Industrieller Einsatz additiver Fertigungsverfahren bei Phoenix Contact. Clemens Boesen

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1 Industrieller Einsatz additiver Fertigungsverfahren bei Phoenix Contact Clemens Boesen

2 Struktur Phoenix Contact Das Unternehmen Der Werkzeugbau bei Phoenix Contact im Wandel der Zeit Rapid Prototyping und Direct Manufacturing Verfahrenstechniken und Einsatzgebiete Fazit und Ausblick 2 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

3 Struktur Phoenix Contact Das Unternehmen Der Werkzeugbau bei Phoenix Contact im Wandel der Zeit Rapid Prototyping und Direct Manufacturing Verfahrenstechniken und Einsatzgebiete Fazit und Ausblick 3 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

4 Entwicklung History er 60er 80er Heute 4 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

5 Die Anfänge der Fertigung in Blomberg in den 50 ern 5 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

6 PHOENIX CONTACT Stammsitz Blomberg Bad Pyrmont 6 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

7 PHOENIX CONTACT Electronics Bad Pyrmont Blomberg 7 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

8 Weltweiter Vertrieb gegründet 1923 in Essen Über Mitarbeiter weltweit Ca Mitarbeiter in Deutschland Jahresumsatz 2014: 1,77 Mrd. Euro Mehr als aktive Produkte Ca Neuheiten pro Jahr Weltweit 14 Produktionsstätten und 52 eigene Vertriebsgesellschaften 8 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

9 Produkte/Anwendungen 9 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

10 Märkte Prozessindustrie Automobil Windindustrie Energieversorgung Telekommunikation Bahnindustrie Wasserwirtschaft Maschinenbau Industrieelektronik Gebäudeautomation 10 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

11 Prozess Know-how Konstruktion Teilefertigung Montage Logistik 11 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

12 Struktur Phoenix Contact Das Unternehmen Der Werkzeugbau bei Phoenix Contact im Wandel der Zeit Rapid Prototyping und Direct Manufacturing Verfahrenstechniken und Einsatzgebiete Fazit und Ausblick 12 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

13 Wandel im Unternehmen 13 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

14 erfordert Wandel im Werkzeugbau 14 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

15 Der Werkzeugbau Tool Shop Plastics Werkzeugbaunetzwerk DE, CN, IN, PL Werkzeugentwicklung, -beschaffung und -fertigung Wartungs-, Ersatzteil- und Änderungsservice Nationales und internationales Lieferantennetzwerk Technikum & Anwendungstechnik Kunststoffe Prozessentwicklung und -befähigung (Sonderverfahren) Null- und Kleinserienproduktion Projektmanagement & Technologieentwicklung Starke Konzept- und Entwicklungsberatung Rapid Tooling und Rapid Prototyping PT p.a. 15 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

16 Struktur Phoenix Contact Das Unternehmen Der Werkzeugbau bei Phoenix Contact im Wandel der Zeit Rapid Prototyping und Direct Manufacturing Verfahrenstechniken und Einsatzgebiete Fazit und Ausblick 16 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

17 Rapid Prototyping, Direct Manufacturing im Werkzeugbau Warum? Beratungsfunktion des Werkzeugbaus Der Werkzeugbau als integraler Bestandteil des Produktentstehungsprozesses Absicherung der Produktentwicklung Absicherung der kunststoff- und werkzeuggerechten Konstruktion Marketingfunktion von Prototypen Rapid Prototyping Total Cost of Ownership (TCO) Konzept Reduzierung der Herstellkosten Direkte Herstellung von Funktionselementen Werkzeug-, Maschinenbau, Endkunden Direct Manufacturing 17 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

18 Rapid Prototyping, Direct Manufacturing im Werkzeugbau Warum? 18 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

19 Struktur Phoenix Contact Das Unternehmen Der Werkzeugbau bei Phoenix Contact im Wandel der Zeit Rapid Prototyping und Direct Manufacturing Verfahrenstechniken und Einsatzgebiete Fazit und Ausblick 19 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

