache nach unten gerichtete Oberflächen sollten einen Neigungswinkel a von 45 nicht unterschreiten Je größer der Winkel a desto besser 14

15 Design Rules Gewinde können direkt gebaut werden Einsetzbarkeit des Gewindes hängt vom Material und der erreichbaren Oberflächenqualität ab Gewinde, wie auch andere zylindrische Geometrien, sollten vertikal gebaut werden 15

16 Design Rules Verbindung zur Bauplattform muss stets gewährleistet werden 16

17 Design Rules Mögliche Baufehler Bauteil direkt mit Bauplattform verbunden Innere Spannungen, das Bauteil löst sich ab Radius an der Schnittstelle vorsehen 17

18 Design Rules Mögliche Baufehler Bauteildesign in Ordnung Orientierung auf der Bauplattform falsch Belichtung ins lose Pulverbett Schicht biegt sich auf Baufehler! 18

19 Design Rules Mögliche Baufehler Anzahl und Größe der Stützstrukturen soll minimiert werden um den Aufwand für die Nacharbeit zu reduzieren Thermische Spannungen verursachen Verzug im Bauteil Streben verbiegen sich Beschichter beschädigt das Bauteil! 19

20 Fallstudien Strukturbauteil für einen Teststand (Vibrationstest, Startprozedur) Topologieoptimierung Material: Ti6Al4V Gewicht: 144 g 35% Gewichtersparnis 20

21 Fallstudien Druckring 60 kn Druckbelastung in axialer Richtung Erste Design Iteration: Optimierung des CAD- Modells für 3D-Druck und die Integration von konturnaher Kühlung Zweite Design Iteration: Topologieoptimierung mit FEM Analyse 21

22 Fallstudien Druckring Komplexität erhöht die Kosten nicht signifikant Weitere Kosten- und Zeitersparnis durch Hybrid Design (Konventionell gefertigtes Bauteil kombiniert mit 3D-Druck Bauteil) Kostenersparnis durch Hybrid Design beim Druckring von 70% 22

23 Fallstudien Treibstoffsammler Monolithisches Design Reduzierte Montagekosten Keine Schweißnahtprüfung Strömungsoptimierung Material: Ti6Al4V Gewicht: 10g 59% weniger Volumen 77% weniger Gewicht Quelle: FOTEC / AustroEngine/Kurri 23

24 Fallstudien Bremsscheibe (Motorcross) 245mm Aussendurchmesser Material: EOS MS1 (1.2709) Verbesserte Kühlung durch 100 Kanäle mit einem Durchmesser von 3mm Praxistest bestanden! 24

25 Fallstudien Werkzeugeinsatz für Spritzguss Ursprüngliches Design: CuBe Legierung Hot Spots auf der Oberseite Optimiertes Design: EOS MS1 (1.2709) Konturnahe Kühlung Zykluszeit reduziert Stk.: 69 Tage früher fertig Lebensdauer des Werkzeugs verlängert 25

26 Fallstudien Werkzeugeinsatz für Spritzguss Nachbearbeitung (Schleifen und Polieren) Quelle: FOTEC / Miraplast 26

27 Fallstudien Werkzeugeinsatz für Spritzguss Konventionell gefertigt: Fertigungskosten: 2.352,-- Material: CuBe Standzeit: Stück Zykluszeit: 10,8 s 3D gedruckt: Fertigungskosten: 7.895,-- Material: EOS MS1 (1.2709) Standzeit: Stück Zykluszeit: 9,8 s Verbesserung: Break Even Point: Stück Gewinn nach Stück: ,-- Gewinn nach Stück: ,-- 27

28 Fallstudien Werkzeugeinsatz für Spritzguss Kostenminimierung durch Einsatz von Hybrid Design Unterteil wird auf der Bauplattform fixiert Position mittels Koordinatenmesssystem bestimmt Kritische Punkte: Parallelität Ebenheit Oberflächenqualität 28

29 Fallstudien Werkzeugeinsatz für Spritzguss Source: FOTEC / Gruber Kaja 29

30 Fallstudien Werkzeugeinsatz für Spritzguss Material: EOS MS1 (1.2709) 0.5mm Übermaß Konturnahe Kühlung Source: FOTEC / Rejlek 30

31 Fallstudien Bremssattel für Rennwagen (Formula Student Racing Team, TU Wien) Source: Ursprüngliches Design: Gussteil, Funktionsflächen gefräst Material: Aluminium Legierung Gewicht: 500g Optimiertes Design: 3D-Druck Material: Ti6Al4V Gewicht: 284g 43% weniger Gewicht Quelle: TUW Racing / FOTEC 31

32 Fallstudien Bremssattel für Rennwagen (Formula Student Racing Team, TU Wien) sandgestrahlt as built geglüht Quelle: FOTEC / TUW Racing 32

33 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 23. September 2015 Markus Hatzenbichler FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Quelle: FOTEC / TUW Racing 33