20 Fertigungstechnologien Additive Manufacturing Kunststoff Metall Fused Deposition Modeling (FDM) Pulverdrucker Polyjet- / Multijet- Drucker Stereolithographie Selektives Lasersintern Vakuumgießen Selektives Laserschmelzen Bei PxC im Einsatz Nicht industrielle Anwendungen Fused Deposition Modeling (FDM) Freeformer Anschauungsmodelle Konzeptprototypen Funktionsprototypen Funktionsund Marketingprototypen Alternative Metallverfahren Endprodukte Direct Manufacturing Bilderquellen:: sintermask GmbH, 3D Systems, Stratasys Ltd., eos GmbH, SLM-Solutions GmbH, ARBURG GmbH + Co KG, arcam AB, Hermle AG, DMG MORI Seki AG Beobachtung 20 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

21 Lasersintern polymere Werkstoffe Verfahrensprinzip Pulverbehälter CO2 -Laser (x/y-bewegung) Flächenheizung Pulverschicht Quelle: eos GmbH Beschichter Schichtweise aufgebaute Bauteile im Pulver Absenkbare Bauplattform (z-bewegung) Baubehälter 21 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

22 Lasersintern polymere Werkstoffe Vor- und Nachteile Vorteile Keine Stützgeometrie Funktionsmodelle aus Polyamid (PA 12, PA 11, PP und neuerdings auch bedingt PA6) Artähnlichkeit Serienmaterial Gesamter Bauraum nutzbar Haltbarkeit des Materials, einfache Lagerung konstruktive Freiheit Nachteile Leicht offenporige, raue Oberfläche Pulveranhaftungen Geringere Detailabbildung Geometrieabhängige Eigenspannungen / Verzug Materialwechsel aufwändig Staubige Arbeitsumgebung durch Pulver Altpulver nicht ungemischt wiederverwendbar Keine Serienkunststoffe (z.b. PA66) 22 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven Allgemein: Wanddicken ab 0,45 mm Schichtdicken 60 µm und 100 µm

23 Lasersintern polymere Werkstoffe Einsatzgebiete Erzeugung von Funktionsprototypen aus PA12 zur Verifikation von Konzepten und Konstruktionen Direkt Manufacturing für den Maschinenund Vorrichtungsbau, sowie für die weltweiten Produktionsstätten Abdeckungen Absaugungen Halterungen Werkstückträger Greifsysteme Varianzbereich und Gehäuseteile bei Artikeln in geringer Stückzahl 23 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

24 Lasersintern polymere Werkstoffe Beispiele Maschinenbau Werkstückträger/ Trays für Lötprozess und Transport Förder-/Zuführtechnik Werkstückträger Abdeckungen Vakuumgreiftechnik Greifer 24 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

25 Stereolithographie Verfahrensprinzip Beschichter UV-Laser (x/y Bewegung) Quelle: 3D Systems Stützgeometrie Prototyp im flüssigen Photopolymer Absenkbare Bauplattform (Z-Bewegung) 25 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

26 Stereolithographie Vor- und Nachteile Vorteile Höchste Genauigkeit und Detailabbildung Beste Oberflächen Gute Nacharbeitsmöglichkeiten Abbildung feinste Durchbrüche /Löcher Nachteile Teils spröde und nicht UV-beständig Niedrige Temperaturbeständigkeit Reinigung und Nachvernetzung Manuelle Entfernung Stützkonstruktion Handhabung von Harzen und Isopropanol zur Reinigung Materialwechsel aufwendig Begrenzte Haltbarkeit der Harze Keine Serienwerkstoffe, kaum Ähnlichkeit zu Serienwerkstoffen Allgemeine: Wanddicken ab 0,1 mm (in x- und y-richtung) Schichtdicke 50 µm, 100 µm und 125 µm 26 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

27 Stereolithographie Einsatzgebiete Erzeugung von hoch präzisen Prototypen mit hoher Detailabbildung Herstellung von Urmodellen für den Vakuumgießprozess Herstellung von Formen für den Vakuumgießprozess von Silikonbauteilen 27 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

28 Polyjet / Multijet 3D-Druck Verfahrensprinzip X- Achse Y- Achse Druckkopf Support- Material Modell- Material Quelle: Stratasys Ltd. Connex350 UV- Leuchten Bauplattform 28 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven Z- Achse

29 Polyjet / Multijet 3D-Druck Vor- und Nachteile Vorteile Große Materialvielfalt Transparente Materialien Einfacher Materialwechsel Verbundmaterialien herstellbar Hohe Baugeschwindigkeit Hohe Genauigkeit und Oberflächenqualität Einfache Handhabung Nachteile Stützmaterial erforderlich Manuelle Nacharbeit (Stützmaterial) Geringe Temperaturbeständigkeit Alterung und Verspröden der Bauteile Keine Serienwerkstoffe und kaum Ähnlichkeit zu Serienwerkstoffen Allgemein Wanddicken ab 0,2 mm Schichtdicke 16 µm 32 µm 29 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

30 Polyjet / Multijet 3D-Druck Einsatzgebiete Prototypen mit unterschiedlichen, kombinierbaren Härtegraden 2- oder Mehr-Komponenten- Prototypen Transparente Prototypen Marketingmuster Gedruckte, polymere Spritzgießkavitäten für Prototypen aus Serienmaterial Kavitäten zum Umgießen von Elektronikbaugruppen PA6, PA6.6V0, PA6 50%GF, LCP 30 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

31 Rapid Prototyping Verfahren Fused Deposition Modeling [FDM] Auch als Fused Layer Manufacturing [FLM] bekannt Drahtvorschub Heizdüse Achssystem (x/y Bewegung) Prototyp Stützgeometrie Absenkbare Bauplattform (Z-Bewegung) 31 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

32 Rapid Prototyping Verfahren Fused Deposition Modeling [FDM] Vorteile Keine Hilfsstoffe nötig Funktionsprototypen z.b. aus ABS, teilweise auch Serienmaterialien einsetzbar Niedrige bis mittlere Investitionskosten Nachteile Stützgeometrie notwendig Stützgeometrie bei günstigen Anlagen aus Modelmaterial Stützgeometrie bei teureren Anlagen aus separaten Material Geringere Auflösung und Oberflächengüte Unterschiedliche Materialeigenschaften in x/y und z-richtung Ca. 80 % der Materialeigenschaften eines spritzgegossenen Bauteils in x/y und ca. 40% in Z-Richtung Bauraumheizung zur Vermeidung von Verzügen aktuell nur bei Stratasys vorhanden, hier aber keine Möglichkeit neue Materialien zu qualifizieren 32 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

33 Vakuumgießen Virtuelles 3D-CAD- Modell Additive Herstellung des Urmodells Erstellung eines Silikon-Werkzeuges mit dem Urmodell Fertige Gießform für 10 bis 20 Bauteile 33 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

34 Vakuumgießen Formerstellung Steigerelemente Angussstab Additiv erstelltes Urmodell Gießkasten Silikon Urmodell mit Anguss und Steigern in Gießkasten hängen Eingießen der vorbereiteten Gießmasse, Entlüften und Aushärten Trennen und Öffnen der Form. Urmodell entnehmen Fertige Form für den Gießprozess verschließen 34 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

35 Laserschmelzen (Metall) Verfahrensprinzip Beschichter YAG-Laser (x/y-bewegung) Quelle: eos GmbH EOS M280 Pulverschicht Absenkbare Bauplattform (z-bewegung) Pulverbehälter Schichtweise aufgebautes Bauteil im Pulver 35 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

36 Laserschmelzen (Metall) Vor- und Nachteile Vorteile Dichte Funktionsprototypen aus Stahl, Edelstahl, Aluminium oder Kupfer Hohe mechanische Belastbarkeit Gute Eignung für Spritzgießwerkzeuge konturnahe Kühlung Lange Haltbarkeit des Materials Verwendung von Altpulver möglich Nachteile Leicht offenporige, raue Oberfläche Oberflächenbearbeitung notwendig Ggf. Wärmebehandlung notwendig Pulver Anhaftungen Eigenspannungen und Verzug Zeitbedarf beim Materialwechsel Staubige Arbeitsumgebung Allgemein Wanddicken ab 0,3mm Schichtdicke 20 µm, 40 µm, 50 µm Oberflächenrauheit Ra 2,5-8 μm Rz μm Härte bis 52 HRC (Härteprozess) 36 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

37 Laserschmelzen Einsatzgebiete Herstellung von Prototypen aus Edelstahl (1.4540) Werkzeugstahl (1.2709) Aluminium (AlSi10Mg) Kupfer (98,9% Reinkupfer) Direkt Manufacturing Scharniere Konturnahe Temperierung Maschinenteilen Stanz-Biege-Einsätze für Kleinserien 37 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

38 Steigerung der Produktionseffizienz durch Nutzung thermischer Potenziale 38 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

39 Einsatzbeispiel im Spritzgießwerkzeugbau Konventionelles Werkzeug: 5 s Zykluszeit konturnah temperiertes Werkzeug: 3 s Zykluszeit Fehlerbild Maßabweichung Wärmebild Abkühlung Werkzeugkonzept Vergleichbares Ergebnis bei 40% Zykluszeitreduktion 39 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

40 Struktur Phoenix Contact Das Unternehmen Der Werkzeugbau bei Phoenix Contact im Wandel der Zeit Rapid Prototyping und Direct Manufacturing Verfahrenstechniken und Einsatzgebiete Fazit und Ausblick 40 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

41 Fazit Aktuell sehr eingeschränkte Materialauswahl (verfahrensabhängig) Potenziale in der Oberflächenqualität Direct Manufacturing aktuell fast nur für Maschinenbau und Werkzeugbau Oft nur durch konventionelle Nacharbeit einsetzbar Hohe Zukunftspotentiale der additiven Fertigung für Direct Manufacturing: Designfreiheit Werkzeuglose Fertigung Losgröße 1 Digitale Prozesskette 41 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

42 Wünsch Dir was Verarbeitung von Phoenix Contact Serienwerkstoffen mit anwenderspezifischen Eigenschaftsprofilen PA6, PA66 und PBT Inkl. Additiven wie Flammschutz, Glasfasern, Farben etc. Inkl. Zulassungen wie UL (auch bei dünnen Wänden ab 0,5 mm) Werkzeugstahl additiv fertigen Multimaterialanlagen zur die Herstellung von elektrisch hoch leitfähigen Bereichen in isolierten Werkstoffen Fließprozess für Inlinefertigung und Automatisierung Oberflächenqualität, physikalische Eigenschaften und Detailierung vergleichbar zu Spritzgießartikeln 42 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

43 Beispielaktivitäten bei Phoenix Contact Materialqualifikation für den Metallschmelzprozess Kupfer Filamentherstellung aus spritzgießoptimiertem PA66 und PBT für FDM-Prozess Selbstentwickelte SLS-Anlage für die Entwicklung und Qualifizierung neuer Materialien für den Lasersinterprozess von Kunststoffen Zugriff auf alle Parameter auch im Prozess Änderbarer Laserfokus von 0,25 mm 2 mm 12-Kanalige Heizung ermöglicht konstante Temperaturverhältnisse Unterschiedliche Beschichtungssysteme für unterschiedliche Materialien 43 / Dipl.-Ing. (FH) C. Boesen / Industrieller Einsatz von additiven

44 Industrieller Einsatz additiver Fertigungsverfahren bei Phoenix Contact Clemens Boesen Phoenix Contact GmbH & Co. KG

45 Industrieller Einsatz additiver Fertigungsverfahren bei Phoenix Contact Vielen Dank für Ihre Fragen und Anregungen! Clemens Boesen Phoenix Contact GmbH & Co. KG